基于Opto22的模拟井喷井组自动控制系统的设计

李 文，钱步仁，刘小东，王召凯

（中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院，北京102249）

基于Opto22的模拟井喷井组自动控制系统的设计

李 文，钱步仁，刘小东，王召凯

（中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院，北京102249）

随着井控教学的发展，建设模拟井喷井组来替代普通实验井平台将成为各大油田培训中心的必备设施。文章对模拟井喷的相关条件进行了理论分析，选用Opto22 SNAP I/O控制系统为控制核心及相关电气设备，在此基础上设计了控制程序及组态，形成了具体的实验井建设方案。经现场使用结果表明，新型井控培训控制系统提高了整体工作效率，为技术人员的培训工作提供了极大的便捷，具备成为科学研究平台的资格。

Opto22控制系统；实验井理论分析；控制程序设计；组态设计

为了提高井控培训效率，降低培训技术人员的工作强度和安全风险，在模拟井喷井组的基础上设计自动控制程序，能大大提高操作精度及工作效率。为此，笔者在对实验井相关建设数据进行理论分析后，选用Opto22 SNAP PAC控制系统[1]作为控制核心，辅以相关电气设备及上位机程序完成整个系统的联动，提高培训系统的自动化性能。

1 实验井建设理论计算

1.1 实验井深计算

采用常用的G105、Φ127*9.19mm钻杆，在钻具重量能克服流体上顶力的安全前提下，根据确保实现所需的功能来确定井深。

设井深为H、压缩机工作压力为15MPa，井口压强（套压Pa）为15MPa，液柱静压强（Pl）为0.0098H（MPa）。

在发生溢流、井涌时，钻具在井内受重力、气体的上顶力、流体的浮力及摩擦力；井口压力取15MPa，摩擦力为0.185H（查阅资料），液柱静压强为0.0098ρH，浮力忽略不计。因此钻具要克服气体的上顶力，钻具最小的重量m应满足：

液体使用清水，则ρ=1；Φ127*9.19钻杆的质量系数为29 kg/m，代入式（1）求得H=1188 m。

为了缩短钻井井深，配1柱Φ158mm钻铤90m，钻铤重量124 kg/m。则：H=664 m。

为了平衡重量，保证钻柱安全，取安全系数1.2，则钻具长度定为796.8m（取整800米），井深确定为820 m。

1.2 储气井计算

储气井选用 Φ311.5mm钻头，下 N80级Φ244.5mm*10.03的套管，使用J55钢 级Φ60.3mm*4.83的注气管。下面将以满足喷高45m、及持续10min的情况为例，进行相关理论数据计算。

1.2.1 喷高与喷时的相关推导

储气井排出流量模拟与注气管选择储气井的最大排气流量与管径、管长、压力、流速、摩阻等因素有关。经查阅相关资料得知气体喷高与速度及质量流量的关系如下表。

表1 气体喷高与速度及质量流量关系表

同时，模拟井喷持续时间与质量流量的关系如图1所示。

图1 Φ60.3mm注气管注气模拟泄流量图

从图中可知，使用Φ60.3mm注气管，当模拟井喷持续10 min时的质量流量应在4 kg/s以上时，才能满足设计模拟井喷要求。

1.2.2 储气井容积推算

1）气体密度计算

空气密度在标准大气压下，0℃时的空气密度为1.293 kg/m3，则储气井的储气压力为15MPa、20℃（常温）时的空气密度为：

2）满足喷高45m、质量流量4.78 kg/s及持续10 min的情况下，所需15MPa、5MPa的空气体积计算：

依据气态方程，换算为喷出后压力为5MPa时的气量为

3）储气井最小容积计算

使用的寄生管内径为0.051 m、内容积为2.04L/ m，长度分别为780、350、55 m，其总容积为2.42 m3。则储气井最小容积为：

求得:V储=24.5 m3

因此设计储气井的容积大于24.5m3，通过适当操作，能够近似模拟出目标井喷要求。

由于井喷高度与质量流量、喷口截面积及初始速度、空气物性参数有关，对于出口为Φ127mm钻杆与Φ244.5mm套管的环空来说，其体积流量为：

其中：v=满足一定气体喷高时的气体流速。

可见所选环空能达到质量流量为4.78 kg/s的要求，考虑到质量流量略大，可以把出口适当缩小。以确保喷高25、35、45m时质量流量分别控制到2.83、3.3、4.78 kg/s。

2 井控培训系统的设计

井控培训的内容一般是，利用井控装置和注气设备实现气侵、溢流、井涌、井喷等模拟功能，使学员能够完成以下训练：

A.井侵（或溢流）的发现；

B.发现溢流后的关井程序；

C.压井过程训练；

D.井喷演示。

考虑到井控培训工作的繁琐，为了克服传统传统培训系统的低自动化性，我们设计了控制系统，完成井控培训的远程自动化操作。

2.1 系统的硬件设计

Opto控制公司是一个已经超过10年的，且在工业自动化，远程监控，及数据采集与应用方面的硬件及软件的供应商和集成商[2]。单就产品线而言，Opto22可能无法与一些自动化巨头相比，但在PAC与I/O技术及应用方面实力很强劲[3]。Opto22研发和制造软硬件，包括自动化及控制、远程监测和数据采集[4]，其生产的PAC结合了PLC的稳定性控制与PC系统的灵活组态[5]。基于PAC系统的架构很灵活，可大可小，性价比颇高[6]，本系统就是基于Opto22 PAC设计而成。

整个系统的架构如图2所示，由上位机、控制系统及执行单元这三部分组成。上位机主要运行Opto22 SNAP PAC Control[7]及PAC Display[8]程序，可以放置远离现场的机房内由技术人员操作。控制系统即Opto22 SNAP I/O控制系统，负责数据的采集及传输，上位机与控制器之间通过以太网进行通信。使用传感器获取实验井场的相关环境参数，电磁阀负责管道的通断。

图2 控制系统的结构设计

选用Opto22 SNAP I/O系统进行数据的采集、存储和传输。该系统采用标准以太网技术和协议进行数据交换，采用前端智能分布式I/O控制，系统I/ O点数容量大，扩展方便、灵活，具有相当高的可靠性和抗干扰能力[9]。I/O模块用于接收现场的电信号，实现对现场被控对象的实时控制。SNAP I/O控制系统中所有的I/O模块都采用模块化卡件形式，能方便地进行维护和在线替换[10]。另外I/O模块可进行带电拔插，I/O接口板也可带电拔插，故在更换时无需断电停机，进一步提高了系统的可维护性[11]。在设计本井控培训控制系统时，笔者的硬件选型大致如下：

其中数字量输入/输出模块是为了获取电磁阀工作状态/控制电磁阀的开闭，而模拟量输入模块是获取传感器的数据，模拟量输出模块控制调节阀的开度。另外，控制系统采集相关的电流电压信号，可以通过模块转换成数字信号传给计算机等设备，十分方便[12]。

表2 Opto22 SNAP I/O控制系统选型表

2.2 控制系统的软件设计

软件设计包括控制程序及组态，分别由PAC Control Pro 9.3和 PAC Display Configurator Pro 9.3软件包完成。

2.2.1 控制程序设计

Opto22的控制程序开发软件PAC Control支持流程图和脚本语言两种开发方式，其脚本语言Opto Script的语法类似于 C语言[13]。

在控制程序设计中，笔者就井控培训涉及的几种注气注水操作进行了划分，在主程序中设置了标志位，使得组态中选择不同的操作执行不同的子程序。对于一定喷高及喷时的井喷演示以及正常的井控训练，都要求控制程序能实现定量操作，因此笔者在注气注水环节加入了相关控制语句。

定量注气（注水）的实现由程序控制，以注气为例，先通过目标注气量计算出储气井的最终压力，然后在传感器参数满足时自动结束子程序即可：

另外，也可以计算出实时的注气量，由操作人员自己决定：

RT_Gas_Volume=（Gas_Pressure-PT1）*2.11；

由于我们使用了流量传感器，实现定量注水算法类似。

由于模拟井喷的介质流量注入对模拟效果至关重要，因此在管道中增加了调节阀，控制程序中则引入了PID算法[14]。现场智能I/O单元可以完成PID功能，适应实时的工业控制、远程监控、数据采集的要求[15]。

2.2.2 组态设计

采用Opto22的PAC DISPLAY软件编成组态显示上位机界面，将界面中各个模块与软件程序中各个变量进行关联[16]。它提供了可靠、快速的I/O扫描，并利用新的通讯处理技术——多线程I/O引擎技术，使它和Opto 22硬件产品之间的通讯速度更快、更稳定[9]。图3为笔者设计的井控培训系统组态：

图3 组态运行设计图

笔者所设计组态中，左侧的布局与现场布局相仿，右边为操作选项。技术人员只需要选择不同操作，就可以实现现场电气设备的联动，从而完成不同的操作任务。另外，组态对传感器数据、电磁阀工作状态等相关监测信息进行实时刷新，使得技术人员只需要在远端操作上位机即可，安全便捷。

3 结 论

整个井控培训平台设计完毕，在Y油田H实验井场进行现场安装调试，用于某石油工程板块业务竞赛——钻井作业实操。在比赛中系统运行稳定，极大的提升了工作效率，获得一致好评，得出以下结论：

1）基于Opto22数据采集控制系统设计的井控培训系统，运行可靠，维护、扩展灵活。

2）人机交互简化了操作流程，降低工作强度，提高工作效率。

3）为井控培训引入了自动化操作，不仅可以实现一定要求的喷高/喷时演练，还可以在此基础上作为研究井下多相流运移规律的科学实验平台。

[1]Opto22 SNAP PAC System及其典型应用结构[s].北京奥普图有限公司，2004.

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[3]周丽.深耕PAC与I/O领域精益求精[J].Control Engineering China，2010（4）:8-9.

[4]Opto22.Opto22为英国垃圾填埋场提供基于以太网的控制系统[J].Control Engineering China，2010（7）:56-58.

[5]李志梅，李智文.OPTO22的PAC系统在轮胎里程检测系统的应用[J].自动化与信息工程，2007（6）: 14-16.

[6]陈翔，谢林，雷钊.OPTO公司LCM4控制器间点对点通讯的应用 [J].自动化与仪器仪表，2010（2）: 68-70.

[7]1700_PAC_Control_Users_Guide[R].北京奥普图有限公司，2012.

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[9]吴瑶，钱步仁，张修申，等.OPTO22控制系统在钻井仿真中的应用[J].石油机械，2008，36（1）:54-56.

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Design of the automatic control system of the blowout simulation well group based on Opto22

LI Wen，QIAN Bu-ren，LIU Xiao-dong，WANG Zhao-kai
（College of Geophysics and Information Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Along with the development of the well control teaching，build the simulation of the well group to replace the ordinary experimental well platform will become the essential facilitiesin the major oil field training center.In this paper，we analyzed the relevant conditions of the blowout simulation，chose the Opto22 SNAP I/O control system as the control core and some electrical equipments.On this basis，the control program and configuration are designed，thus the construction scheme of concrete experimental wells is formed..The results show that the new well control training system has improved the overall working efficiency，provides a great convenience for the technical personel in the training，and could become a platform for scientific research.

wellcontroltrainingsystem；Opto22controlsystem；controlprogramdesign；configurationdesign

TN081

：A

：1674－6236（2017）06-0144-04

2016-03-18稿件编号：201603246

李 文（1990—），男，安徽桐城人，硕士研究生。研究方向：信号检测与处理技术。