智能完井液压站控制系统设计及实现

薛德栋，张玺亮，刘铁明

（中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300457）

0 引言

海上油田开发过程中，面临层数多，层间矛盾大等突出问题，层间差异大，单层出水严重导致底水、边水突进，造成整井水淹。智能完井技术能够对井下的滑套状态进行实时控制，能够监测井下压力、温度、流量层实时参数，结合油层数值模拟信息进行决策，对井下滑套进行生产遥控，从而达到稳油、控水，提高最终采收率的目的。

图1 直接液力控制液控智能完井示意图Fig.1 Schematic diagram of direct hydraulic control hydraulic control intelligent well completion

井下流量控制器控制方式主要有液压控制、电动控制或者液压/电动控制，控制状态有全开、全闭、多级调节和精细调节等。其中，液压驱动由于其耐高温、扭矩大、可靠性高的优点，在国内外应用广泛[1]。国外的Welldynamics 公司Smart-Well 智能完井系统，Halliburton公司HS-ICV、LV-ICV、MCC-ICV 等系列的井下流量控制阀，以及Schlumberger 公司的IntelliZone Compact 智能完井系统均采用液压控制方式。

1 地面液压控制站

智能完井液压控制站是智能完井的重要组成部分，其安装在地面，产生液压动力，对井下液控滑套及解码器提供液压动力，实现井下滑套的开启与关闭。图1 为直接液力控制液控智能完井示意图。如图1 所示，实现井下2 层滑套的控制需要3 条液控管线，井下阀的开启分别由各自的控制管线控制，但关闭仅由一根控制线实现。控制管线2，3 分别控制阀A 和阀B，当这两根管线施加高压油时，便能实现两个阀门A 和B 的开启。而阀门A 和B 的关闭端由一根控制线1 共同控制，当控制线1 通入高压油，从而实现两个阀门的关闭。当井下液控滑套数量增加时，需要增加井下解码装置，能够利用3 条液控管线实现井下6 层的控制，即若完成井下不低于6 层液控滑套的控制，需要地面液压控制站能够独立输出3 路液压动力。

地面液压控制站主要参数如下：

1）使用环境温度：-35℃～60℃。

2）电源输入：380 VAC / 480VAC /690VAC 50 HZ。

3）设计压力：70000Psi。

4）输出压力：6000Psi。

5）三路压力输出。

地面液压控制站主要由储油罐、液压泵、电磁控制阀、回油管、液压管汇、检测设备、液压控制系统等组成；液压泵产生液压动力，电磁控制阀实现液路的开关与液路转向控制，检测设备等实现液压流量、压力等参数的计量；液压控制系统为地面液压控制站的核心，其系统采用PLC控制，能够接收远程信号，通过逻辑判断，控制电磁阀通断，从而实现液路的控制。

图2 地面液压控制系统整体原理图Fig.2 Overall schematic diagram of ground hydraulic control system

2 智能完井地面液压站控制系统设计

2.1 地面液压站控制系统设计

液压站驱动控制系统包括：上位机控制级、PLC 控制级、变频控制级，下位机PLC 选用西门子s7-1200 系列，PLC 配有7 寸触摸屏。上位机控制级中控室与PLC 之间通过RS-485 连接，完成地面控制系统的计算机自动复合控制，RS485 传输速率为9600bps 时，传输距离可达1500m，可连接128 个收发器。以太网无法保证数据传输的实时性要求，鲁棒性和抗干扰能力很难适应环境恶劣的工业现场[2-4]。可见，RS485 最适合智能完井现场需要。同时，可通过工业以太网将该地面控制系统与其余控制终端连接，实现远程控制。为了实现高精度的速度闭环控制，变频器控制级选配脉冲编码器接口模块，用于变频器接收驱动电机的编码器反馈地面，液压控制站整体原理如图2 所示。

2.2 地面液压站PLC控制系统设计及接线

地面控制站设置有压力、流量等传感器，启停开关、压力调节电磁阀等外置设备，设备信号的输入是通过各总线协议和I/O 模块来实现的。利用PLC 系统实现数据的采集和信号的输出，同时通过PLC 与上位机连接，实现数据的传输和图形监测功能，实现了逻辑控制、过程控制一体化。为配合井下液控滑套的精细化控制，地面液压控制协同应具备以下功能。

1）为解码器及井下多级流量控制装置提供液压动力，根据逻辑命令完成相应的动作。

2）系统具备输出压力检测功能，当压力超过设定值时可自动进行溢流泄压。

3）主回路分为3 路，每一主回路上配有进口高精度比例流量控制阀，能够准确控制输出液压油的液量。

图3 脉冲流量计及报警信息PLC接线图Fig.3 PLC Wiring diagram of pulse flowmeter and alarm information

4）主回路上均配有压力表，用于现场显示系统输出压力，同时配有压力变送器，可将压力信号传送到中控室，将压力数据进行实时显示与记录。

5）配有自动泄压阀，主回路不需要加压时可将管线压力泄放。

6）现场控制面板上具有主回路的压力输出通断、压力显示、泄压等功能。

7）中控室具有所有回路的压力输出通断、压力显示、泄压、流量计量及井下多级流量控制装置位置显示等功能，根据设定程度能够完成相关自动控制。

2.2.1 流量控制系统实现

控制液流量计量为一项重要指示参数，通过控制液流量能够精确判断井下状态，该地面控制站选用kracht 公司的VC0.025F1PS 脉冲流量计，该流量计计量范围是0.008L/min ～2L/min，能够精确地对进入井下控制管线的控制液进行精确计量。在3 条液控管线上分别安装1 个流量计，3个脉冲流量计占用PLC 输入口（I 口）两个位，这两个位连接PLC 的计数器，通过计数器的脉冲个数，加上每个脉冲对应0.25ml，可以算出流量值。同时，对液位低信息、变频器故障、变频器运行、油泵电机启动、油泵电机停止、急停按钮在PLC 上的接线图，如图3 所示。

图4 压力变送器PLC接线图Fig.4 PLC Wiring diagram of pressure transmitter

2.2.2 压力控制系统实现

压力变送器选用AST 公司4401C00400 型号，该变送器压力测试范围是0MPa ～40MPa，工作环境温度-40℃～80℃。压力变送器与地面控制站压力输出口连接，实时显示地面控制站3 条压力管线压力输出值。图4为3 个压力变送器在PLC 上的接线图。

3 智能完井地面液压站控制软件设计

为实现地面控制系统的逻辑控制，通过上位机变成实现控制程序的开发和控制。上位机对下位计算机进行数据发送和接收、修改试验参数、控制工作状态、存储试验数据、显示控制界面和数据回放、报表生成等功能，采用友好的软件交互界面，从而实现整个系统的稳定运行。上下位机互相独立，互不干扰，分工明确，从而可以更好地保证系统稳定运行。下位机PLC 负责完成所有试验传感器信号的采集、测试压力的采集、测试流量的采集、异常判断等功能。

3.1 软件框架结构

上位机Visual Basic 软件通过RS485 串口通讯实现远距离向下位机输入试验标准、试验工艺及试验参数等指令，同时也可向下位机获取试验压力和试验流程状态、异常情况等参数，并可实时显示试验数据。上位机软件基于Visual Basic 6.0 开发，系统控制流程图如图5 所示。控制结构采用上、下位机控制模式，上位机下位机软件功能如图6 所示，下位机主要进行系统过程控制、数据采集以及与上位计算机进行数据交换等功能。

图5 软件控制流程参考图Fig.5 Software control flow reference diagram

表1 PLC 1200寄存器地址映射关系Table 1 Address mapping relationship of PLC 1200 register

3.2 上下位机的MODBUS RTU协议

上下位机通讯选用MODBUS RTU 协议，Modbus 是一种串行通信协议，是Modicon 公司（现在的施耐德电气Schneider Electric）于1979 年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表。

对于地面控制液压站上位机与下位机的通讯，上位机需要实时读取下位机传感器传回的瞬时压力、流速、温度信息，还包括泵、油箱液位、变频器、控制柜按钮信息，同时上位机需要发送指令给下位机，进行控制。西门子PLC 1200 作为下位机，作为Modbus RTU 从站，对应的寄存器地址见表1。

图6 上、下位机软件功能示意图Fig.6 Software function diagram of upper and lower computer

其首地址应为40001，因为地址码是一个字节，故Modbus RTU 地址码定为01，对于上位机从下位机读取信息，流量、温度、压力均为浮点数，每个参数占4 个字节，共计28 个字节，加上下位机运行信息，需要32 个字节，发送数据帧格式为01 03 00 00 00 10 44 06，其中01 地址码；03 功能码；00 00 为MD0 地址，00 10 定义为16 个字（32 个字节）44 06 为CRC 检验码。工作时，当上位机将数据帧发送给下位机时，下位机就向上位机发送流量、温度、压力、下位机运行状态信息，上位机不发送该帧格式，下位机也不向上位机回传信息。对于上位机控制下位机，是位控制指令，每个位可控制一个按钮，一个字节8 位可控制8 个按钮。

4 结论

地面液压控制站为智能完井井下工具提供液压动力，其核心控制系统采用PLC 控制，配合RS485 通讯方式，能够实现多组数据的远程传输，满足现场需求。所设计的PLC 接线方式能够对地面液压控制站的控制液流量、控制液压力等参数进行实时监测与判断。同时，设计的地面控制软件采用MODBUS 传输协议，实现上位机对地面液压站的远程控制，实现了下位机对地面液压站的控制，及瞬时压力、流量、温度等实时参数的读取，满足智能完井井下控制需求。