馮　潔，解秦保，翟　超，王　貝

(1.河南理工大學(xué) 應(yīng)急管理學(xué)院，河南 焦作 454000；2.海工國(guó)際工程有限責(zé)任公司，天津 300461)

?

基于LabVIEW的高壓氣井環(huán)空帶壓管理系統(tǒng)應(yīng)用

馮潔1，解秦保2，翟超2，王貝2

(1.河南理工大學(xué) 應(yīng)急管理學(xué)院，河南 焦作 454000；2.海工國(guó)際工程有限責(zé)任公司，天津 300461)

摘要：氣井環(huán)空帶壓會(huì)嚴(yán)重威脅天然氣的生產(chǎn)安全和環(huán)境健康。為有效管理高壓氣井環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}，分析了高壓氣井環(huán)空帶壓原因，在此基礎(chǔ)之上建立高壓氣井環(huán)空帶壓管理操作流程。針對(duì)高壓氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，在采氣樹(shù)環(huán)空連通閥引入壓力變送器與自動(dòng)泄壓管線，并基于LabVIEW平臺(tái)，結(jié)合DATAQ數(shù)據(jù)采集卡、及PLC下位機(jī)，開(kāi)發(fā)出高壓氣井環(huán)空壓力管理系統(tǒng)。進(jìn)而進(jìn)行壓力泄放/恢復(fù)監(jiān)測(cè)與井口氣體泄漏測(cè)試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)測(cè)量精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，同時(shí)節(jié)省了人工成本，對(duì)提高高壓氣井動(dòng)態(tài)管理水平與風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)有重大意義。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；高壓氣井；環(huán)空帶壓；管理系統(tǒng)

在天然氣井生產(chǎn)過(guò)程中，環(huán)空壓力經(jīng)井口閥門(mén)泄壓后又重新恢復(fù)到泄壓前壓力值或低于泄壓前壓力值的現(xiàn)象叫做環(huán)空帶壓SCP(sustainedcasingpressure)。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦礦業(yè)管理局統(tǒng)計(jì)，墨西哥灣外大陸架有超過(guò)該地區(qū)總井?dāng)?shù)43%的井至少有一層環(huán)空帶壓[1]。我國(guó)塔里木油田高壓氣井中有93%存在環(huán)空帶壓現(xiàn)象，最高環(huán)空帶壓值甚至超過(guò)50MPa[2]。隨著開(kāi)采期的增加，環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}日益突出，已經(jīng)成為影響氣井安全生產(chǎn)的重要因素。因此，適合于高壓天然氣井的環(huán)空帶壓管理系統(tǒng)亟待開(kāi)發(fā)與研究。

LabVIEW是國(guó)際上首推并應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開(kāi)發(fā)環(huán)境之一，然而與其配套使用的ATE系列采集卡價(jià)格昂貴，其他品牌滿足功能需要的采集卡因與LabVIEW連接困難而導(dǎo)致應(yīng)用的不多[3]。本文基于LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用Windaq控件，實(shí)現(xiàn)對(duì)DATAQ數(shù)據(jù)采集卡控制，實(shí)時(shí)采集井口環(huán)空閥門(mén)上的溫度、壓力變送器數(shù)據(jù)；同時(shí)通過(guò)DataSocket完成與下位機(jī)PLC之間的實(shí)時(shí)通訊，進(jìn)而控制泄壓電磁閥門(mén)的開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)、進(jìn)行壓力泄放/恢復(fù)測(cè)試。開(kāi)發(fā)了高壓天然氣井環(huán)空帶壓管理系統(tǒng)，具有適合井場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)、在同等技術(shù)條件下要求成本低的優(yōu)點(diǎn)。

1環(huán)空帶壓管理流程

引起環(huán)空帶壓的因素主要是以下3種：首先是環(huán)空流體受熱膨脹引起的壓力升高，該種情況壓力可經(jīng)過(guò)環(huán)空泄壓閥泄去。其次是作業(yè)施加的環(huán)空壓力，該種情況是臨時(shí)變化的壓力，可通過(guò)壓力變化識(shí)別出。第3是油套管柱泄漏、水泥環(huán)失效引起氣竄而導(dǎo)致的環(huán)空帶壓。其中，環(huán)空密封失效導(dǎo)致油氣從地層經(jīng)水泥封固井段和環(huán)空液柱向上竄流是形成環(huán)空帶壓的主要原因。當(dāng)上竄天然氣來(lái)源是生產(chǎn)層或有能力產(chǎn)生油氣的地層時(shí)，因其具有持續(xù)流動(dòng)的能力而使這種情況危險(xiǎn)性非常高，必須制定合理的環(huán)空帶壓管理措施[4]。

1.1環(huán)空最大許可壓力計(jì)算

根據(jù)APIRP90標(biāo)準(zhǔn)[5]，油氣井井身結(jié)構(gòu)是由許多層的套管構(gòu)成的，兩層套管之間的環(huán)形空間稱(chēng)之為環(huán)空。依據(jù)由內(nèi)而外的不同位置的環(huán)空，可以依次將其表示為“A環(huán)空”、“B環(huán)空”、“C環(huán)空”…，當(dāng)環(huán)空帶壓值超過(guò)管柱強(qiáng)度極限時(shí)，油氣會(huì)突破井的安全屏障造成泄漏甚至井噴等安全事故。因此，需要給定環(huán)空最大許可壓力(MaximumAllowableWellheadOperatingPressure，MAWOP)來(lái)評(píng)判環(huán)空帶壓危險(xiǎn)程度。參考APIRP90標(biāo)準(zhǔn)，定義MAWOP如下：

1)A環(huán)空MAWOP為以下各項(xiàng)最小者。

①油管抗擠毀強(qiáng)度的75%。

②生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的50%。

③內(nèi)層技術(shù)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的80%。

④生產(chǎn)套管頭強(qiáng)度的60%。

2)中間環(huán)空MAWOP為以下各項(xiàng)最小者。

①該環(huán)空內(nèi)層套管抗擠毀強(qiáng)度的75%。

②該環(huán)空外層套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的50%。

③該環(huán)空外、隔層套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的80%。

④該環(huán)空套管頭強(qiáng)度的60%。

3)表層環(huán)空MAWOP為以下各項(xiàng)最小者。

①外層技術(shù)套管抗擠毀強(qiáng)度的75%。

②表層套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的50%。

③表層套管頭強(qiáng)度的60%。

井下管柱為多種規(guī)格油套管共同組成，即使同一層管柱也包含多種類(lèi)型油套管及井下工具。因此在計(jì)算各層環(huán)空MAWOP時(shí)要充分考慮不同種類(lèi)的管柱，取其最小值。

1.2環(huán)空帶壓管理流程

氣井的環(huán)空帶壓值以MAWOP為安全上限。當(dāng)環(huán)空帶壓值超過(guò)該值時(shí)，認(rèn)為必須進(jìn)行關(guān)井；當(dāng)環(huán)空帶壓值小于MAWOP時(shí)，需要進(jìn)一步分析，進(jìn)行泄壓/壓力恢復(fù)測(cè)試。目前，普遍認(rèn)為進(jìn)行泄壓/壓力恢復(fù)測(cè)試的臨界壓力值為0.7MPa(100psi)[6]，即當(dāng)氣井環(huán)空帶壓值介于0.7MPa(100psi)和MAWOP之間時(shí)，需要進(jìn)行泄壓/壓力恢復(fù)測(cè)試，并且該井需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)空帶壓狀態(tài)變化、定期進(jìn)行泄壓/壓力恢復(fù)測(cè)試，其管理流程如圖1 所示[7]。其中p1、p2均為臨界壓力值。

1.3環(huán)空帶壓管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)上文建立的環(huán)空帶壓管理(操作)流程可知：高壓氣井環(huán)空帶壓管理系統(tǒng)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)性能的設(shè)計(jì)要求。

1)功能完整，操作和控制方便。

2)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)與記錄壓力、溫度，測(cè)試精度小于0.2%F.S.。

3)實(shí)時(shí)顯示出環(huán)空壓力、溫度及系統(tǒng)工作狀態(tài)。

4)順利開(kāi)關(guān)泄壓閥門(mén)，并且可選擇手動(dòng)/自動(dòng)2種模式。

5)控制系統(tǒng)滯后時(shí)間小于500ms。

圖1　環(huán)空帶壓管理流程

2高壓氣井環(huán)空帶壓管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足高壓氣井環(huán)空帶壓管理系統(tǒng)的性能要求，采用模塊化設(shè)計(jì)思路。該系統(tǒng)由環(huán)空帶壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和環(huán)空泄壓系統(tǒng)組成，如圖2 所示。

2.1基于LabVIEW與DATAQ的環(huán)空帶壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)采氣樹(shù)環(huán)空連通閥上的溫度、壓力變送器將環(huán)空溫度、壓力參數(shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，模擬信號(hào)再通過(guò)信號(hào)隔離器、DATAQ數(shù)據(jù)采集卡及485通訊模塊傳輸至PC?；贚abVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集分析模塊，利用Windaq接口函數(shù)與DATAQ采集卡連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)空溫度、壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其中數(shù)據(jù)采集的程序框圖如圖3所示。

圖2　高壓氣井環(huán)空帶壓管理系統(tǒng)

圖3　DATAQ數(shù)據(jù)采集程序框圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)依據(jù)高壓氣井環(huán)空壓力采集時(shí)間久、采樣頻率及精度要求不高的特點(diǎn)，選擇適合工況DATAQ數(shù)據(jù)采集卡。對(duì)比采用以前的LabVIEW配套的NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，降低了成本。

2.2基于LabVIEW與PLC的環(huán)空泄壓系統(tǒng)

利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)天然氣井環(huán)空帶壓值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)壓力超過(guò)0.7MPa(100psi)時(shí)可通過(guò)環(huán)空泄壓系統(tǒng)進(jìn)行泄壓/恢復(fù)測(cè)試。該系統(tǒng)采用Siemens公司點(diǎn)到點(diǎn)通訊模塊CP340，利用集成在CP340模塊中的ASCII碼通訊協(xié)議，將LabVIEW與PLC結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)PLC端口的開(kāi)關(guān)控制，進(jìn)而控制井口泄壓管路中的電磁閥啟閉，完成環(huán)空泄壓/恢復(fù)[8]。向PLC中發(fā)送數(shù)據(jù)命令讀取寄存器狀態(tài)框圖程序如圖4所示。

圖4　發(fā)送操作指令程序框圖

3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

圖5　高壓氣井環(huán)空帶壓管理系統(tǒng)軟件界面

環(huán)空壓力變化曲線如圖6所示。該井放壓前A環(huán)空壓力值為18.85MPa，泄壓后壓力降到4MPa，關(guān)閉閥門(mén)后壓力恢復(fù)為穩(wěn)定值15.85MPa。采集泄壓氣體未發(fā)現(xiàn)天然氣成分，判斷A環(huán)空壓力為流體熱膨脹造成，表明油管、生產(chǎn)套管及封隔器完整性良好。

圖6　環(huán)空壓力變化曲線

井口氣體泄漏測(cè)試曲線如圖7所示，測(cè)試2h后A環(huán)空泄壓，壓力曲線pA值降低為4.4MPa。之后關(guān)閉環(huán)空泄壓閥門(mén)，pA恢復(fù)到19.03MPa并穩(wěn)定。8h調(diào)節(jié)油嘴，油壓p0升高到50.52MPa，此時(shí)觀察pA升高為29.61MPa，并且pA變化趨勢(shì)與p0相似，說(shuō)明油管柱有泄漏。同時(shí)由于pA小于p0，說(shuō)明泄漏量不大，需要時(shí)刻監(jiān)測(cè)A環(huán)空壓力，定期進(jìn)行泄壓測(cè)試。當(dāng)A環(huán)空帶壓值出現(xiàn)上升趨向時(shí)，必須進(jìn)行關(guān)井維修工作。

圖7　井口氣體泄漏測(cè)試曲線

4結(jié)論

1)介紹了氣井環(huán)空帶壓原因，在此基礎(chǔ)之上建立了環(huán)空帶壓管理流程，進(jìn)而提出了環(huán)空帶壓管理系統(tǒng)要求。

2)基于LabVIEW平臺(tái)、結(jié)合DADAQ數(shù)據(jù)采集卡及PLC控制器開(kāi)發(fā)的高壓氣井環(huán)空帶壓管理系統(tǒng)，降低了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成本，適合井場(chǎng)實(shí)時(shí)應(yīng)用。

3)利用井口實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)油管柱泄漏，保障高壓氣井的安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]AdamTBourgoyne，StuartLScott，JamesBRegg.Sustainedcasingpressureinoffshoreproducingwells[C]//OffshoreTechnologyConference.Houston，Texas：1999-05.

[2]李汝勇，朱忠謙，伍藏原，等.克拉2氣田壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法[J].石油鉆采工藝，2007，29(5)：102-104.

[3]隋紅林，王華.LabVIEW下普通數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)與調(diào)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009(25)：23-24.

[4]趙鵬.塔里木高壓氣井異常環(huán)空壓力及安全生產(chǎn)方法研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2012.

[5]APIRecommendedPractice90—2006，Annularcasingpressuremanagementforoffshorewells[S].

[6]XuR，WojtannowiczAK.Diagnosisofsustainedcasingpressurefrombleed-offbuilduptestingpatterns[G].SPEProductionandOperationsSymposium.Oklahoma.2001.

[7]ZHUHongjun，LINYuanhua，ZENGDezhi，etal.Calculationanalysisofsustainedcasingpressureingaswells[J].PetroleumScience，2012，9(1)：66-74.

[8]張永根.基于LabVIEW與PLC的船舶柴油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[J].江蘇船舶，2010(2)：27.

ResearchandApplicationofManagementSystemofSustainedCasingPressureforHigh-pressureGasWellBasedonLabVIEW

FENGJie1，XIEQinbao2，ZHAIChao2，WANGBei2

(1.Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China；2.COOEC International Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300461，China)

Abstract：The sustained casing pressure (SCP) threatens the safety of gas production and environmental health.To effectively solve the problem in high-pressure gas wells，in this paper the causes of SCP was analyzed and then serious of management operation process for high-pressure gas wells was established.In connection with the production status in high pressure gas wells，the pressure transmitters were used and automatic pressure relief lines were added to the annulus connected valves in Christmas trees and then based on LabVIEW，with the DATAQ data acquisition cards and PLC，a management system for SCP was developed to do the pressure relief/recovery monitoring and tests for gas leakage.The results show that the system is in high precision，stable and reliable，while also will save the labor costs and improve the management level of high pressure gas wells and risk-control techniques.

Keywords：LabVIEW；high pressure gas well；sustained casing pressure (SCP)；management system

文章編號(hào)：1001-3482(2016)06-0095-05

收稿日期：2016-01-18

作者簡(jiǎn)介：馮潔(1989-)，女，河南焦作人，碩士研究生，主要從事管道應(yīng)急安全及石油鉆采方面的研究工作。解秦保為并列第一作者。

中圖分類(lèi)號(hào)：TE938.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.022