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摘 要：为提高计量精度，实现多井连续计量，满足远程监测的需要，设计开发了一种基于PLC的多井自动计量与远程监测系统。构建了基于计量站、采油队、采油厂的三级管理模式，计量站负责控制井位、自动计量，并通过无线模块上传计量数据至采油队，采油队接收来自计量站的瞬时数据，将统计得到的数据上传至采油厂服务器。设计开发的基于B/S架构的油田数据管理系统，可以使各级管理人员依据个人权限查询和管理相应数据，实现了对油井生产状况的远程监测。现场试验表明，该系统能够准确计量和统计采油数据，生成需要的各种数据报表和曲线图，具有了自动计量、远程传送、数据统计与历史查询等功能，降低了人工计量的劳动强度。
关键词：多井计量；PLC；质量流量计；GPRS；远程监测
油井生产过程中形成油、气、水三相流动，油井计量的任务是动态监测油井的产液量、产油量和产气量，并通过产量的动态分析分析井下油藏地质情况变化和生产异常，从而优化生产参数、提高采收率，为生产决策提供准确的数据支持[1-3]。目前国内大约90%的油井计量采用玻璃管量油、孔板测气法、人工井口取样化验含水率的计量方法，该方法装备简单、投资少，但由于目前油田开发已进入中后期，采出液中含水增高以及稠油低含气与间歇出油等原因，采用上述方法计量后，排液十分困难，造成油井计量不能正常进行[4-5]。而且，手动玻璃管量油几分钟、甚至几十秒钟的短时计量所获得的数据难以反映油井的真实产液状况，人工取样随机性很强，无法得到准确的含水率值[6]。
由于油井数量多且分布范围由几十至几百平方公里，采用人工每日定时检查设备运行情况并测量、统计采油数据的方式必然使工人劳动强度加重，并且影响设备检测与采油数据的实时性与准确性[7]。随着Internet技术，特别是Web技术的迅速发展，使得基于Internet的远程计量系统的实现成为可能[8]。同时，为了减少人员投入，缩短油井故障发现和排除时间，提高采油时率和管理水平，应用基于Internet的远程监测系统成为必然趋势[9-10]。因此，开发计量精度高、操作简便的多油井自动计量与远程监测系统具有很高的现实意义和经济价值。
1 系统设计
1.1 系统构成
多井自动计量与远程监测系统采用计量站、采油队、采油厂三级管理模式，其系统构成如图1所示。其中，计量站主要完成井位控制、油井计量和发送计量数据等功能；采油队负责接收、统计、分析并存储来自计量站的计量数据，并发送控制命令和计量参数至计量站，定时将计量结果上传至采油厂服务器的数据库中；采油厂服务器接收、分析并存储来自采油队的数据。通过油田局域网，各级管理人员在其权限范围内查询各计量站、采油队或采油厂的数据，达到实时远程监测油田生产状况的目的。
1.2 系统工作流程
工作人员在计量站通过触摸屏选择需要计量的油井与设置计量参数。PLC控制多通阀进行计量井位的选择，实现单路导通、气液分离后，气相进入气体流量计测量其流量，液相进入质量流量计测量其流量、温度与混合密度。PLC定时读取质量流量计采集的数据，通过计算得到需要的瞬时计量数据和日统计数据，并通过触摸屏实现计量数据的查询，同时计量数据由GPRS无线模块传送至采油队信息中心显示、统计和存储，并生成数据报表和数据曲线。采油队信息中心也可主动查询计量站的计量数据或进行参数配置和选井控制；采油厂管理中心接收、存储、分析各个采油队上传的计量数据；油田管理人员通过内部局域网，依据其个人权限可随时访问和管理采油厂管理中心的相应计量数据。
1 多通阀；2 气液旋流分离器；3气体流量计；4 GPRS无线模块；5 PLC；6 触摸屏；7 质量流量计；8 采油队数据服务器；9 采油队终端；10 采油厂数据服务器；11 Web服务器；12 浏览器
图1 系统组成
2 计量站控制系统设计
2.1 计量站控制系统构成
计量站控制系统由可控的多通阀、气液旋流分离器、液位控制器、质量流量计、气体流量计、PLC及其组件、触摸屏、GPRS无线网络模块等部分组成，如图2所示，其中PLC是计量站控制系统的核心。
图2 计量站控制系统
2.2 多井自动计量的实现
PLC自动控制多通阀选井、读取质量流量计采集的数据并计算出计量数据，实现多井自动计量。具体过程为，在触摸屏上选择需要计量的油井井号，设置每口油井的准备时间、计量时间、计量参数、修正系数和报警参数。设置完毕后，点击触摸屏上"计量"按钮，启动PLC程序。PLC指令对电动机继电器发出信号，电动机带动多通阀阀芯旋转，直至到达目标井位置，使该油井的原油出口管路与多通阀计量出口连通。单井来液从多通阀出口流出后，经气液旋流分离器与液位控制器，实现气液分离，气相进入气体流量计测量气体流量，液相进入质量流量计测量其瞬时流量、混合温度和混合密度。PLC依据MODBUS协议读取质量流量计采集的数据，并计算出所需的计量数据。计量数据实时显示在触摸屏上，并经GPRS模块上传至采油队信息中心。计量完一口油井后，PLC依据判定条件自动计量下一口油井，这样周而复始地循环完成多口油井的自动选井计量。多井自动计量的控制流程如图3所示。触摸屏界面如图4所示。
图3 多井自动计量控制流程图
（a）初始界面 （b）计量信息界面
图4 触摸屏界面
在多井自动计量过程中，可根据实际需要，随时取消或增加需要计量的油井数、修改每口井的准备时间和计量时间。此外，在计量过程中出现异常时，可产生以下报警事件：
(1)如果单井测量值超限，并且超限时间超过设定值，发出声光报警，同时自动转动至下一目标油井进行计量，并记录报警信息，通过触摸屏可以查询报警记录。
(2)如果连续3口井出现报警情况，那么将中止计量，电机转动至空位停止，等待工作人员处理，然后点击“重新计量”按钮，重新启动控制程序。 3 计量数据的计算
通过自动计量得到的数据包括瞬时含水率、含油量、含水量、日液量、日含水率和日油量。根据质量流量计采集的液相质量总量、混合密度以及输入的单井水密度和油密度，分别计算出瞬时含水率、含油量和含水量，其具体的计算公式[4]为：
瞬时含水率=水密度*(混合密度-油密度)/[混合密度*(水密度-油密度)] (1)
含油量=液相质量总量*(1-含水率) (2)
含水量=液相质量总量*含水率 (3)
其中，液相质量总量是在计量时间内由质量流量计测量得到的瞬时质量流量的累加值。
日液量、日含水率和日油量通过下列计算公式得到：
日液量=(∑Qi÷∑Ti)*86400 (4)
日含水率=[∑(Qi*Ki)) ÷∑Qi]*100% (5)
日油量=日液量*(1-日含水率) (6)
其中，∑Qi是计量时间内单井瞬时液量总和；
∑Ti是单井计量时间；
Ki是瞬时含水率。
依据上述计算公式，设计PLC计算程序，可以得到每口油井的瞬时含水率、含油量、日含水率、日液量、日含油量，通过触摸屏实时显示当前计量油井的油井号、瞬时含水率、日含水率、日液量、日气量、温度、压力等信息。
4 远程监测系统的实现
4.1 采油队数据管理系统设计
采油队信息中心完成对计量数据的接收、实时监测、生成报表、上传数据等任务。计量站获取瞬时数据和日统计数据，并通过GPRS发送模块传送至采油队数据中心。其中，单井瞬时数据每隔5分钟发送一次，日统计数据每天发送一次。采油队信息中心通过GPRS接收模块，利用Mscomm组件，依据自由口通信协议，接收计量站发来的计量数据。同时，采油队信息中心可主动对计量站油井井位进行远程控制并设置计量参数和报警参数。采油队信息中心按时间和油井号将单井数据按照一定格式存储到Access数据库中，经数据统计与分析，得到各油井的小时统计、日统计、月统计等数据信息。各油井数据在井队信息中心存储1个月后，保存至硬盘以长期存储。
利用Visual Basic 6.0中的绘图控件MsChart，生成各单井的油、气、水瞬时曲线以及日、周、月、季、年生产曲线和生产报表，并实现存储与打印等功能。此外，采油队信息中心还可通过油田内部局域网将计量结果定时上传至采油厂管理中心数据库。
4.2 采油厂数据管理系统设计
为了实现采油厂数据管理中心对其管辖区域内的采油队和计量站的监测，采用Access 2003数据库，利用ASP.NET，设计了基于B/S架构的采油厂数据管理系统。该系统能够接收、存储采油队信息中心定时上传的统计计量数据，并进行比较分析。通过Internet网实现各采油队数据的共享，网内用户可通过HTTP请求，根据不同的权限对相应的计量数据进行访问与管理。各级管理人员对比分析不同时间、不同单位的生产情况，以及时、准确地掌握油田生产动态。设计开发的采油厂信息管理系统如图5所示。
此外，为了直观地显示油井计量数据在不同时间的波动情况，利用OWC控件实现曲线分析功能。用户设置一定的查询条件获取相关数据并进行曲线分析，如图6所示。
5 结束语
在某油田采油厂的现场试验表明，多井自动计量与远程监测系统的设计方案合理，计量站实现了多井自动连续计量，油井产量计量准确；计量数据通过无线模块传输到采油队信息中心分析、存储、生成曲线和报表，并上传至采油厂管理中心数据库；油田局域网内用户根据个人权限，通过浏览器查询计量数据。此外，该系统具有油井数据更新、信息检索、数据查询、报表生成等功能以及运行成本低、可靠性高等优点，实现了油井产液量、产油量和产气量的（下转第66页）动态监测以及油井生产数据采集的准确性和实时性，满足了油井生产集中管理的需求，提高了生产效率，降低了工人劳动强度，并为实现油田的数字化管理奠定了基础。
图5 季度查询结果
图6 含水率曲线图
参考文献
[1]薛国民, 沈毅. 油井计量方法及关键技术发展方向[J]. 计量测试与检定, 2006, 16 (4): 14-16
[2]魏小林, 徐永高, 杨仓海等. 丛式井组自动选井计量装置[J]. 油气田地面工程, 2010, 29 (2): 91-92
[3]杨春颖,刘哲.滩海油田油井计量方法与特点[J]. 中国新技术新产品, 2010, (4): 6-7
[4]房师礼, 战国堂. 无源控制多相计量技术在油井计量中的研究应用[J]. 石油工业技术监督, 2008, 1 (2): 9-13
[5]朱益飞. 一种新型油井计量装置的研制与应用[J]. 计量技术, 2008, (3): 72-74
[6]王术明, 姬淑华. 质量流量计在油井计量中的应用[J]. 中国计量, 2009, (12): 103-104
[7]何翠兰, 王清华, 梁 波等. 油井监控系统在油田领域的应用[J]. 内蒙古石油化工, 2005, (7): 96-97
[8]冷彦, 赵英凯. ASP技术在远程监控中的应用[J]. 石油化工自动化, 2008, (2): 73-75
[9]Jack D. Marrelli, Ram S. Mohan. Use of Multiphase Meters in Process Control for Oil Field Well Testing: Performance Enhancement Through GVF Control [J]. Petroleum Engineering Department and Mechanical Engineering Department, The University of Tulsa, Journal of Energy Resources Technology, 2005, 1 (7) : 293-295
[10]刘尊民, 林海波, 仪垂杰. 基于GPRS的油井监控终端设计[J]. 计算机应用, 2010, (2): 58-60
关键词：多井计量；PLC；质量流量计；GPRS；远程监测
油井生产过程中形成油、气、水三相流动，油井计量的任务是动态监测油井的产液量、产油量和产气量，并通过产量的动态分析分析井下油藏地质情况变化和生产异常，从而优化生产参数、提高采收率，为生产决策提供准确的数据支持[1-3]。目前国内大约90%的油井计量采用玻璃管量油、孔板测气法、人工井口取样化验含水率的计量方法，该方法装备简单、投资少，但由于目前油田开发已进入中后期，采出液中含水增高以及稠油低含气与间歇出油等原因，采用上述方法计量后，排液十分困难，造成油井计量不能正常进行[4-5]。而且，手动玻璃管量油几分钟、甚至几十秒钟的短时计量所获得的数据难以反映油井的真实产液状况，人工取样随机性很强，无法得到准确的含水率值[6]。
由于油井数量多且分布范围由几十至几百平方公里，采用人工每日定时检查设备运行情况并测量、统计采油数据的方式必然使工人劳动强度加重，并且影响设备检测与采油数据的实时性与准确性[7]。随着Internet技术，特别是Web技术的迅速发展，使得基于Internet的远程计量系统的实现成为可能[8]。同时，为了减少人员投入，缩短油井故障发现和排除时间，提高采油时率和管理水平，应用基于Internet的远程监测系统成为必然趋势[9-10]。因此，开发计量精度高、操作简便的多油井自动计量与远程监测系统具有很高的现实意义和经济价值。
1 系统设计
1.1 系统构成
多井自动计量与远程监测系统采用计量站、采油队、采油厂三级管理模式，其系统构成如图1所示。其中，计量站主要完成井位控制、油井计量和发送计量数据等功能；采油队负责接收、统计、分析并存储来自计量站的计量数据，并发送控制命令和计量参数至计量站，定时将计量结果上传至采油厂服务器的数据库中；采油厂服务器接收、分析并存储来自采油队的数据。通过油田局域网，各级管理人员在其权限范围内查询各计量站、采油队或采油厂的数据，达到实时远程监测油田生产状况的目的。
1.2 系统工作流程
工作人员在计量站通过触摸屏选择需要计量的油井与设置计量参数。PLC控制多通阀进行计量井位的选择，实现单路导通、气液分离后，气相进入气体流量计测量其流量，液相进入质量流量计测量其流量、温度与混合密度。PLC定时读取质量流量计采集的数据，通过计算得到需要的瞬时计量数据和日统计数据，并通过触摸屏实现计量数据的查询，同时计量数据由GPRS无线模块传送至采油队信息中心显示、统计和存储，并生成数据报表和数据曲线。采油队信息中心也可主动查询计量站的计量数据或进行参数配置和选井控制；采油厂管理中心接收、存储、分析各个采油队上传的计量数据；油田管理人员通过内部局域网，依据其个人权限可随时访问和管理采油厂管理中心的相应计量数据。
1 多通阀；2 气液旋流分离器；3气体流量计；4 GPRS无线模块；5 PLC；6 触摸屏；7 质量流量计；8 采油队数据服务器；9 采油队终端；10 采油厂数据服务器；11 Web服务器；12 浏览器
图1 系统组成
2 计量站控制系统设计
2.1 计量站控制系统构成
计量站控制系统由可控的多通阀、气液旋流分离器、液位控制器、质量流量计、气体流量计、PLC及其组件、触摸屏、GPRS无线网络模块等部分组成，如图2所示，其中PLC是计量站控制系统的核心。
图2 计量站控制系统
2.2 多井自动计量的实现
PLC自动控制多通阀选井、读取质量流量计采集的数据并计算出计量数据，实现多井自动计量。具体过程为，在触摸屏上选择需要计量的油井井号，设置每口油井的准备时间、计量时间、计量参数、修正系数和报警参数。设置完毕后，点击触摸屏上"计量"按钮，启动PLC程序。PLC指令对电动机继电器发出信号，电动机带动多通阀阀芯旋转，直至到达目标井位置，使该油井的原油出口管路与多通阀计量出口连通。单井来液从多通阀出口流出后，经气液旋流分离器与液位控制器，实现气液分离，气相进入气体流量计测量气体流量，液相进入质量流量计测量其瞬时流量、混合温度和混合密度。PLC依据MODBUS协议读取质量流量计采集的数据，并计算出所需的计量数据。计量数据实时显示在触摸屏上，并经GPRS模块上传至采油队信息中心。计量完一口油井后，PLC依据判定条件自动计量下一口油井，这样周而复始地循环完成多口油井的自动选井计量。多井自动计量的控制流程如图3所示。触摸屏界面如图4所示。
图3 多井自动计量控制流程图
（a）初始界面 （b）计量信息界面
图4 触摸屏界面
在多井自动计量过程中，可根据实际需要，随时取消或增加需要计量的油井数、修改每口井的准备时间和计量时间。此外，在计量过程中出现异常时，可产生以下报警事件：
(1)如果单井测量值超限，并且超限时间超过设定值，发出声光报警，同时自动转动至下一目标油井进行计量，并记录报警信息，通过触摸屏可以查询报警记录。
(2)如果连续3口井出现报警情况，那么将中止计量，电机转动至空位停止，等待工作人员处理，然后点击“重新计量”按钮，重新启动控制程序。 3 计量数据的计算
通过自动计量得到的数据包括瞬时含水率、含油量、含水量、日液量、日含水率和日油量。根据质量流量计采集的液相质量总量、混合密度以及输入的单井水密度和油密度，分别计算出瞬时含水率、含油量和含水量，其具体的计算公式[4]为：
瞬时含水率=水密度*(混合密度-油密度)/[混合密度*(水密度-油密度)] (1)
含油量=液相质量总量*(1-含水率) (2)
含水量=液相质量总量*含水率 (3)
其中，液相质量总量是在计量时间内由质量流量计测量得到的瞬时质量流量的累加值。
日液量、日含水率和日油量通过下列计算公式得到：
日液量=(∑Qi÷∑Ti)*86400 (4)
日含水率=[∑(Qi*Ki)) ÷∑Qi]*100% (5)
日油量=日液量*(1-日含水率) (6)
其中，∑Qi是计量时间内单井瞬时液量总和；
∑Ti是单井计量时间；
Ki是瞬时含水率。
依据上述计算公式，设计PLC计算程序，可以得到每口油井的瞬时含水率、含油量、日含水率、日液量、日含油量，通过触摸屏实时显示当前计量油井的油井号、瞬时含水率、日含水率、日液量、日气量、温度、压力等信息。
4 远程监测系统的实现
4.1 采油队数据管理系统设计
采油队信息中心完成对计量数据的接收、实时监测、生成报表、上传数据等任务。计量站获取瞬时数据和日统计数据，并通过GPRS发送模块传送至采油队数据中心。其中，单井瞬时数据每隔5分钟发送一次，日统计数据每天发送一次。采油队信息中心通过GPRS接收模块，利用Mscomm组件，依据自由口通信协议，接收计量站发来的计量数据。同时，采油队信息中心可主动对计量站油井井位进行远程控制并设置计量参数和报警参数。采油队信息中心按时间和油井号将单井数据按照一定格式存储到Access数据库中，经数据统计与分析，得到各油井的小时统计、日统计、月统计等数据信息。各油井数据在井队信息中心存储1个月后，保存至硬盘以长期存储。
利用Visual Basic 6.0中的绘图控件MsChart，生成各单井的油、气、水瞬时曲线以及日、周、月、季、年生产曲线和生产报表，并实现存储与打印等功能。此外，采油队信息中心还可通过油田内部局域网将计量结果定时上传至采油厂管理中心数据库。
4.2 采油厂数据管理系统设计
为了实现采油厂数据管理中心对其管辖区域内的采油队和计量站的监测，采用Access 2003数据库，利用ASP.NET，设计了基于B/S架构的采油厂数据管理系统。该系统能够接收、存储采油队信息中心定时上传的统计计量数据，并进行比较分析。通过Internet网实现各采油队数据的共享，网内用户可通过HTTP请求，根据不同的权限对相应的计量数据进行访问与管理。各级管理人员对比分析不同时间、不同单位的生产情况，以及时、准确地掌握油田生产动态。设计开发的采油厂信息管理系统如图5所示。
此外，为了直观地显示油井计量数据在不同时间的波动情况，利用OWC控件实现曲线分析功能。用户设置一定的查询条件获取相关数据并进行曲线分析，如图6所示。
5 结束语
在某油田采油厂的现场试验表明，多井自动计量与远程监测系统的设计方案合理，计量站实现了多井自动连续计量，油井产量计量准确；计量数据通过无线模块传输到采油队信息中心分析、存储、生成曲线和报表，并上传至采油厂管理中心数据库；油田局域网内用户根据个人权限，通过浏览器查询计量数据。此外，该系统具有油井数据更新、信息检索、数据查询、报表生成等功能以及运行成本低、可靠性高等优点，实现了油井产液量、产油量和产气量的（下转第66页）动态监测以及油井生产数据采集的准确性和实时性，满足了油井生产集中管理的需求，提高了生产效率，降低了工人劳动强度，并为实现油田的数字化管理奠定了基础。
图5 季度查询结果
图6 含水率曲线图
参考文献
[1]薛国民, 沈毅. 油井计量方法及关键技术发展方向[J]. 计量测试与检定, 2006, 16 (4): 14-16
[2]魏小林, 徐永高, 杨仓海等. 丛式井组自动选井计量装置[J]. 油气田地面工程, 2010, 29 (2): 91-92
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[6]王术明, 姬淑华. 质量流量计在油井计量中的应用[J]. 中国计量, 2009, (12): 103-104
[7]何翠兰, 王清华, 梁 波等. 油井监控系统在油田领域的应用[J]. 内蒙古石油化工, 2005, (7): 96-97
[8]冷彦, 赵英凯. ASP技术在远程监控中的应用[J]. 石油化工自动化, 2008, (2): 73-75
[9]Jack D. Marrelli, Ram S. Mohan. Use of Multiphase Meters in Process Control for Oil Field Well Testing: Performance Enhancement Through GVF Control [J]. Petroleum Engineering Department and Mechanical Engineering Department, The University of Tulsa, Journal of Energy Resources Technology, 2005, 1 (7) : 293-295
[10]刘尊民, 林海波, 仪垂杰. 基于GPRS的油井监控终端设计[J]. 计算机应用, 2010, (2): 58-60