地面测试流程自动控制系统数字化动态仿真分析

地面测试流程自动控制系统数字化动态仿真分析

田雨  侯开麟

中国石油集团川庆钻探工程有限公司试修公司  610052

摘要：卫星广泛应用于气象侦察、定位、军事侦察等领域，随着空间技术的不断发展，对卫星也提出越来越高的应用要求，包括在境外依然可以进行测控的能力、抗干扰能力更强以及上下行速率更高。典型的军事卫星测控分系统通常要求同时具备对地非相干、中继、扩跳频、测量数传等多种体制，卫星在发射入轨及在轨运行过程中，多体制下不同工作模式、传输速率组合众多，均要求在地面完成遍历测试，对卫星测控分系统地面测试提出了更高的要求，包括支持多体制测控测试的能力。   

关键词：地面测试流程；自动控制系统；数字化；动态仿真分析

引言

随着计算机技术、微电子技术的发展及智能航空电子设备的大量采用，航电装备的功能开始多样化，结构变得更加复杂，同时准确定位故障的难度也越来越高。传统的检测维护手段已经无法满足现代化装备的支持保障要求，先进的测试性技术逐步成为航电设备可靠运行和性能发挥的必要保障。

1概述

由于油气行业复杂工艺对全自动化控制的安全可靠稳定提出了更高的要求，关键因素为：还原真实工作场景投入成本高昂，不现实；需要大量实验数据做系统的稳定性支撑；需要极端条件下的安全可靠的模拟测试验证；因此，制约了全流程工艺自动化智能化向生产一线投入使用的进程以及不断优化和推广的循环演进，从而提质增效的效果也不明显。因此建立第一代基于三维建模技术的地面测试流程，再现技术的地面流程全自动控制系统数字化动态仿真平台，实现自动控制系统从原型设计、实际验证、优化升级到操作培训的产品全生命周期管理。

2总体目标

2.1形成一套基地与现场同步运行的地面测试流程自动控制系统数字化动态仿真分析，连续监测和记录测试过程中的各项数据及情况变化，为专家及时了解工程、设备和人员情况提供手段；

2.2形成一套配套的远程施工管理中心，计算、统计、分析各项数据，并为专家提供一个协同工作环境；

2.3建立信息全面、数据结构合理的基础数据库、报表管理数据库、地面测试流程实时监测数据库、设备管理数据库以及其他业务数据库，并实现各数据库的相对独立性，又保证信息互通和共享，全面提升油气井测试公司的管理效率。

2.4

   2.5采用三层分布式体系架构：按照“数据库服务器/Web服务器/浏览器”形式三层结构设计。

采用三层体系结构，使系统继承了该体系结构的优点：

数据表示和应用逻辑清晰分离，使客户端能够访问更广范围的应用服务。由于服务器控件的成熟资源，使开发更快更好。

数据的变化不会影响客户端，客户端完全与数据组织无关。

由于事务对象与数据存储的绑定，网络负荷大大降低。

新组件的发布与客户端无关，使得维护管理更轻松。

3仿真平台系统集成开发

系统的开发和运行均采用基于B/S的N层架构。整体技术架构如下图

N层结构其实是对传统Client/Server结构的扩展，它以构建模块化应用程序为基础。对仿真平台的集成开发进行分割以后，可将代码划分为不同的逻辑组件，这些逻辑组件分为三种逻辑层：用户服务、业务服务和数据服务，它们共同组成一个仿真集成平台。我们把这种设计模型称为“服务模型”。利用这种应用程序，可以有效的连接来自硬件平台的实时数据，并驱动上层的三维模型。

三种服务的属性如下：用户服务：提供信息和功能、浏览定位，保证三维精模的一致性和完整性；业务服务：共享的硬件仿真平台的工艺过程，从数据中生成业务信息，保证业务一致性；数据服务：数据的定义、永久数据的存储和检索，保证数据的一致性。

使用服务模型，可以把仿真平台集成开发的需求分解成明确定义的服务，并进一步创建可重用的构件来实现它们。构件遵守公开的集成接口标准，所以是通用的、可共享的和可以灵活部署的。

4功能描述

4.1地面测试流程自动控制系统数字化动态仿真分析主要由油气井地面测试流程数据截取系统、数据传输系统、基地资料处理、数据管理及网上应用系统等部分组成，主要实现下面4个功能：

实时监测：监测数据实时传输以及记录施工与设备运行数据；

预警提示：根据采集的工程数据进行预警提示；

计算分析：配套的计算分析系统，为专家提供详细的分析结果；

远程视频：形成一套视频会议及视频监控系统。

4.2实时数据的传输基于试油期间采集的测试实时数据，地面测试流程自动控制系统数字化动态仿真分析客户端截取现场采集数据并同步将数据打包发送到油气井测试公司数据中心的服务器上，对数据进行封装，在客户端形式通过浏览器对数据进行浏览。

4.3地面测试流程自动控制系统数字化动态仿真分析的数据传输系统将监测到的地面流程个设备状态参数传送给基地数据接收服务器。可以根据现场情况采用多种通讯方式，无线通信包括移动通信GPRS/CDMA、卫星、微波、无线网桥等，有线通信包括光缆、同轴电缆等。目前主要采用GPRS和CDMA两种无线通讯。

4.4地面测试流程自动控制系统数字化动态仿真分析通过截取现场地面测试流程传感器采集的实时数据，然后打包发送到后方服务器，拟截取的采集数据如下表所示。

4.5地面测试流程自动控制系统数字化动态仿真分析的网上应用系统将采集的数据以各种图、表方式发布到相应的信息服务网站上，基地监控人员、现场测试人员人员可通过局域网和互联网浏览。

该系统由测试井参数浏览、测试井视频监控、测试井生产实时分析等3个子系统组成，构成了一套完善的油气井测试远程监控、管理体系。

4.6地面测试流程自动控制系统具有以下主要功能：

①截取地面测试流程各设备节点采集数据、传输到基地进行参数监测；

②实时传输截取的各设备节点温度、压力等数据，及时掌握测试情况；对监控参数的越限值进行设定，可对测试中出现的异常状况给出报警信息；

③通过无线视频监控功能，随时了解油气井测试现场的测试状况；

④使用在线测试相关资料查询功能，方便地检索查询油气井相关资料；灵活方便地处理生产调度管理的各种报表和图件。

4.7用户登录界面：通过主界面的用户登录，进入所有测试井的汇总信息界面

4.8进入测试井信息汇总界面后，呈现出所有相关测试井的信息，初步拟定呈现信息如下

4.9通过选择任一测试井的项目，可以立刻对某井进行监测：

4.10单井测试除了曲线图，软件界面上还可以选择地面流程的实时工况动画，可以直观的看出测试或者放喷期间的地面管线流体的流向。

4.11除了实时监测的数据，还可以查看单井的历史数据，从单井的测试历史数据表，可以得出单井井任一地面测试时刻的数据，并绘制曲线图，为用户分析历史数据提供手段。

5仿真集成开发的其他要求

这种基于构件的多层结构的集成开发的需具备为以下四个方面要求：可重用：三维模型可共享和重用，并封装在构件中；灵活：从桌面计算环境到功能更强的网络服务器，随处都可分配工作，这有利于协调三维模型与硬件仿真平台数据同步的性能和网络带宽；可管理：将大型复杂的建模工程细分为简单、安全的构件工程；易维护：将地面控制流程的业务逻辑部署在中央服务器上，而不是分在用户桌面上，这有助于处理各种变化，并缩短集成开发时间。

6安全控制系统

6.1应急关断控制

在工艺泄漏和其他意外情况（如超压）的情况下，快速关闭井口并切断地层流体源是防止情况进一步恶化的有效措施。海上酸性气体钻孔测试的目的是快速应对紧急情况，并在测试现场建立应急指导系统。使用的系统主要包括油井控制头的生产液压阀、地面安全阀、液压控制面板、ESD远程控制按钮和高/低压传感器。通用ESD远程控制按钮包括测试设备的工作区域、测试区域的输出以及安装在钻棚和其他易于使用的位置。在紧急情况下，便于操作员进行紧急操作，其平均关闭响应时间小于4秒，高/低压传感器安装在工艺管线和压力容器中，高/低压力传感器在安装前预先安装。一旦压力传感器安装的压力高于或低于过程中的力，传感器可以将压力信号传输到液压控制板，并立即关闭井内；此外，液压控制面板和ESD远程控制按钮可手动接合，并可根据现场的实际需要打开或关闭。

6.2优化井口并联分流模块实现流体集中和分流

在页岩气多井调节平台上，钻井液的浓缩和排放由几个临时安装的阀门组合完成。优化的井口平行模块将多个钻孔的流体集中在一条管道上，以实现流体方向的任意分布，其上游连接到每个钻孔的出口管线。下面是碎屑清除模块，它连接到节流阀和压力模块。井口平行模块可将n个井口中的任何一个的半混合液体输送至排屑和除砂装置。来自n-1个钻孔的剩余半混合液体可送入节流阀或压力装置。类似地，钻头上的平行模块可以同时打开六个孔。钻孔之间没有邮件合并。每口井都可以独立地破裂和堵塞，然后解锁，每口井可以独立地打磨和打捞。可满足各井独立高压除砂的需要。开井后，可以确保井不会随意关闭，井液之间没有干扰，井液可以自由切割以向下游流动。

6.3气液分离后的硫化氢实时处理

测试过程中，地层液经三相分离器分离后，天然硫气体进入燃烧臂进行燃烧处理，液体进入密闭罐储存，但液体中通常含有一定量的硫化氢溶解气体，其也进入土壤储存设施。溶解在硫化氢中的液体会腐蚀存储设备。在将液体泵入环保罐的过程中，硫化氢气体会泄漏，对工人的人身安全构成威胁。为了解决这一潜在的安全风险，在气井含气测试期间，必须在地面测试期间实时处理硫化氢。地面试验项目将安装一个连续添加硫化氢分离器和处理硫化氢的装置，硫化氢在气液分离后溶解成液体，以溶解地层液体中的硫化氢。需要肝脏治疗。硫化氢实时处理装置包括化学注入泵，化学注入泵由高压泵入口管和脱硫混合器组成。除硫混合器连接到分离器的出油口，硫化氢分离器通过化学注入泵泵入除硫混合器，与生成的液体反应。硫化氢分离器的注入方向垂直于分离器油中液体的流动方向，分离器和硫化物水的注入方向有利于小反应。

6.4引入两相流量计形成“单井单独计量、平台集中分离”计量模式

两相流量计是一种新型流量计。它不必经过传统的气体分离工作。它直接测量管道中混合的两相气体的性能。在不需要分离地层流体的情况下，它通过仪器测量总量，并使用特殊技术获得地层流体中各相的比例，用于数据处理。最大的特点。计算每个单相流体的流速。在中国提高页岩气生产强度、降低成本和提高效率的背景下，两相流量计具有体积小、结构紧凑、工艺简单、维护少和动态脱水测试（包括压力、气体和液体变化）等独特优势。引入“两相流量计”后，可以断开一些加药分离器、加药管道和加药管道更换管道。两相流量计可以节省空间，节省空间，并进一步优化现有的测试流程。分离器不需要用于测量单孔产量，以逐个分离。通过将每个孔的流体直接送入两相流量计，可以随时获取每个孔的连续生产数据，并实现对单个孔的整个过程的动态控制。根据近年来对页岩气输送特点的了解，页岩气多井调度平台的总性能达到50%×104~150×104m3/d之间，测试分离器的气体处理能力为100×104m3/d，因此可以增加页岩气平台上使用的分离器数量。在试验阶段引入两相流量计后，从3到4减少到1到2，实现了设备管道数量的减少和试验过程的简化。

结束语

卫星多体制测控地面测试平台将非相干扩频对地测控、中继测控、扩跳频测量、测量数传测控地面测试功能整合，仅需切换地检配置即可支持多体制测控地面测试，且支持多通道相互备份。同时，采用多通道通用化、自动化测试软件设计方法，测控终端软件通过配置数据库的方式可以快速更新修改，通用性好。平台软件具有自动化测试能力，可自定义指令发送序列及发送要求，自动监测遥测状态，平台软件还可自主判读测控入境帧、包、遥测接收正确性，可减少测试人员重复劳动，有助于及早发现问题，同时可提高测试可靠性。

参考文献

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