丛式井组套管阴极保护数字化远程监控柜研发应用

高宝元，高诗惠

(1. 中国石油集团川庆钻探工程有限公司工程技术研究院，陕西西安710018； 2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安710018)

丛式井组套管腐蚀以外壁腐蚀为主，阴极保护是公认的控制外部腐蚀行之有效的技术手段之一，合理的阴极保护将有效地延长油水井套管的使用寿命[1]。某油田丛式井组套管阴极保护井场分布较广，由于没有数字化远程监控，且管理不到位，因此每年有许多阴极保护系统受损需要维修。特别是雷雨天，如果不及时关掉阴极保护系统，会造成阴极保护设备遭雷击损坏，从而导致阴极保护设备不能给油水井提供正常的阴极保护电流，使套管发生腐蚀，同时也无法满足油田数字化建设发展的要求[2]。

研发的丛式井组套管阴极保护数字化远程监控柜具有体积小、质量轻、调压安全、运行效率高，能远程监控丛式井组套管阴极保护设备的运行工况，不需专职人员管理，做到了真正的无人值守，满足了油田发展的需求[3]。

1 丛式井组套管阴极保护系统工作原理

为了适应油田外部恶劣的工作环境，增加丛式井组套管阴极保护系统的运行可靠性并降低成本，研发中以井组为单元、以套管为重点建立了丛式井组套管阴极保护系统，该系统主要由动力电源柜、直流供电柜、瓷盘电阻器直流分配柜、油水井套管、绝缘法兰、深井阳极六部分组成。瓷盘电阻器直流分配装置单元主要用于控制各单井的输出电流，平衡井间电位差；绝缘法兰主要用于防止另一侧未保护管线受到阴极保护系统杂散电流的干扰腐蚀[4]。

丛式井组套管阴极保护系统工作原理如图1所示，直流电源负极与各单井套管连接，直流电源正极与深井阳极连接，构成保护回路。

图1 丛式井组套管阴极保护系统工作原理示意

2 数字化远程监控柜构成

丛式井组套管阴极保护数字化远程监控柜主要由阴极保护在线监控装置和高度集成的数字化远程控制终端(RTU)两部分构成，阴极保护在线监控装置主要由交流供电单元、智能监测阴极保护的电流和电压仪表单元、可调式直流供电开关电源单元、瓷盘电阻器直流分配装置单元组成[5]。丛式井组套管阴极保护数字化远程监控柜构成如图2所示。

图2 丛式井组套管阴极保护数字化远程监控柜构成示意

3 数字化远程监控柜设计

3.1 在线监控部分设计

在线监控部分由智能监测电流仪表、电压仪表、瓷盘电阻器分配装置、直流供电电源、RTU等组成，一并安装在700 mm(长)×450 mm(宽)×1 800 mm(高)的监控柜中[6]。

1)智能监测电流仪表、电压仪表。用于采集和传输油水井套管阴极保护电流、电压数据，并通过仪表的RS-485接口将采集的电压和电流数据上传至RTU[7]。

2)瓷盘电阻器直流分配装置。直流分配装置里的瓷盘电阻器可以改变保护回路电流值，单井套管一般需要4～5 A电流进行阴极保护；阴极保护电位越低，保护程度越高，保护距离也越长，但过低的电位将使阴极保护管道外防腐涂层与管道金属的粘接力破坏，产生阴极剥离或出现金属“氢破裂”，同时过低的电位也将消耗过多的保护电流，形成能源的浪费，所以瓷盘电阻器直流分配装置也起着平衡井间电位差的作用。

3)直流供电电源。直流供电电源由4个功率为1.5 kW的独立可调式开关电源并联组成，可输出0～60 V的直流电压，额定电流为100 A。

3.2 RTU设计

1)硬件设计。为了满足自动监控的需要，监控模块设有8路数字量输入、3路A/D输入、6路继电器输出、2路D/A输出、2路报警输出。为实现本地的人机交互操作，系统采用了LCD界面和24键的键盘。

a)主控电路。RTU的主控电路采用Intel公司的80C196KC作为主控制器，经数传模块和发射电路将接收数据和信号发射出去。

b)采集电路。将0～60 V直流电压和各分支的0～10 A电流经过信号调整后，再经多路开关送至主控制器80C196KC处理。

c)控制电路。通过继电器组远程启停阴极保护系统。

d)发射电路。该模块适用于无线网络的现场数据传输[8]，用户可根据需要选配GPRS模块，同时在网络交换机端增设1套无线接收装置，RTU通过GPRS模块将需要上传的数据和启停信号通过接收装置的RJ-45接口传输至网络交换机，然后再通过油田已有专用网络进行上传，从而实现了油田丛式井组套管阴极保护的远程监控[9]。

2)RTU软件设计。采用组态软件，通过集中管理、独立控制的模式，RTU软件主程序流程示意如图3所示。由于各模块都有自己独立的监控程序，当个别模块出现故障时，将不会影响整机的运行。系统的初始化包括单片机内部控制寄存器的初始化，寄存器区及数据区的初始化等。自检包括RAM自检及控制系统各传感器自检，自检通过后调用初始化子程序，显示系统主菜单可用键盘选择各子菜单，包括运行参数菜单、状态菜单、故障记录菜单及参数设置菜单。其中参数设置菜单仅供具有权限的维护人员使用，须输入密码才可进行操作。通信握手通过发送特征码及接收回弹的数据码来确定通信系统的正常与否[10]。

图3 RTU软件主程序流程示意

4 应用效果

丛式井组套管阴极保护数字化远程监控柜2015年6月至2017年12月应用于该油田60多个丛式井组，可对阴极保护单元中总电流、分支电流、运行工况实时监控，做到无人值守，保证了阴极保护系统控制参数的真实性。实际应用表明： 采用该控制柜，油水井套管防蚀效果好、投入成本低、组网方便、数据传输稳定可靠、功能强大，克服了传统人工检测费时、费力和偶然性多的缺点，提高了油田自动化管理水平，符合油田发展的需求，有着广泛的推广应用前景。

5 结束语

1)丛式井组套管阴极保护数字化监控柜采用直流脉宽调制开关电源供电，克服了传统型硅整流防蚀仪运行效率低、有振动噪音、发热浪费电能等缺点，具有体积小、质量轻，不需要配电房等特点，节约了油田的初期投资费用[11]。

2)丛式井组套管阴极保护数字化监控柜与油田现场生产数字化运行平台对接后，可远程监控丛式井组套管阴极保护运行工况，使丛式井组套管的电位恒定在控制范围内，达到最佳保护效果，实现了无人值守，解决了现场管理跟不上的大难题，降低了油井套管发生腐蚀的风险，是阴极保护技术发展的方向[12]。