采油模拟系统及模拟方法.pdf

本发明公开了一种采油模拟系统及模拟方法，采油模拟系统包括采油模拟装置、PLC控制器和控制单元，控制单元包括主控机、参数机和图形处理机，采油模拟装置与PLC控制器连接，PLC控制器通过串口与参数机连接，参数机和图形处理机分别通过通讯网络与主控机连接；采油模拟方法包括PLC数据采集、主控机计算和虚拟呈现。本发明提供了一种采油模拟系统及模拟方法，该系统克服了传统计算难以实时计算管网流动情况的不足，能够实时计算管网的压力、流动情况，能够方便的进行泄漏、堵塞、超压事故的模拟，设备占地面积小，各学员都能够直观的观察各采油模拟装置的响应动作，真正做到高度仿真效果，增强培训的现场感、改善培训效果。

1.  采油模拟系统，其特征在于：它包括采油模拟装置、PLC控制器和控制单元，控制单元包括主控机、参数机和图形处理机，采油模拟装置与PLC控制器连接，PLC控制器通过串口与参数机连接，参数机和图形处理机分别通过通讯网络与主控机连接；
所述的采油模拟装置上根据实际采油设备设置有阀门、显示表、开关等，PLC控制器上设置有用于循环采集采油模拟设备上的阀门开度及开关状态的采集器；
所述的主控机上设置有用于根据阀门开度及开关状态，通过数学模型计算出压力表数据、虚拟场景中设备工作状况数据、流动情况数据的计算模块；
所述的图形处理机上设置有用于根据虚拟场景中设备工作状况数据呈现模拟的现场实景及设备工作情况的虚拟呈现模块。

2.  根据权利要求1所述的采油模拟系统，其特征在于：它还包括投影系统，投影系统包括投影仪和与投影仪相配合的投影幕布，投影仪与图形处理机相连。

3.  根据权利要求1所述的采油模拟系统，其特征在于：所述的采油模拟装置包括采油井口抽油机、采油抽油机井口、采油电潜泵井、采油螺杆泵井、计量站进站阀组、采油计量罐、计量站加热炉、破乳剂注入装置、三相分离器、除油器、热化学脱水装置、注水间和注水井。

4.  根据权利要求1所述的采油模拟系统，其特征在于：所述的阀门内部使用滑动电阻作为输入传感器，当阀门开度变化时，滑动电阻的电阻值发生变化，引起电流变化，PLC接收后将模拟信号转变为数字信号，发送给主控机。

5.  根据权利要求1所述的采油模拟系统，其特征在于：所述的显示表包括指针式仪表和数字式仪表，各仪表接收电路板接收主控机从串口发送来的数据，然后将数据通过CAN总线分发给各表，数字式仪表直接显示数据，指针式仪表通过单片机将数据转换为步进电机的转动步数，然后带动指针转动对应的角度。

6.  采油模拟方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1：选择作业类型，并发送硬件和图形初始化数据；
S2：采集阀门及开关状态数据，PLC控制器循环采集采油模拟装置上阀门开度及开关状态；
S3：主控机根据采集的数据判断操作是否正确，根据判断结果执行如下子步骤：
A．操作正确，跳转步骤S4；
B．操作错误，给出错误提示，并跳转步骤S4；
S4：根据数学模型计算出流动数据、压力数据；
S5：将流动数据、压力数据发送给图形处理机和PLC控制器；
S6：主控机判断操作是否正确，根据判断结果执行如下子步骤：
a.操作正确，系统响应完成，模拟操作完成；
b.操作错误，跳转步骤S2，直到操作正确。

7.  根据权利要求6所述的采油模拟方法，其特征在于：所述的步骤S5中图形处理机接收到流动数据和压力数据后，根据此数据呈现模拟的现场实景及设备工作情况；PLC控制器接收到流动数据和压力数据后，根据此数据对采油模拟装置上的显示表进行相应控制。

8.  根据权利要求6所述的采油模拟方法，其特征在于：所述的数学计算模型包括纯液体计算、管网流动计算、离心泵计算和容积泵计算。

9.  根据权利要求8所述的采油模拟方法，其特征在于：所述的容积泵包括罗茨泵、柱塞泵、齿轮泵和螺杆泵。

采油模拟系统及模拟方法
技术领域
本发明涉及石油钻井模拟领域，特别是一种采油模拟系统及模拟方法。
背景技术
采油工程是油田开采过程中根据开发目标通过生产井和注入井对油藏采取的各项工程技术措施的总称。采油工程的任务是通过一系列可作用于油藏的工程技术措施，使油、气畅流入井，井高效率地将其举升到地面进行分离和计量；其目标是经济有效地提高油井和原油采收率。
然而，对于油田新进员工或石油相关专业学生，他们对采油的流程、计量罐、加热炉等设备或者发生事故时的处理方法都没有感性的认识，对于现场采油操作不熟悉。一旦出现操作失误或不慎，有可能引发严重的质量事故或安全事故，为国家和人民带来重大的损失。因此，石油钻井采油从业人员的上岗知识培训和专业技能培训显得十分重要。但由于几乎所有的钻井现场和设施都分布在野外，不可能将培训放到现场进行，如果仅依靠常规的课堂教学或实验室操作，由于缺乏形象逼真、直观生动的辅助手段和方式，不免陷入课程内容简单枯燥、学员学习效果差的尴尬局面，培训难以达到预期效果。
传统上的采油模拟培训均是使用的真实设备进行培训，内部以水为介质模拟原油的流动，传统的模拟培训设备为带压设备，存在安全隐患，内部填充有水，系统维护成本高，易损坏，且使用水填充，压力、温度、粘度、流量等数据与现场差距很大，无法反应现场工作情况，培训效果差，密闭性要求高，设备昂贵，对设备外观有一定的要求，通常只能使用标准件，难以模拟泄露、堵塞、阀门损坏、冻堵等事故情况，所有设备必须物理上联通，导致设备布局较为困难，占地面积广。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采油模拟系统及模拟方法，该系统克服传统计算难以实时计算管网流动情况的不足，能够实时计算管网的压力、流动情况，能够方便的进行泄漏、堵塞、超压事故的模拟，设备占地面积小，各学员都能够直观的观察各采油模拟装置的响应动作，真正做到高度仿真效果，增强培训的现场感、改善培训效果。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：采油模拟系统，它包括采油模拟装置、PLC控制器和控制单元，控制单元包括主控机、参数机和图形处理机，采油模拟装置与PLC控制器连接，PLC控制器通过串口与参数机连接，参数机和图形处理机分别通过通讯网络与主控机连接；
所述的采油模拟装置上设置有阀门、显示表、开关等，PLC控制器上设置有用于循环采集采油模拟设备上的阀门开度及开关状态的采集器；
所述的主控机上设置有用于根据阀门开度及开关状态，通过数学模型计算出压力表数据、虚拟场景中设备工作状况数据、流动情况数据的计算模块；
所述的图形处理机上设置有用于根据虚拟场景中设备工作状况数据呈现模拟的现场实景及设备工作情况的虚拟呈现模块。
它还包括投影系统，投影系统包括投影仪和与投影仪相配合的投影幕布，投影仪与图形处理机相连。
所述的采油模拟装置包括采油井口抽油机、采油抽油机井口、采油电潜泵井、采油螺杆泵井、计量站进站阀组、采油计量罐、计量站加热炉、破乳剂注入装置、三相分离器、除油器、热化学脱水装置、注水间和注水井。
所述的阀门内部使用滑动电阻作为输入传感器，当阀门开度变化时，滑动电阻的电阻值发生变化，引起电流变化，PLC接收后将模拟信号转变为数字信号，发送给主控机。
所述的显示表包括指针式仪表和数字式仪表，各仪表接收电路板接收主控机从串口发送来的数据，然后将数据通过CAN总线分发给各表，数字式仪表直接显示数据，指针式仪表通过单片机将数据转换为步进电机的转动步数，然后带动指针转动对应的角度。
采油模拟方法，它包括以下步骤：
S1：选择作业类型，并发送硬件和图形初始化数据；
S2：采集阀门及开关状态数据，PLC控制器循环采集采油模拟装置上阀门开度及开关状态；
S3：主控机根据采集的数据判断操作是否正确，根据判断结果执行如下子步骤：
A．操作正确，跳转步骤S4；
B．操作错误，给出错误提示，并跳转步骤S4；
S4：根据数学模型计算出流动数据、压力数据；
S5：将流动数据、压力数据发送给图形处理机和PLC控制器；
S6：主控机判断操作是否正确，根据判断结果执行如下子步骤：
a.操作正确，系统响应完成，模拟操作完成；
b.操作错误，跳转步骤S2，直到操作正确。
所述的步骤S5中图形处理机接收到流动数据和压力数据后，根据此数据呈现模拟的现场实景及设备工作情况，PLC控制器接收到流动数据和压力数据后，根据此数据对采油模拟装置上的显示表进行相应控制。
所述的数学计算模型包括纯液体计算、管网流动计算、离心泵计算和容积泵计算；
纯液体计算：液体的体积不可压缩，密闭容器内液体的压力与液体的总量相关，与温度关系极小，液体总体积的变化会挤压密闭容器，引发容器的弹性形变，容器弹性形变的变化与液体的压力成正比，金属容器弹性形变量非常小，管道内压力变化非常快；
管网流动计算：三根管道间流体的流动，需要单独计算每根管道的流入流体质量和流出流体质量，需要计算流入管道1的流体质量，流出管道1的质量和流出管道2的质量，并由质量反向计算出压力值；
离心泵计算：离心泵在未启动时，出口与入口是直接连通的，当离心泵关闭时，管道4和管道5设置为直接连通，当离心泵打开时，管道4流入管道5的流量可以使用如下公式进行计算：管道4流入管道5的流量=离心泵功率/出口与入口间的压力差X泵效；
容积泵计算：容积泵的特点是一个工作循环总是将定容量的流体输入到出口管道中，泵关闭时入口与出口不连通，当容积泵关闭时，管道6和管道7完全断开，当容积泵打开时，流入管道7的流量=容积泵的工作循环次数X每个循环的容积。
所述的容积泵包括罗茨泵、柱塞泵、齿轮泵和螺杆泵。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种采油模拟系统及模拟方法，该系统克服了传统计算难以实时计算管网流动情况的不足，能够实时计算管网的压力、流动情况，能够方便的进行泄漏、堵塞、超压事故的模拟，设备占地面积小，各学员都能够直观的观察各采油模拟装置的响应动作，真正做到高度仿真效果，增强培训的现场感、改善培训效果。
附图说明
图1为本发明采油模拟系统的连接框图；
图2为本发明采油模拟方法的流程图；
图3为管道内液体压力变化曲线；
图4为管网流动示意图；
图5为离心泵示意图；
图6为容积泵示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，采油模拟系统，它包括采油模拟装置、PLC控制器和控制单元，控制单元包括主控机、参数机和图形处理机，采油模拟装置与PLC控制器连接，PLC控制器通过串口与参数机连接，参数机和图形处理机分别通过通讯网络与主控机连接；
所述的采油模拟装置上设置有阀门、显示表、开关等，PLC控制器上设置有用于循环采集采油模拟设备上的阀门开度及开关状态的采集器；
所述的主控机上设置有用于根据阀门开度及开关状态，通过数学模型计算出压力表数据、虚拟场景中设备工作状况数据、流动情况数据的计算模块；
所述的图形处理机上设置有用于根据虚拟场景中设备工作状况数据呈现模拟的现场实景及设备工作情况的虚拟呈现模块。
它还包括投影系统，投影系统包括投影仪和与投影仪相配合的投影幕布，投影仪与图形处理机相连。
所述的采油模拟装置包括采油井口抽油机、采油抽油机井口、采油电潜泵井、采油螺杆泵井、计量站进站阀组、采油计量罐、计量站加热炉、破乳剂注入装置、三相分离器、除油器、热化学脱水装置、注水间和注水井。
所述的阀门内部使用滑动电阻作为输入传感器，当阀门开度变化时，滑动电阻的电阻值发生变化，引起电流变化，PLC接收后将模拟信号转变为数字信号，发送给主控机。
所述的显示表包括指针式仪表和数字式仪表，各仪表接收电路板接收主控机从串口发送来的数据，然后将数据通过CAN总线分发给各表，数字式仪表直接显示数据，指针式仪表通过单片机将数据转换为步进电机的转动步数，然后带动指针转动对应的角度。
如图2所示，采油模拟方法，它包括以下步骤：
S1：选择作业类型，并发送硬件和图形初始化数据；
S2：采集阀门及开关状态数据，PLC控制器循环采集采油模拟装置上阀门开度及开关状态；
S3：主控机根据采集的数据判断操作是否正确，根据判断结果执行如下子步骤：
A．操作正确，跳转步骤S4；
B．操作错误，给出错误提示，并跳转步骤S4；
S4：根据数学模型计算出流动数据、压力数据；
S5：将流动数据、压力数据发送给图形处理机和PLC控制器；
S6：主控机判断操作是否正确，根据判断结果执行如下子步骤：
a.操作正确，系统响应完成，模拟操作完成；
b.操作错误，跳转步骤S2，直到操作正确。
所述的步骤S5中图形处理机接收到流动数据和压力数据后，根据此数据呈现模拟的现场实景及设备工作情况，PLC控制器接收到流动数据和压力数据后，根据此数据对采油模拟装置上的显示表进行相应控制。
所述的数学计算模型包括纯液体计算、管网流动计算、离心泵计算和容积泵计算；
如图3所示，纯液体计算：液体的体积不可压缩，密闭容器内液体的压力与液体的总量相关，与温度关系极小，液体总体积的变化会挤压密闭容器，引发容器的弹性形变，容器弹性形变的变化与液体的压力成正比，金属容器弹性形变量非常小，管道内压力变化非常快；
如图4所示，管网流动计算：三根管道间流体的流动，需要单独计算每根管道的流入流体质量和流出流体质量，需要计算流入管道1的流体质量，流出管道1的质量和流出管道2的质量，并由质量反向计算出压力值；
如图5所示，离心泵计算：离心泵在未启动时，出口与入口是直接连通的，当离心泵关闭时，管道4和管道5设置为直接连通，当离心泵打开时，管道4流入管道5的流量可以使用如下公式进行计算：管道4流入管道5的流量=离心泵功率/出口与入口间的压力差X泵效；
如图6所示，容积泵计算：容积泵的特点是一个工作循环总是将定容量的流体输入到出口管道中，泵关闭时入口与出口不连通，当容积泵关闭时，管道6和管道7完全断开，当容积泵打开时，流入管道7的流量=容积泵的工作循环次数X每个循环的容积。
所述的容积泵包括罗茨泵、柱塞泵、齿轮泵和螺杆泵。