鄭新軍 趙榮奎 董青春 沈文偉 梁曉芳

（中國石油長(zhǎng)慶油田分公司 第三采油廠，寧夏 銀川750006）

1 緒論

1.1 國內(nèi)外生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨勢(shì)

總的發(fā)展趨勢(shì)：目前大公司與儀表廠，向成套或系列化發(fā)展，在基本工藝近似的情況下，向多品種發(fā)展；小公司與儀表廠則在專用儀表方面尋求一席之地，生產(chǎn)特殊結(jié)構(gòu)的儀表或傳感器。新技術(shù)在儀表中得到應(yīng)用：近年來，微機(jī)、紅外線、激光、超聲、核輻射技術(shù)在儀表中得到廣泛應(yīng)用，從而大大增加了儀表的性能和功能，使儀表具有不同程度的智能作用。

1.2 長(zhǎng)慶油田注水過程簡(jiǎn)介

長(zhǎng)慶油田位于鄂爾多斯盆地，屬于特低滲透油藏。自20世紀(jì)80年代注水開發(fā)以來，針對(duì)特低滲透油藏的開發(fā)，采用了適合特低滲透油藏開發(fā)的地面注水工藝。目前長(zhǎng)慶油田注水過程為水源井來水進(jìn)供注水站，經(jīng)計(jì)量、精細(xì)過濾水處理后，通過注水泵加壓，由高壓閥組計(jì)量分配，通過一條注水干管輸至配水間，在配水間控制、調(diào)節(jié)、計(jì)量，輸至注水井注入油層。

1.2.1 環(huán)網(wǎng)注水，壓力波動(dòng)影響有效注水

面對(duì)無法選擇的地質(zhì)地貌，針對(duì)特低滲透油藏開發(fā)的實(shí)際，應(yīng)用聯(lián)網(wǎng)注水工藝能夠極大地簡(jiǎn)化流程，提高注水效率，優(yōu)化了水源。但是，隨著油田注水規(guī)模的不斷擴(kuò)大，原有的注水系統(tǒng)局部管網(wǎng)負(fù)荷過重，部分壓力高的注水井達(dá)不到相應(yīng)配注，采取干線提壓，造成系統(tǒng)能耗高、效率低下，同時(shí)環(huán)網(wǎng)注水系統(tǒng)中單井注水量會(huì)因注水壓力的變化相互干擾，由于環(huán)網(wǎng)注水導(dǎo)致超欠注問題亟待解決，它與油田精細(xì)注水的矛盾也日益增大。因此，在滿足全油田注水量的前提下，如何提高環(huán)網(wǎng)注水系統(tǒng)效率是一項(xiàng)十分值得研究的課題。

1.2.2 注水系統(tǒng)環(huán)節(jié)多、資料錄取難度大

日常注水資料主要包括水源、供水、注水過程中涉及的液位、注水分壓、管壓、注水流量等參數(shù)，資料均以報(bào)表的形式體現(xiàn)，由于注水井位置相對(duì)分散，沒有約束手段保證員工能夠每?jī)尚r(shí)按照配注對(duì)注水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，管理難度大，這也對(duì)注水參數(shù)的真實(shí)性帶來了疑問，這樣的數(shù)據(jù)對(duì)于整個(gè)注水系統(tǒng)的分析意義不大，也對(duì)決策起到了非常大的負(fù)面作用，甚至?xí)`導(dǎo)決策。

1.2.3 注水生產(chǎn)與管理脫節(jié)

在實(shí)際管理過程中，作業(yè)區(qū)往往按照油系統(tǒng)基本生產(chǎn)管理單元對(duì)注水系統(tǒng)管理，注水站僅對(duì)自身進(jìn)行管理，注水井的管理則歸屬于配水間所在井場(chǎng)的上級(jí)集輸站點(diǎn)管理，這就造成了注水系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行和管理的脫節(jié)。

1.3 建設(shè)意義和主要內(nèi)容

采油三廠作為長(zhǎng)慶油田最大的一個(gè)采油廠，各類注水站眾多，注水井開井達(dá)1877口。由于建設(shè)時(shí)期不同，受當(dāng)時(shí)建站技術(shù)、資金、環(huán)境等各方面因素的限制，注水井站建設(shè)水平高低不同，特別是在自動(dòng)化技術(shù)裝備方面差距較大，嚴(yán)重制約了油田生產(chǎn)，采油三廠從2008年開始著手對(duì)數(shù)字化注水監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1.3.1 建設(shè)的意義

對(duì)油田注水系統(tǒng)重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控，達(dá)到精細(xì)注水以及節(jié)能降耗目的。從近階段來看，提高油田注水系統(tǒng)效率是目前油田最大的降本增效點(diǎn)，要真正實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，最有效的方法就是實(shí)現(xiàn)油田注水泵系統(tǒng)重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控。對(duì)油田注水系統(tǒng)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理后，能夠提高注水井站生產(chǎn)管理及運(yùn)行水平。

1.3.2 建設(shè)的主要內(nèi)容

本文對(duì)油田數(shù)字化注水系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容如下：

（1）對(duì)油田的注水系統(tǒng)工藝過程分析。課題的應(yīng)用對(duì)象是水源井、注水站、注水井，首先對(duì)注水系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行系統(tǒng)分析，與傳統(tǒng)注水系統(tǒng)過程管理方式進(jìn)行對(duì)比，確定各個(gè)環(huán)節(jié)的檢測(cè)和控制參數(shù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步。

（2）根據(jù)系統(tǒng)的工藝過程要求，對(duì)自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。研究確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通信方式、組網(wǎng)方式、數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制等技術(shù)方案。

2 數(shù)字化注水監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

對(duì)于油田數(shù)字化注水監(jiān)控系統(tǒng)，從油田生產(chǎn)和實(shí)際需要的角度出發(fā)，提出了以下設(shè)計(jì)要求：系統(tǒng)性、先進(jìn)性、可靠性、準(zhǔn)確性、可擴(kuò)展性、安全性、共享性、兼容性。

2.2 系統(tǒng)功能

根據(jù)長(zhǎng)慶油田的基本注水過程，系統(tǒng)主要包括水源井、供注水站、注水井三個(gè)主要組成部門，系統(tǒng)必須具備以下基本功能：

數(shù)據(jù)同步采集：注入地層的水通過水源井、供注水站、注水井的整個(gè)過程中的所有數(shù)據(jù)同步采集。站控實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)立體流程圖顯示，能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示生產(chǎn)參數(shù)的變化情況，實(shí)時(shí)參數(shù)異常報(bào)警，歷史記錄查詢及生產(chǎn)參數(shù)趨勢(shì)顯示等。

注水量自動(dòng)調(diào)節(jié)：注水閥組各注水井的注水流量、壓力能夠傳輸至注水站，同時(shí)注水站可以實(shí)現(xiàn)注水量遠(yuǎn)程設(shè)定，包括操作控制、參數(shù)設(shè)定、閥門的自動(dòng)控制等。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采油三廠數(shù)字化注水監(jiān)控系統(tǒng)為解決目前注水?dāng)?shù)據(jù)不能同步采集、注水生產(chǎn)流程與管理流程脫節(jié)的兩大問題奠定了基礎(chǔ)。注水系統(tǒng)采取廠、作業(yè)區(qū)、基本生產(chǎn)單元逐級(jí)管理的模式，數(shù)據(jù)傳輸則通過各個(gè)注水監(jiān)控單元對(duì)底層數(shù)據(jù)采集后，通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到廠數(shù)據(jù)服務(wù)器，作業(yè)區(qū)調(diào)控中心、廠級(jí)調(diào)控中心與數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)將在廠、作業(yè)區(qū)調(diào)控中心監(jiān)控界面顯示，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸方案

2.4.1 注水站內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸

注水站、聯(lián)合站注水系統(tǒng)通常選用西門子/安控PLC作為主站。分布式I/O、傳感器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行器等。主站(PLC、PC機(jī)等)負(fù)責(zé)通信管理及下設(shè)儀表通信。

2.4.2 外部數(shù)據(jù)傳輸

（1）數(shù)傳電臺(tái)方式

無線數(shù)傳電臺(tái)是利用先進(jìn)的單片機(jī)技術(shù)、無線射頻技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)設(shè)計(jì)的功率較大、體積較小的模塊式半雙工數(shù)傳電臺(tái)。所以針對(duì)采油三廠油區(qū)的特殊環(huán)境，尤其水源井的位置相對(duì)較遠(yuǎn)、單獨(dú)架設(shè)光纜費(fèi)用較高、無線傳輸可視條件差的現(xiàn)狀，我們選取數(shù)傳電臺(tái)作為水源井設(shè)備的通訊方式。

（2）Zigbee 無線通信方式

Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。針對(duì)油田井場(chǎng)區(qū)域小、數(shù)量多的特點(diǎn)，我們選取ZigBee的低成本、短距離通訊方式實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)內(nèi)配水間與井場(chǎng)主RTU的通訊，設(shè)備則選擇了國內(nèi)技術(shù)較為成熟的Super32-L系列RTU。

（3）光纖、無線網(wǎng)橋綜合使用通信方式

2005年我廠開始進(jìn)行大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，經(jīng)過幾年的建設(shè)，已經(jīng)形成了覆蓋全廠各單位的網(wǎng)絡(luò)，目前光纖已接入大多數(shù)站點(diǎn)，井場(chǎng)通過光纖和無線網(wǎng)橋的綜合使用也具備網(wǎng)絡(luò)通訊能力，可以為采油廠數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)通道。

3 檢測(cè)儀表與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

3.1 磁電/電磁流量計(jì)

對(duì)于注水站這樣的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，由于本站采集的參數(shù)和控制點(diǎn)相對(duì)較少，主要對(duì)下游配水間進(jìn)行加壓、供水，同時(shí)設(shè)備安裝在室內(nèi)，有人值班，所以站內(nèi)流量?jī)x表通常選用具備流量監(jiān)控并自動(dòng)累積功能的流量計(jì)，即：磁電/電磁流量計(jì)。

3.2 高壓穩(wěn)流自控儀

穩(wěn)流配水技術(shù)是通過設(shè)定流量，控制器把瞬時(shí)流量值和設(shè)定值進(jìn)行比較，若該差值大于死區(qū)規(guī)定的范圍，控制器就會(huì)發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正旋或反旋來調(diào)節(jié)閥門，使瞬時(shí)流量值接近或等于設(shè)定值，對(duì)單井配注量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而使單井配注量始終保持恒定。其注水工藝流程如下圖：

圖1 注水工藝流程

穩(wěn)流配水技術(shù)可以克服單井注水量相互干擾、環(huán)網(wǎng)注水因壓力波動(dòng)而產(chǎn)生的注水量超、欠問題；穩(wěn)流配水閥組在工廠預(yù)置，現(xiàn)場(chǎng)組裝工作量小，建設(shè)周期短，能夠加快投轉(zhuǎn)注速度。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，可以整體搬遷，能夠適應(yīng)長(zhǎng)慶油田超前注水開發(fā)需要；穩(wěn)流配水閥組無需隨時(shí)進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了無人值守，生產(chǎn)崗位較少，生產(chǎn)管理費(fèi)用較低。

4 數(shù)字化注水監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控工作站軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用注水過程管理的思想，注水站、聯(lián)合站注水系統(tǒng)對(duì)站內(nèi)以及上下游數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；調(diào)控中心通過數(shù)據(jù)庫調(diào)用能夠顯示整個(gè)作業(yè)區(qū)注水系統(tǒng)的全局畫面，通過多級(jí)畫面切換實(shí)現(xiàn)各級(jí)注水情況監(jiān)控的目的。

4.2 注水站軟件界面介紹

軟件操作畫面的設(shè)計(jì)采用主菜單的形式，每幅畫面通過菜單按鈕進(jìn)行切換，站內(nèi)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)注水站內(nèi)、上游水源井、下游注水站參數(shù)采集，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)水源井啟停、遠(yuǎn)程配注等控制功能。

注水站主界面：顯示注水站內(nèi)來水流量、水罐液位、泵壓力、注水分壓、管壓以及各注水干線注水量。

水源井控制界面：注水站能夠直接管理上游水源井，實(shí)現(xiàn)水源井出口流量、泵電參采集，能夠遠(yuǎn)程啟停水源井。

注水井配注界面：能夠監(jiān)控注水站干線來水流量、壓力，配水間分壓、總瞬時(shí)流量，同時(shí)能夠采集每一口注水井管壓、注水瞬時(shí)流量、累積流量，可以實(shí)現(xiàn)配水量設(shè)定，進(jìn)行注水井遠(yuǎn)程配注。

4.3 作業(yè)區(qū)調(diào)控中心軟件界面介紹

全區(qū)注水界面（一級(jí)界面）：作業(yè)區(qū)調(diào)控中心一級(jí)界面能夠直觀顯示全區(qū)目前注水基本狀況，其中包括水源井運(yùn)行狀態(tài)、排量，各注水站水罐液位以及干線壓力、排量等參數(shù)。

二級(jí)界面：二級(jí)界面分別包括水源井?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)控界面、注水站數(shù)據(jù)監(jiān)控界面以及各干線監(jiān)控界面，它們分別詳細(xì)地將水源井、注水站、注水干線數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，數(shù)據(jù)與注水站所采集的一致。

三級(jí)界面：三級(jí)界面主要顯示各單井點(diǎn)配水間壓力、流量、配注量、超欠注等參數(shù)，通過三級(jí)界面的監(jiān)控達(dá)到根據(jù)全區(qū)注水情況調(diào)節(jié)供水、注水，根據(jù)注水井壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，對(duì)產(chǎn)水量、注水量實(shí)時(shí)監(jiān)控，使數(shù)字化在精細(xì)注水中發(fā)揮作用。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

注水是油田生產(chǎn)過程中非常重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，過程涉及多種工藝，其自動(dòng)控制的程度代表了數(shù)字化在油田應(yīng)用的水平。通過采油三廠在注水井、站應(yīng)用數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，效果良好，取得了幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

對(duì)生產(chǎn)工藝過程準(zhǔn)確分析是設(shè)計(jì)數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)的前提。油田注水系統(tǒng)生產(chǎn)過程包括壓力、液位、流量等多個(gè)參數(shù)的控制，系統(tǒng)壓力與流量相互影響較大，所以控制方案必須選擇合理，否則會(huì)出現(xiàn)誤差，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的在于通過技術(shù)手段解決目前因生產(chǎn)管理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的注水系統(tǒng)運(yùn)行與管理的脫節(jié)問題，通過對(duì)水源井、注水站、注水井系統(tǒng)性的管理達(dá)到精細(xì)注水、安全注水。

檢測(cè)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇是自動(dòng)化設(shè)計(jì)的第一步，是保證整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，我廠根據(jù)系統(tǒng)控制的要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)管理實(shí)際選擇了檢測(cè)儀表與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，選用合理，運(yùn)行可靠。

5.2 展望

本系統(tǒng)的投用，有效保證了注水系統(tǒng)的平穩(wěn)性、安全性，極大地減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。但由于監(jiān)控點(diǎn)的供電、網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備穩(wěn)定性存在缺陷，在監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的穩(wěn)定性方面還不是很理想，仍有許多工作有待完成。

對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行研究，通過網(wǎng)絡(luò)、電路的優(yōu)化保證系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)穩(wěn)定，同時(shí)不斷對(duì)現(xiàn)有穩(wěn)流自控裝置的運(yùn)行環(huán)境、可靠性進(jìn)行優(yōu)化。

［1］鮑秀華.油田集輸、注水泵站生產(chǎn)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].

［2］董巍,等.長(zhǎng)慶油田注水地面工程技術(shù)優(yōu)化分析[Z].

［3］方鸝,等.Q-SY CQ 3419-2010注水站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[S].

［4］方鸝,等.Q-SY CQ 3358-2009生產(chǎn)終端建設(shè)要求[S].

［5］方鸝,等.Q-SY CQ 3358-2009聯(lián)合站建設(shè)要求[S].