高寶元

(中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710018)

隨著油田開發(fā)規(guī)模擴(kuò)大，生產(chǎn)用水越來越多。由于地下水資源有限，水位下降，又缺乏有效監(jiān)測手段，每次修井時，只能通過出水管觀察靜液面。當(dāng)水抽干時，不能及時斷電，出現(xiàn)了水源井空抽、干燒等現(xiàn)象，導(dǎo)致大批水源井潛水泵空轉(zhuǎn)燒壞并浪費大量電能，嚴(yán)重時導(dǎo)致水源井停止供水。由于往地下注水量減少了，地層壓力減小，導(dǎo)致出油率減少，嚴(yán)重影響了原油產(chǎn)量的完成。為了保證水源井正常供水，控制潛水泵的運行適合油田生產(chǎn)經(jīng)營實際需求，研制了水源井液位在線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)[1]，實現(xiàn)在線遠(yuǎn)程監(jiān)控水源井的液位、出水壓力、出水流量和潛水泵等電參數(shù)，合理利用現(xiàn)有水源井?dāng)?shù)據(jù)資源及數(shù)字化成果，起到了水源井低液位預(yù)警、高液位自動啟泵，避免了水源井空抽、干燒等現(xiàn)象[2]，優(yōu)化水源井工作制度，保障了水源井正常運行和節(jié)能降耗[3]，從源頭上保障了油田充足注水[4]。

1　水源井供水系統(tǒng)主要設(shè)備配置

水源井供水系統(tǒng)如圖1所示，主要包括： 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，由可編程控制器(PLC)及其擴(kuò)展模塊、人機(jī)界面觸摸屏、軟啟動器、低壓電器和遠(yuǎn)程控制終端(RTU)等組成的在線監(jiān)控裝置[5]，潛水泵，出口壓力表，出水流量計，射頻導(dǎo)納傳感器，單相閥，閘閥，出水管線，儲水罐，水源井等[6]。

圖1　水源井供水系統(tǒng)示意

2　水源井液位在線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

水源井液位在線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由水源井液位在線監(jiān)控裝置和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心兩部分組成[7]。

2.1　水源井液位在線監(jiān)控裝置

水源井液位在線監(jiān)控裝置如圖2所示，包括： 水源井液位、出水壓力、出水流量、潛水泵三相電參數(shù)監(jiān)控部分，軟啟動器啟動潛水泵部分，遠(yuǎn)程控制終端RTU采集數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)部分[8]。

圖2　水源井液位在線監(jiān)控裝置構(gòu)成示意

2.2　水源井液位監(jiān)測工作原理

水源井液位從幾十米到幾百米不等，各個采油廠水源井目前現(xiàn)狀差不多。傳統(tǒng)的測水位方法大都是將擴(kuò)散硅壓阻芯體或陶瓷壓阻芯體壓力傳感器投入到水底，通過壓力變化間接測量水位，最深只能測到150 m水位；水位再深時壓力傳感器的隔膜容易損壞不能使用，傳感器的密封也難以解決漏失，并且測量水位誤差越來越大，用這種方法顯然不能滿足測量水源井深水位的要求。

其他測水位方法用雷達(dá)只能測到25 m水位，用射頻電容最深才能測20 m水位，遠(yuǎn)不能滿足監(jiān)測水源井深水位的要求。針對上述情況設(shè)計出了一種水源井液位監(jiān)測裝置，安裝方法簡單、性能可靠，測量水位可達(dá)914 m深，誤差小于1‰。工作原理如圖3所示。

射頻導(dǎo)納傳感器探頭與射頻導(dǎo)納變送器探頭用電纜連接，參比電纜和井口地面出水管線一端相連接地，平行安裝在和潛水泵連接的出水管線管壁上的射頻導(dǎo)納傳感器探頭與電潛泵出水管線構(gòu)成電解電容，其中射頻導(dǎo)納傳感器探頭為電解電容的正極，電潛泵連接的出水泵管線為電解電容的負(fù)極，水作為電解質(zhì)。當(dāng)電解質(zhì)水的高度發(fā)生變化時，即水源井的水位發(fā)生變化時，電容值也發(fā)生變化。

射頻導(dǎo)納裝置測液位的工作過程：

1) 標(biāo)準(zhǔn)正弦信號發(fā)生電路發(fā)出100 kHz的射頻信號，經(jīng)濾波電路將干擾成分濾掉，獲得較純凈的100 kHz的射頻信號，電容驅(qū)動電路用于提高水位的測量范圍。

2) 變壓器電橋測量電路將水位信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，測量的電壓信號分成2路： 包含水位信號和掛水在射頻導(dǎo)納傳感器信號；提供采樣時刻的同步信號。

3) 同步信號經(jīng)過處理，給出采樣時刻，在該時刻對測量信號進(jìn)行采樣，即可獲得純凈的水位信號，從而消除射頻導(dǎo)納傳感器探頭掛水的影響。

4) 檢測到的水位信號經(jīng)過低通濾波電路，消除一些干擾，然后送入可編程序控制系統(tǒng)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理，并通過顯示電路顯示實際水位，實際水位與設(shè)定的水位上下值進(jìn)行比較，給出控制潛水泵信號。

水源井液位監(jiān)測實現(xiàn)了低液位預(yù)警、高液位自動啟泵目的，避免了水源井空抽、干燒等現(xiàn)象[9]。

圖3　水源井液位監(jiān)測工作原理示意

2.3　遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)計

液位在線監(jiān)控裝置中RTU模塊通過PLC將水源井射頻導(dǎo)納傳感器采集的液位信號、壓力表采集的出水壓力信號、流量計采集的出水流量信號、多功能電能表采集的潛水泵電參數(shù)信號以及啟停信號通過油田專網(wǎng)上傳至數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)中[10]，經(jīng)過防火墻加工處理后送到監(jiān)控交換機(jī)，監(jiān)控交換機(jī)進(jìn)一步將處理好的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)線送入監(jiān)控中心的計算機(jī)和工程師站上位機(jī)，實現(xiàn)水源井液位在線遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布[11]。

3　現(xiàn)場應(yīng)用

2014年6月至2016年12月，水源井液位遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)已在長慶油田采油廠成功應(yīng)用于28口井，提高了水源井生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時監(jiān)控的準(zhǔn)確性，實現(xiàn)了水源井液位、出水壓力、出水流量和潛水泵電參數(shù)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，起到了低液位預(yù)警、高液位自動啟泵作用，解決了水源井空抽、干燒等現(xiàn)象，提升了水源井管理效率，優(yōu)化了工作制度，保障了水源井正常運行，從源頭上保障了油田注水充分[12]。目前，長慶油田和延長油田有5 000多口水源井，應(yīng)用市場前景十分廣闊，將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

4　結(jié)束語

1) 從性價比看，射頻導(dǎo)納傳感器測水源井液位具有成本低、性能可靠、測量水位范圍大、誤差小，安裝方法簡單的優(yōu)勢，安裝時只需和出水管線平行下入水中。

2) 射頻導(dǎo)納傳感器測水源井液位，在變送器電路中應(yīng)用了動力載波技術(shù)和抗擾動技術(shù)，采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

3) 結(jié)合數(shù)字化管理，實現(xiàn)了水源井液位、產(chǎn)水量、出口壓力、井筒液面、潛水泵三相電等參數(shù)必要生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一精細(xì)化管理與分析判斷，優(yōu)化了水源井的運行工作制度，保障了水源井正常運行和節(jié)能降耗。

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