孔維海（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

注入方案的執(zhí)行精度和執(zhí)行效率，是保障油田開發(fā)效果的前提，傳統(tǒng)的人工巡檢調(diào)節(jié)工作方式，不僅勞動強(qiáng)度大、耗時時間長，同時也無法做到數(shù)據(jù)參數(shù)的實時監(jiān)控和采集，當(dāng)站內(nèi)泵壓或井口油壓發(fā)生變化導(dǎo)致水量變化時，無法及時進(jìn)行調(diào)節(jié)，站內(nèi)或井場有突發(fā)狀況時，更不能及時處理。通過設(shè)計研發(fā)注入井遠(yuǎn)程配水系統(tǒng)，該系統(tǒng)依托油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、油井遠(yuǎn)程測控終端（簡稱RTU）及控制裝置，對注入系統(tǒng)工藝流程進(jìn)行改造，實現(xiàn)了注入系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控、遠(yuǎn)程水量自動調(diào)節(jié)及參數(shù)異常報警等功能。

1 注入井遠(yuǎn)程配水技術(shù)

1.1 功能簡介

注入井遠(yuǎn)程配水系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)傳輸、生產(chǎn)監(jiān)控三個部分組成。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)通過在注入井口上增配流量自控儀，根據(jù)控制系統(tǒng)中設(shè)定的水量值，實現(xiàn)水量的自動調(diào)節(jié)[1]；注入井通過綁定油井RTU，達(dá)到對生產(chǎn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集、系統(tǒng)實時監(jiān)控、參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)定[2]。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過與油井RTU 建立心跳包機(jī)制，利用通訊網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲在實時數(shù)據(jù)庫中，并與油田現(xiàn)有的A2 系統(tǒng)和A5 系統(tǒng)建立關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，通過工控機(jī)上設(shè)置的組態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測與控制。

該系統(tǒng)通過法拉第線圈感應(yīng)原理進(jìn)行流量測定，實現(xiàn)了測量管內(nèi)無阻流，有效降低了因管內(nèi)堵塞、壓力損失等造成的卡表情況的發(fā)生概率；注入井遠(yuǎn)程配水系統(tǒng)配備蓄電池，實現(xiàn)了在停電情況下仍能夠連續(xù)測量瞬時水量和累計水量；系統(tǒng)配備存儲器，可以實現(xiàn)在信息傳導(dǎo)發(fā)生故障時，系統(tǒng)仍然能夠通過存儲器中的設(shè)定值進(jìn)行水量調(diào)節(jié)。系統(tǒng)設(shè)計了日常報表統(tǒng)計與打印，壓力、溫度、液位等參數(shù)的監(jiān)控顯示、異常情況報警燈功能，方便了日常的生產(chǎn)管理。注入井配水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 注入井配水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of water distribution system for injection water well

1.2 數(shù)據(jù)采集處理

某油田整體監(jiān)控系統(tǒng)是利用基于TCP/IP 的Internet 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于采用IPV6 無狀態(tài)獲取機(jī)制，設(shè)備上線必須依賴油井心跳機(jī)制建立上位機(jī)與油井IP 的映射關(guān)系，上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信通過與連接的采油井RTU 建立基于Socket 的心跳包機(jī)制[3]，流量控制系統(tǒng)定時發(fā)送信息至RTU，代碼每隔幾分鐘發(fā)送一個固定信息給控制終端，控制終端收到后回復(fù)一個固定信息并把信息傳輸給上位機(jī)，如果RTU 在預(yù)定的時間段內(nèi)未收到信息，則認(rèn)為流量控制系統(tǒng)斷開。通過心跳包機(jī)制系統(tǒng)形成相互監(jiān)測、相互復(fù)位。因此注入井的數(shù)據(jù)采集傳輸必須嵌入到整體監(jiān)控系統(tǒng)中，也就是數(shù)據(jù)訪問通過油井建立的心跳包機(jī)制傳給上位機(jī)。具體做法是將注入井井口設(shè)備與已安裝采油井RTU 通過RS485 通訊線相連，綁定兩者的ID，當(dāng)上位機(jī)訪問該采油井的IP 時，上位機(jī)就可以讀取注入井存儲在油井RTU 的寄存地址，采集傳輸注入井?dāng)?shù)據(jù)[4-5]，注入井配水系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程見圖2。

圖2 注入井配水系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程Fig.2 Data collection process of water distribution system for injection water well

1.3 遠(yuǎn)程水量調(diào)節(jié)

1.3.1 方案設(shè)計

為了實現(xiàn)注入系統(tǒng)對來水閥的狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制，對應(yīng)急響應(yīng)、事故處理的可操作性、可靠性進(jìn)行分析，提高事故處理的能力，方案設(shè)計選用GLZ 型電磁自控儀根據(jù)給定的水量設(shè)定值實現(xiàn)遠(yuǎn)程水量自動調(diào)節(jié)。電磁自控儀的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要功能是遠(yuǎn)程接收流量所反饋的傳輸信號，接收的數(shù)據(jù)信號再由RS485 通訊線傳送到油井遠(yuǎn)程終端單元（RTU），其輸入電壓為220 V。

充分考慮系統(tǒng)出現(xiàn)停電、數(shù)據(jù)傳輸故障、注入水礦化度升高或雜質(zhì)多引起的測量管內(nèi)徑發(fā)生變化、卡表等狀況出現(xiàn)，對控制器進(jìn)行加裝改造：為了防止發(fā)生停電累計流量數(shù)據(jù)丟失，流量計部分安裝蓄電池，系統(tǒng)保存了累計流量值，因此不影響系統(tǒng)計量。寄存器存儲保存上一通信節(jié)點的設(shè)定值進(jìn)行水量調(diào)節(jié)，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)故障，仍不影響正常水量調(diào)節(jié)。

流量測量應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，流量計的測量管是內(nèi)襯絕緣材料的非導(dǎo)磁合金短管。兩只電極沿管徑方向穿通管壁固定在測量管上。其電極頭與襯里內(nèi)表面基本齊平。勵磁線圈由雙向方波脈沖勵磁時，將在與測量管軸線垂直的方向上產(chǎn)生一磁通量密度為B 的工作磁場。此時，如果具有一定電導(dǎo)率的流體流經(jīng)測量管，將切割磁力線感應(yīng)出電動勢E。電動勢E 正比于磁通量密度B，測量管內(nèi)徑d 與平均流速V 的乘積、電動勢E（流量信號）由電極檢出并通過電纜送至轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器將流量信號放大處理后，可顯示流體流量，并能輸出脈沖，模擬電流信號，用于流量的控制和調(diào)節(jié)。測量管內(nèi)無阻尼部件，減少了堵塞甚至卡表情況的出現(xiàn)。

1.3.2 調(diào)節(jié)流程

注入井遠(yuǎn)程配水系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)會根據(jù)設(shè)定的流量自動通過電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥門的開啟度（PID控制），注入井配水系統(tǒng)水量調(diào)節(jié)流程如圖3 所示，首先給PID 控制器一個單井流量的設(shè)定值，以5 s 為周期將所測量到的瞬時流量值與該設(shè)定流量值相比較。PID 控制器通過接收過程變量（瞬時流量），與目標(biāo)設(shè)定值做比較，得出系統(tǒng)誤差，PID 控制器根據(jù)系統(tǒng)誤差大小計算出調(diào)節(jié)量，并將這一控制信號發(fā)送到流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)（電動機(jī)、調(diào)節(jié)閥等），調(diào)節(jié)系統(tǒng)接收到控制調(diào)節(jié)指令，通過電動機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)數(shù)，調(diào)節(jié)閥門開啟度。當(dāng)測試的瞬時流量超過給定的設(shè)定值上限，PID 控制器發(fā)出命令，將閥門調(diào)小，當(dāng)測試的瞬時流量低于給定的設(shè)定值下限，PID 控制器發(fā)出命令，將閥門調(diào)大，閥門的開啟度決定了流量的調(diào)節(jié)大小，再經(jīng)過流量測量，將流量信號傳輸給控制器，形成閉合回路，為了防止控制系統(tǒng)頻繁調(diào)節(jié)流量，設(shè)定流量調(diào)節(jié)下限為0.1 deg/h。

圖3 注入井配水系統(tǒng)水量調(diào)節(jié)流程Fig.3 Flow of water adjustment of water distribution system for injection water well

PID 控制具有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，操作方便，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中。PID 控制是由比例控制、積分控制和微分控制三部分組成，其中比例控制主要作用是調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)速度，可以減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差；積分控制主要作用是積累系統(tǒng)誤差并輸出變量，可以消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差；微分控制是通過系統(tǒng)誤差的變化速率，提前給出控制調(diào)節(jié)，具有超前預(yù)判的作用。PID 控制技術(shù)應(yīng)用于注入站控制系統(tǒng)，PID 控制流程如圖4 所示，首先給PID 控制器一個單井流量的目標(biāo)設(shè)定值，即單井的開發(fā)方案設(shè)計值，PID 控制器接收到過程變量（瞬時流量），與目標(biāo)設(shè)定值作比較，得出系統(tǒng)誤差，PID 控制器根據(jù)系統(tǒng)誤差大小計算出調(diào)節(jié)量，并將這一控制信號通過中央控制器，把控制變量傳輸給變頻器，變頻器接收到指令后，根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)流量大小，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，繼而調(diào)節(jié)注聚泵的排量大小。這個控制過程不斷循環(huán)，形成閉合回路。當(dāng)控制變量與設(shè)定值之間的系統(tǒng)誤差在設(shè)定的誤差范圍之內(nèi)（通常界限值為10%），即輸出的流量滿足開發(fā)方案設(shè)計要求，則輸出實際流量。與人工調(diào)節(jié)閥門方式相比，PID 控制技術(shù)可以避免因泵壓、泵效等外部條件發(fā)生變化，而引起的流量變化，確保了注入系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性和平穩(wěn)性。

圖4 PID 控制流程Fig.4 Flow chart of PID control

2 注入井遠(yuǎn)程配水技術(shù)應(yīng)用效果

2.1 方案實施

某油田現(xiàn)場改造80 口注入井流程，在井口安裝了GLZ 型電磁自控儀，采集瞬時和累計流量[6-7]。在每口井的注入管路安裝了2 個壓力變送器，分別安裝在井口和來水干線上，采集泵壓和油壓等壓力參數(shù)數(shù)據(jù)[8]。綁定注入井與已安裝RTU 設(shè)備的采油井ID，上位機(jī)訪問油井IP 時，就可以讀取注入井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，各項生產(chǎn)參數(shù)的傳輸采用RS485 通訊方式，通過上位機(jī)輸出的控制調(diào)節(jié)信號，實現(xiàn)遠(yuǎn)程水量調(diào)節(jié)[9-10]，將井口設(shè)備與油井RTU 間用RS485通訊線相連，采取與流量自控儀供電電纜同溝的方式節(jié)省施工成本。

2.2 應(yīng)用效果

技術(shù)應(yīng)用后，80 口注入井平均單井日實注由65.9 m3下降到64.3 m3，平均單井日節(jié)約注水1.6 m3，年可節(jié)約注水4.672×104m3，油田處理污水單價價格為5.8 元/m3，可實現(xiàn)節(jié)約費用27.097 6 萬元；方案符合率由95.06%提高到97.61%，提高了2.55 個百分點。技術(shù)應(yīng)用前共有41 口井方案符合率在95%～96%，僅有10 口方案符合率大于或等于97.0%，技術(shù)應(yīng)用后，共有61 口井方案符合率大于或等于97.0%，達(dá)到了單井方案精準(zhǔn)執(zhí)行的目的，注入井遠(yuǎn)程配水技術(shù)應(yīng)用前后效果見表1。

表1 注入井遠(yuǎn)程配水技術(shù)應(yīng)用前后效果Tab.1 Before and after effect of remote water distribution technology for injection water well

3 結(jié)論及認(rèn)識

注入井遠(yuǎn)程配水技術(shù)，針對傳統(tǒng)注入工藝弊端進(jìn)行設(shè)計改造，應(yīng)用后實現(xiàn)了注入井注水量的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)和各項生產(chǎn)參數(shù)的遠(yuǎn)程錄取、實時監(jiān)控，克服了單井注水量相互干擾、環(huán)網(wǎng)注水因壓力波動而產(chǎn)生的注水量超、欠的問題，實現(xiàn)了無人值守、精細(xì)配注，降低了生產(chǎn)管理費用，提高了油田安全生產(chǎn)的能力。

注入井遠(yuǎn)程配水技術(shù)解決了注水系統(tǒng)運(yùn)行與管理的脫節(jié)問題，單井的注入方案符合率大幅度提高，達(dá)到了單井方案精準(zhǔn)執(zhí)行的目的。下步將繼續(xù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究，通過網(wǎng)絡(luò)、電路的優(yōu)化保證該技術(shù)在生產(chǎn)現(xiàn)場穩(wěn)定可靠運(yùn)行。