韓 瑞 焦衛(wèi)華 張秋陌 張棟財 黃學(xué)鋒

（1.延長油田股份有限公司定邊采油廠；2.西安國儀測控股份有限公司）

注水開發(fā)屬于油田開發(fā)的重要方式，該方式相對簡單，應(yīng)用較為方便，但也存在諸多缺點，例如能耗大、開發(fā)效率低等［1，2］。 對于定邊采油廠五興莊卜掌注水區(qū)，其配水間7 個，注水井45 口，配水間的間距約25 km，由于配水間的間距較遠，且注水設(shè)備較為陳舊，因此對注水開發(fā)進行管理的難度較大，無效注水量較高，導(dǎo)致注水開發(fā)過程中的能耗相對較大。 目前，定邊采油廠的注水開發(fā)工作已經(jīng)無法滿足低成本、高效益的基本要求，因此，對注水系統(tǒng)節(jié)能降耗工作的研究迫在眉睫。

目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者對注水系統(tǒng)的節(jié)能降耗問題進行了研究［3，4］。嚴艷玲針對江漢油田注水開發(fā)的能耗問題，對注水開發(fā)中存在的問題以及系統(tǒng)優(yōu)化措施分別進行了研究，結(jié)果表明，設(shè)備不匹配、管網(wǎng)壓力損失高和閥控損失大是影響注水開發(fā)能耗的重要因素，因此，需要對注水泵、地面管網(wǎng)等分別進行合理優(yōu)化， 進而降低注水能耗，但是文中并沒有對提出的技術(shù)措施進行驗證［5］；馬慶龍針對扶余油田的注水開發(fā)問題，對站內(nèi)和站外注水系統(tǒng)的節(jié)能降耗問題分別進行了研究，結(jié)果表明，泵站效率對注水開發(fā)能耗具有重要影響，因此，需要對泵站進行合理的優(yōu)化設(shè)計，對泵站的能力進行擴充，進而降低注水能耗，但是文中提出的措施僅停留在泵站單一方面［6］；劉靖瑞針對吉林油田的注水開發(fā)問題，引入了注水系統(tǒng)模擬仿真方式，對分區(qū)分壓注水措施進行了研究，結(jié)果表明，根據(jù)油田區(qū)塊的實際情況采用分區(qū)分壓注水措施可以降低注水能耗， 同時，在進行注水開發(fā)的過程中，還需要對泵站進行優(yōu)化以及對注水管網(wǎng)進行定期清洗，進而使得注水能耗進一步降低，但是文中對能耗的影響因素考慮并不全面［7］。

秉持分布式系統(tǒng)無法同時兼顧一致性、可用性與分區(qū)容忍性（CAP）原理[8]，中本聰設(shè)計了PoW共識機制?，F(xiàn)階段常見共識算法其中一類為證明類共識，即Proof of X共識方案，是在PoW共識方案之上的變種，將PoW改換為其余證明。PoW算法現(xiàn)階段依然盛行，使用PoW共識的代表貨幣比特幣依然占據(jù)最大市值。

綜上所述，雖然研究學(xué)者們針對注水系統(tǒng)的能耗問題進行了研究，但是研究過程中都存在一定的問題。 筆者引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田注水系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)，并將該技術(shù)應(yīng)用于我國定邊采油廠，以驗證該技術(shù)的可行性和先進性，從而為我國推廣和使用該節(jié)能降耗技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 節(jié)能降耗技術(shù)的提出

在實際工程中，注水泵的能量消耗和注水系統(tǒng)的無效注水量均屬于整個注水系統(tǒng)的重要能耗指標，對這兩項指標進行合理優(yōu)化十分關(guān)鍵［8，9］。注水系統(tǒng)的采集指標主要包括注配間中的注水量數(shù)據(jù)、注水管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)、注水管網(wǎng)溫度數(shù)據(jù)及節(jié)流損失數(shù)據(jù)等；注水泵的采集指標主要包括連續(xù)運行時間、運行功率信息及運行效率信息等。 采集數(shù)據(jù)后，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行傳輸，系統(tǒng)根據(jù)能耗監(jiān)測指標，對注水過程中的相關(guān)環(huán)節(jié)進行合理優(yōu)化，以實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標。 為了全面實現(xiàn)節(jié)能降耗，首先需要對注水泵和注水系統(tǒng)進行改進。

1.1 注水泵改進

應(yīng)用層中的GSM 信息傳輸裝置主要負責接收流量傳感器和注水泵運行傳感器獲取的信息，并將相關(guān)信息傳輸?shù)紸RM 處理器中。 ARM 處理器中的主線程處于持續(xù)監(jiān)控端口的基本狀態(tài)，如果端口位置處有相關(guān)數(shù)據(jù)信息到達，則系統(tǒng)將會啟動接收信息的線程，并在端口位置處寫入AT+CMGL 基本命令，進而對相關(guān)信息內(nèi)容進行讀?。?2］。 讀取的數(shù)據(jù)信息將會通過GSM 無線傳輸協(xié)議進行分析和處理，并將異常信息傳輸?shù)絆FD服務(wù)器中，應(yīng)用層中的相關(guān)軟件可以對信息進行管理和維護。 具體流程如圖4 所示。

1.2 注水系統(tǒng)改進

注水量是實現(xiàn)節(jié)能降耗的重要參數(shù)，為了降低無效注水量，引入自動化注水系統(tǒng)。 自動化注水系統(tǒng)的工原理如圖1 所示。 其中，智能流量計和數(shù)字壓力變送器可將現(xiàn)場的模擬信號轉(zhuǎn)換為DDZ-Ⅲ標準信號， 且可以在現(xiàn)場儀表上進行顯示。 現(xiàn)場控制器可將儀表中的模擬信號轉(zhuǎn)換為RS485 協(xié)議信號，該類型信號可在控制端中使用。同時，系統(tǒng)中還增加了智能電動調(diào)節(jié)閥，以此實現(xiàn)注水流量控制調(diào)節(jié)的目標［11，12］。采集信號和控制信號經(jīng)現(xiàn)場協(xié)議轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后成為TCP/IP 協(xié)議信號，通過使用交換機和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，可將信號傳輸?shù)街骺厥抑?，主控室得到各站點的數(shù)據(jù)后，通過交換機將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺赜嬎銠C中， 主控計算機以圖形界面的方式反映注水系統(tǒng)的各項參數(shù)，并可對各項參數(shù)進行簡單分析， 同時通過使用WAN，可將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒謴S網(wǎng)絡(luò)中。

圖1 自動化注水系統(tǒng)工作原理

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田注水系統(tǒng)節(jié)能降耗系統(tǒng)組成與架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)組成

黨的十九大報告提出要全面實施績效管理，為各部門加強績效管理指明了方向。本文將預(yù)算的編制、執(zhí)行和監(jiān)督同績效管理的目標設(shè)定、執(zhí)行跟蹤、績效評價和結(jié)果應(yīng)用相結(jié)合，以內(nèi)部控制為保障機制，將預(yù)算績效管理過程細化至具體的流程、明確的崗位，探討如何構(gòu)建預(yù)算績效管理內(nèi)部控制機制以及其能達到的效果。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田注水系統(tǒng)節(jié)能降耗系統(tǒng)

該系統(tǒng)由兩組GSM 信息發(fā)送和接收裝置組成， 其中一組GSM 信息發(fā)送和接收裝置被嵌入到注水井注水流量采集裝置中， 另一組GSM 信息發(fā)送和接收裝置被嵌入到OFD 服務(wù)器中［15］。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

在使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的過程中，無線傳輸技術(shù)屬于一項重要的基礎(chǔ)，在使用GMS 模塊后，可將感知層和應(yīng)用層相互連接，進而實現(xiàn)信息交互的基本功能。同時，系統(tǒng)采用PDU 的基本模式，對短信息進行發(fā)送和接收。PDU 數(shù)據(jù)格式主要由中心地址、目的地址、有效期、數(shù)據(jù)長度及協(xié)議標識等多種類型的信息共同組成，在使用PDU 數(shù)據(jù)格式的過程中，通常選擇Unicode-7 位編碼方式。

圖3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田注水系統(tǒng)節(jié)能降耗系統(tǒng)架構(gòu)

引入基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田注水系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)后， 通過對定邊采油廠28 口注水井進行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，其注水量可以控制在0.205 ～0.220 m3/h 之間， 注水量的誤差率僅為2.3%，注水精度提升了25.7%， 注水泵的故障率降低了58%，運行效率提升了8.6%，注水井的日均無效注水量降低約1.4 t，注水井的日節(jié)約電量約5.6 kW·h。

傳輸層的主要作用是將各系統(tǒng)相互連接。 在油田生產(chǎn)作業(yè)過程中， 其周圍環(huán)境相對較為惡劣，如果采用有線傳輸網(wǎng)絡(luò)，則成本費用高。 由于無線傳輸技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，因此，筆者采用較為成熟的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)GSM 網(wǎng)絡(luò)［18］。 GSM 傳輸網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)少且信號強，通過在數(shù)據(jù)傳輸裝置中嵌入GSM 模塊，依據(jù)GSM07.05 的AT 指令集要求，可以使用GSM 短信息的方式對采集的相關(guān)參數(shù)進行傳輸。

物聯(lián)網(wǎng)中存在多個獨立的節(jié)點，通過在節(jié)點中植入嵌入式芯片，可以使得每個獨立節(jié)點的數(shù)據(jù)處理能力和信息傳輸能力都得到提升。 感知層中的信息采集點嵌入了ARM9 處理器，該處理器價格相對較低，通過使用該處理器，可以將信息采集裝置和信息傳輸裝置相互連接；信息采集裝置可以對采集的數(shù)據(jù)進行編碼處理，并依據(jù)信息采集的時間使用GSM 模塊， 進而將注水系統(tǒng)信息和注水泵運行信息傳遞到應(yīng)用層中。 同時，信息采集裝置還可以對應(yīng)用層傳輸回來的信息進行解碼處理［20，21］。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田注水系統(tǒng)節(jié)能降耗系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 嵌入式技術(shù)

應(yīng)用層主要由系統(tǒng)硬件和應(yīng)用軟件兩部分組成，其提供了多種類型的應(yīng)用服務(wù)。 其中，系統(tǒng)硬件主要由信息傳輸部分、外部網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和PC 設(shè)備構(gòu)成；應(yīng)用軟件主要由信息傳輸軟件、服務(wù)器支持軟件和監(jiān)控軟件3 部分構(gòu)成［19］。 對于信息傳輸軟件和監(jiān)控軟件而言，其主要是依靠服務(wù)器進行信息傳輸，通過分析感知層得到的注水系統(tǒng)信息和注水泵運行信息，可以發(fā)現(xiàn)注水開發(fā)過程中的異常問題，同時，服務(wù)器還可以儲存每個監(jiān)控點位置處的數(shù)據(jù)。

在油田生產(chǎn)作業(yè)過程中，注水井和注水泵的數(shù)量相對較多，為了使應(yīng)用層可以同時對多個監(jiān)控點的信息進行有效處理，需要在應(yīng)用層中嵌入ARM11 處理器，該處理器性能好，可將GSM 模塊和OFD 服務(wù)器相互連接，對感知層得到的信息進行解碼處理，同時可以在OFD 服務(wù)器中保存解碼后的信息，或者對用戶發(fā)出的指令進行編碼處理并發(fā)送到感知層中。

3.2 GSM 無線傳輸協(xié)議

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田注水系統(tǒng)節(jié)能降耗系統(tǒng)由感知層、 傳輸層和應(yīng)用層3 層架構(gòu)組成（圖3）。

各院校應(yīng)該結(jié)合當?shù)仄嚑I銷企業(yè)的實際需要和學(xué)生的特點，有針對性的豐富校企合作方式，以便達到更好的人才培養(yǎng)效果?？梢酝ㄟ^構(gòu)建實訓(xùn)中心的方法，給學(xué)生提供模擬市場銷售的平臺。在進行汽車展廳、結(jié)算中心、維修接待中心等布置的過程當中，要求學(xué)生同企業(yè)負責人一起參與其中，了解具體的工作流程并趁機給企業(yè)做宣傳。還可以定期進行模擬競聘大賽，推薦獲勝的同學(xué)到企業(yè)進行頂崗實習(xí)，不僅可以給企業(yè)提供相對廉價的高素質(zhì)勞動力，還可以提升學(xué)生的業(yè)務(wù)能力。和企業(yè)簽訂人才培養(yǎng)協(xié)議也是校企合作模式的有效手段，更有利于企業(yè)所需人才的培養(yǎng)和學(xué)生的就業(yè)。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸存儲

通過分析注水系統(tǒng)能耗發(fā)現(xiàn)，注水泵屬于能量消耗的主要設(shè)備，為此引入恒壓變頻調(diào)速注水泵，通過使用該類型注水泵，不但可以降低注水過程中的壓力損耗，還可以保障注水系統(tǒng)能量消耗優(yōu)化方案得以成功實施。 使用恒壓變頻調(diào)速注水泵可以達到恒壓控制的基本效果，通過使用變頻調(diào)速技術(shù)，可以平衡注水管網(wǎng)中的壓力，對電機的轉(zhuǎn)速進行合理控制，最終實現(xiàn)對注水流量的控制［10］。 在注水泵電機速度相對較快時，注水流量會提升，在注水泵電機速度相對較慢時，注水流量會降低，注水泵可以根據(jù)注水的實際需求對供水量進行調(diào)節(jié)，以防止注水泵長期處于高負荷運行狀態(tài)。

整個下午，梨花就坐在門前的屋檐下，呆呆地望著發(fā)白的天空。她感到無比沉重，整個人木搭搭的，腦袋里像灌滿了鉛。黃方永在院門口玩，跑來跑去的；梨花對此壓根兒就沒往腦子里去，直到他拖著一只魚簍跑進院子來，當她看到魚簍里零零星星地掉出來的東西時，腦袋像是被硬物猛地撞了一下，頓時生痛生痛的。她清楚那是什么。梨花突然站起來身來，朝小家伙走去，將他抱起來，從他手中奪下魚簍。黃方永不知道她要干什么，就尖叫起來；桃花突然從里屋沖出來，大聲吆喝道：“你別碰他！”她沖過來一把從梨花懷里奪過兒子，細細地撣了一遍他身上；隨即揚手朝院門口一指，對梨花吼道：“你走，你還賴在這兒干什么？！”梨花驚愕地望著姐姐桃花。

圖4 信息傳輸流程

4 應(yīng)用實例

為了達到節(jié)能降耗的目標，對注水系統(tǒng)和注水泵相關(guān)參數(shù)進行敏感性分析，其中，注水系統(tǒng)的分析參數(shù)為注水量數(shù)據(jù)、 注水管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)、注水管網(wǎng)溫度數(shù)據(jù)和節(jié)流損失數(shù)據(jù)，注水泵的分析參數(shù)為連續(xù)運行時間、運行功率信息和運行效率信息。 將注水單耗作為能耗評價指標，通過分析各種參數(shù)與單耗之間的關(guān)系，可以為制定節(jié)能降耗措施奠定基礎(chǔ)。 在我國定邊采油廠中，各種類型參數(shù)均采集50 組， 將相關(guān)參數(shù)與單耗之間進行相關(guān)性分析，部分結(jié)果如圖5～7 所示，各參數(shù)與單耗之間的相關(guān)系數(shù)見表1。通過分析發(fā)現(xiàn)，注水量、注水壓力、注水泵運行效率與單耗之間的關(guān)系相對較為密切，節(jié)流損失、注水泵運行時間與單耗之間的關(guān)系次之，注水溫度、注水泵運行效率與單耗之間基本不相關(guān)，其中，注水泵運行時間與運行效率之間具有一定聯(lián)系，當連續(xù)運行時間增加時， 注水泵的運行效率會隨之降低。綜合分析發(fā)現(xiàn)，主要需要從注水量、注水壓力、注水泵維護管理及節(jié)流損失等角度提出合理的節(jié)能降耗措施。

圖5 注水量與單耗的關(guān)系曲線

圖6 注水壓力與單耗的關(guān)系曲線

圖7 注水溫度與單耗的關(guān)系曲線

根據(jù)單耗分析結(jié)果， 定邊采油廠需要采取4方面的措施實現(xiàn)節(jié)能降耗。 為了對注水量進行準確把控， 引入PID 閉環(huán)算法控制調(diào)節(jié)注水量，在注水過程中，將目標注水量與流量儀表的檢測數(shù)據(jù)進行全面對比，如果實際注水量與目標注水量之間出現(xiàn)偏差，則使用ACU 組件，由PID 算法發(fā)出相應(yīng)指令，當指令到達配水調(diào)節(jié)組件后，對閥門開度進行合理調(diào)節(jié)，以此實現(xiàn)閉環(huán)流量自動調(diào)節(jié)控制的目標。 在定邊采油廠未來的發(fā)展中，供水量可能會持續(xù)提升，因此，采用大排量的高壓水泵進行注水，同時為了防止出現(xiàn)壓力過高的問題，需將注水泵的出口均開回流口，獲得能量的多余水資源將會回流到大罐中，在此過程中產(chǎn)生的能量消耗相對較低，因此可以忽略降低供水壓力的影響。 對注水泵進行梯級配置，以防止管道內(nèi)憋壓引發(fā)能耗問題，對離心泵和注水泵分別進行減級改造，降低節(jié)流損失，同時可以避免出現(xiàn)回流問題，定期對注水管網(wǎng)進行除垢處理，以降低管道內(nèi)的壓力損失。 定期對注水泵進行檢查和維護，對注水水質(zhì)進行治理，提高水資源的質(zhì)量，防止水資源內(nèi)的雜質(zhì)對注水泵的運行效率產(chǎn)生影響。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田注水系統(tǒng)節(jié)能降耗系統(tǒng)（圖2）主要由注水流量采集裝置、注水泵運行信息采集裝置、GSM 信息傳輸裝置、OFD 服務(wù)器和數(shù)據(jù)信息管理子系統(tǒng)5 部分組成，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線傳輸技術(shù)可將這5 部分相互連接。對于每個注水井口，都配備了專門的注水流量采集裝置和注水泵信息采集裝置，對注水量信息和注水泵的運行信息進行全面采集，根據(jù)協(xié)議要求對數(shù)據(jù)進行編碼處理［13］。 通過使用GSM 信息傳輸裝置， 可將采集的相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絆FD服務(wù)器中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存［14］。 對于數(shù)據(jù)信息管理子系統(tǒng)，其主要利用Internet 技術(shù)對OFD 服務(wù)器進行訪問，同時，該系統(tǒng)具備用戶管理、注水量查詢、注水量信息采集時間查詢、注水泵運行信息查詢及注水泵故障信息查詢等功能。

感知層中，對油田區(qū)塊注水井和注水泵分別進行編號，通過注水流量采集裝置和注水泵運行信息采集裝置，對每個注水井和注水泵的信息進行采集， 對采集的信息和編號信息進行編碼處理， 利用信息傳輸裝置對編碼信息進行高效傳輸。 注水流量采集裝置使用的是智能超聲波流量傳感器，其具有精度高、智能化程度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，在使用過程中不會對注水管道產(chǎn)生阻力干擾。 注水泵采用的是恒壓變頻調(diào)速注水泵，其運行情況穩(wěn)定，可降低流量控制閥的壓損。 當注水流量出現(xiàn)較大波動、 注水泵運行異常時，相關(guān)數(shù)據(jù)采集裝置可以快速感應(yīng)流量的波動情況和注水泵的異常， 并將相關(guān)信息傳輸?shù)綉?yīng)用層中，以便對異常原因進行分析［16，17］。

經(jīng)產(chǎn)蛋白酶活性篩選，共有7株菌有產(chǎn)蛋白酶能力，其中有2株乳酸菌，2株真菌，3株芽孢桿菌，分別編號為R1，R2，Z1，Z2，Y1，Y2，Y3；經(jīng)產(chǎn)淀粉酶活性篩選，共有3株菌有產(chǎn)淀粉酶能力，且均為具有產(chǎn)蛋白酶能力的芽孢桿菌，即為Y1，Y2，Y3，詳細結(jié)果見表1。

綜上所述，引入基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田注水系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)后，定邊采油廠實現(xiàn)了節(jié)能降耗的目標。

5 結(jié)論

5.1 注水泵的能量消耗和注水系統(tǒng)的無效注水量屬于整個注水系統(tǒng)的重要能耗指標，對這兩項指標進行合理優(yōu)化十分關(guān)鍵，注水系統(tǒng)影響能量消耗的參數(shù)主要包括注配間中的注水量數(shù)據(jù)、注水管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)、注水管網(wǎng)溫度數(shù)據(jù)及節(jié)流損失數(shù)據(jù)等，注水泵中影響能量消耗的參數(shù)包括連續(xù)運行時間、運行功率信息及運行效率信息等。

在儲量管理上，采油廠是各種儲量管理的交匯點，如三級儲量、未動用儲量、可采儲量、經(jīng)濟可采儲量等的基礎(chǔ)資料或初步成果大部分出自于采油廠，各類儲量的管理正是SEC儲量評估的基礎(chǔ)。

5.2 將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入油田注水系統(tǒng)領(lǐng)域后，可將數(shù)據(jù)采集裝置、 信息傳輸裝置、OFD 服務(wù)器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)相互結(jié)合，進而對同一油田區(qū)塊的不同注水井數(shù)據(jù)進行共享和管理，注水井和注水泵采集的數(shù)據(jù)信息可以實現(xiàn)即時傳輸。

5.3 在定邊采油廠引入基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田注水系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)后，對相關(guān)參數(shù)進行合理監(jiān)測， 根據(jù)監(jiān)測結(jié)果采取了合理的節(jié)能降耗措施，結(jié)果表明，注水井的日均無效注水量降低1.4 t 左右， 注水井的日節(jié)約電量約5.6 kW·h，由此可見，筆者提出的節(jié)能降耗技術(shù)具有較強的可行性。