數字化監控系統在采油三廠油田注水中的應用

鄭新軍 趙榮奎 董青春 沈文偉 梁曉芳

（中國石油長慶油田分公司 第三采油廠，寧夏 銀川750006）

1 緒論

1.1 國內外生產自動化技術現狀分析及發展趨勢

總的發展趨勢：目前大公司與儀表廠，向成套或系列化發展，在基本工藝近似的情況下，向多品種發展；小公司與儀表廠則在專用儀表方面尋求一席之地，生產特殊結構的儀表或傳感器。新技術在儀表中得到應用：近年來，微機、紅外線、激光、超聲、核輻射技術在儀表中得到廣泛應用，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 長慶油田注水過程簡介

長慶油田位于鄂爾多斯盆地，屬于特低滲透油藏。自20世紀80年代注水開發以來，針對特低滲透油藏的開發，采用了適合特低滲透油藏開發的地面注水工藝。目前長慶油田注水過程為水源井來水進供注水站，經計量、精細過濾水處理后，通過注水泵加壓，由高壓閥組計量分配，通過一條注水干管輸至配水間，在配水間控制、調節、計量，輸至注水井注入油層。

1.2.1 環網注水，壓力波動影響有效注水

面對無法選擇的地質地貌，針對特低滲透油藏開發的實際，應用聯網注水工藝能夠極大地簡化流程，提高注水效率，優化了水源。但是，隨著油田注水規模的不斷擴大，原有的注水系統局部管網負荷過重，部分壓力高的注水井達不到相應配注，采取干線提壓，造成系統能耗高、效率低下，同時環網注水系統中單井注水量會因注水壓力的變化相互干擾，由于環網注水導致超欠注問題亟待解決，它與油田精細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，如何提高環網注水系統效率是一項十分值得研究的課題。

1.2.2 注水系統環節多、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，資料均以報表的形式體現，由于注水井位置相對分散，沒有約束手段保證員工能夠每兩小時按照配注對注水量進行調節，管理難度大，這也對注水參數的真實性帶來了疑問，這樣的數據對于整個注水系統的分析意義不大，也對決策起到了非常大的負面作用，甚至會誤導決策。

1.2.3 注水生產與管理脫節

在實際管理過程中，作業區往往按照油系統基本生產管理單元對注水系統管理，注水站僅對自身進行管理，注水井的管理則歸屬于配水間所在井場的上級集輸站點管理，這就造成了注水系統生產運行和管理的脫節。

1.3 建設意義和主要內容

采油三廠作為長慶油田最大的一個采油廠，各類注水站眾多，注水井開井達1877口。由于建設時期不同，受當時建站技術、資金、環境等各方面因素的限制，注水井站建設水平高低不同，特別是在自動化技術裝備方面差距較大，嚴重制約了油田生產，采油三廠從2008年開始著手對數字化注水監控系統進行研究。

1.3.1 建設的意義

對油田注水系統重要生產環節實現自動監控，達到精細注水以及節能降耗目的。從近階段來看，提高油田注水系統效率是目前油田最大的降本增效點，要真正實現這一目標，以實現節能降耗，最有效的方法就是實現油田注水泵系統重要生產環節實現自動監控。對油田注水系統生產過程實現自動化管理后，能夠提高注水井站生產管理及運行水平。

1.3.2 建設的主要內容

本文對油田數字化注水系統的應用進行了研究，主要內容如下：

（1）對油田的注水系統工藝過程分析。課題的應用對象是水源井、注水站、注水井，首先對注水系統的生產工藝過程進行系統分析，與傳統注水系統過程管理方式進行對比，確定各個環節的檢測和控制參數是系統設計的第一步。

（2）根據系統的工藝過程要求，對自動化測控系統進行總體設計。研究確定系統結構、數據通信方式、組網方式、數據采集、自動控制等技術方案。

2 數字化注水監控系統總體設計方案

2.1 系統設計要求

對于油田數字化注水監控系統，從油田生產和實際需要的角度出發，提出了以下設計要求：系統性、先進性、可靠性、準確性、可擴展性、安全性、共享性、兼容性。

2.2 系統功能

根據長慶油田的基本注水過程，系統主要包括水源井、供注水站、注水井三個主要組成部門，系統必須具備以下基本功能：

數據同步采集：注入地層的水通過水源井、供注水站、注水井的整個過程中的所有數據同步采集。站控實現動態立體流程圖顯示，能實時動態顯示生產參數的變化情況，實時參數異常報警，歷史記錄查詢及生產參數趨勢顯示等。

注水量自動調節：注水閥組各注水井的注水流量、壓力能夠傳輸至注水站，同時注水站可以實現注水量遠程設定，包括操作控制、參數設定、閥門的自動控制等。

2.3 系統結構

采油三廠數字化注水監控系統為解決目前注水數據不能同步采集、注水生產流程與管理流程脫節的兩大問題奠定了基礎。注水系統采取廠、作業區、基本生產單元逐級管理的模式，數據傳輸則通過各個注水監控單元對底層數據采集后，通過通信網絡將數據傳送到廠數據服務器，作業區調控中心、廠級調控中心與數據服務器進行數據交換，數據將在廠、作業區調控中心監控界面顯示，完成對整個系統進行監測和控制。

2.4 數據傳輸方案

2.4.1 注水站內部數據傳輸

注水站、聯合站注水系統通常選用西門子/安控PLC作為主站。分布式I/O、傳感器、驅動器、執行器等。主站(PLC、PC機等)負責通信管理及下設儀表通信。

2.4.2 外部數據傳輸

（1）數傳電臺方式

無線數傳電臺是利用先進的單片機技術、無線射頻技術、數字處理技術設計的功率較大、體積較小的模塊式半雙工數傳電臺。所以針對采油三廠油區的特殊環境，尤其水源井的位置相對較遠、單獨架設光纜費用較高、無線傳輸可視條件差的現狀，我們選取數傳電臺作為水源井設備的通訊方式。

（2）Zigbee 無線通信方式

Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議。針對油田井場區域小、數量多的特點，我們選取ZigBee的低成本、短距離通訊方式實現井場內配水間與井場主RTU的通訊，設備則選擇了國內技術較為成熟的Super32-L系列RTU。

（3）光纖、無線網橋綜合使用通信方式

2005年我廠開始進行大規模網絡建設，經過幾年的建設，已經形成了覆蓋全廠各單位的網絡，目前光纖已接入大多數站點，井場通過光纖和無線網橋的綜合使用也具備網絡通訊能力，可以為采油廠數字化監控系統提供數據通道。

3 檢測儀表與執行機構的選擇

3.1 磁電/電磁流量計

對于注水站這樣的生產現場，由于本站采集的參數和控制點相對較少，主要對下游配水間進行加壓、供水，同時設備安裝在室內，有人值班，所以站內流量儀表通常選用具備流量監控并自動累積功能的流量計，即：磁電/電磁流量計。

3.2 高壓穩流自控儀

穩流配水技術是通過設定流量，控制器把瞬時流量值和設定值進行比較，若該差值大于死區規定的范圍，控制器就會發出指令，驅動電機正旋或反旋來調節閥門，使瞬時流量值接近或等于設定值，對單井配注量進行自動調節，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

穩流配水技術可以克服單井注水量相互干擾、環網注水因壓力波動而產生的注水量超、欠問題；穩流配水閥組在工廠預置，現場組裝工作量小，建設周期短，能夠加快投轉注速度。該裝置結構簡單、重量輕，可以整體搬遷，能夠適應長慶油田超前注水開發需要；穩流配水閥組無需隨時進行人工調節，實現了無人值守，生產崗位較少，生產管理費用較低。

4 數字化注水監控系統的實現和應用

4.1 現場監控工作站軟件設計

系統軟件設計采用注水過程管理的思想，注水站、聯合站注水系統對站內以及上下游數據進行采集；調控中心通過數據庫調用能夠顯示整個作業區注水系統的全局畫面，通過多級畫面切換實現各級注水情況監控的目的。

4.2 注水站軟件界面介紹

軟件操作畫面的設計采用主菜單的形式，每幅畫面通過菜單按鈕進行切換，站內軟件能夠實現對注水站內、上游水源井、下游注水站參數采集，同時能夠實現水源井啟停、遠程配注等控制功能。

注水站主界面：顯示注水站內來水流量、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，實現水源井出口流量、泵電參采集，能夠遠程啟停水源井。

注水井配注界面：能夠監控注水站干線來水流量、壓力，配水間分壓、總瞬時流量，同時能夠采集每一口注水井管壓、注水瞬時流量、累積流量，可以實現配水量設定，進行注水井遠程配注。

4.3 作業區調控中心軟件界面介紹

全區注水界面（一級界面）：作業區調控中心一級界面能夠直觀顯示全區目前注水基本狀況，其中包括水源井運行狀態、排量，各注水站水罐液位以及干線壓力、排量等參數。

二級界面：二級界面分別包括水源井數據監控界面、注水站數據監控界面以及各干線監控界面，它們分別詳細地將水源井、注水站、注水干線數據進行顯示，數據與注水站所采集的一致。

三級界面：三級界面主要顯示各單井點配水間壓力、流量、配注量、超欠注等參數，通過三級界面的監控達到根據全區注水情況調節供水、注水，根據注水井壓力調節系統壓力，對產水量、注水量實時監控，使數字化在精細注水中發揮作用。

5 結論與展望

5.1 結論

注水是油田生產過程中非常重要的生產環節，過程涉及多種工藝，其自動控制的程度代表了數字化在油田應用的水平。通過采油三廠在注水井、站應用數字化監控系統，效果良好，取得了幾點認識。

對生產工藝過程準確分析是設計數字化監控系統的前提。油田注水系統生產過程包括壓力、液位、流量等多個參數的控制，系統壓力與流量相互影響較大，所以控制方案必須選擇合理，否則會出現誤差，甚至導致系統不能穩定運行。

系統設計的目的在于通過技術手段解決目前因生產管理結構導致的注水系統運行與管理的脫節問題，通過對水源井、注水站、注水井系統性的管理達到精細注水、安全注水。

檢測儀表和執行機構的選擇是自動化設計的第一步，是保證整個系統正常運行的基礎，我廠根據系統控制的要求，結合現場管理實際選擇了檢測儀表與執行機構，選用合理，運行可靠。

5.2 展望

本系統的投用，有效保證了注水系統的平穩性、安全性，極大地減輕了工人勞動強度。但由于監控點的供電、網絡、設備穩定性存在缺陷，在監控數據的穩定性方面還不是很理想，仍有許多工作有待完成。

對系統穩定性進行研究，通過網絡、電路的優化保證系統運行的基礎穩定，同時不斷對現有穩流自控裝置的運行環境、可靠性進行優化。

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