遠程注水控制監測系統在油田應用的研究

張波（中國石油長慶油田分公司第一采油廠）

遠程注水控制監測系統在油田應用的研究

張波（中國石油長慶油田分公司第一采油廠）

針對油田注水泵機泵運行效率不能連續監測，為了提高供電系統的功率因數，節約能源，常常調高高壓同步電動機的勵磁電流，易造成能耗嚴重損失，影響正常生產。因此，需對大型機泵的運行狀態進行監測。根據現場監測分析，采用遠程油田注水控制監測系統可實現注水泵的運行狀態的實時監測、診斷和控制，實現恒壓注水功能以及機泵效率實時自動計算，大大提升了油田注水的管理水平。

遠程控制；注水監測；電參數

目前國內油田開發時間長，地層滲透率低，注水壓力高，存在注水設備老化、機泵效率低等問題，為了加強對注水工藝的量化、精細化管理要求，進一步分析注水泵在運行過程中由于壓力波動、流量波動、回流量等因素影響的能耗變化原因，有針對性地提高機泵運行效率，在注水站采用遠程油田注水控制監測系統的現場應用。

1 系統特點

遠程油田注水控制監測系統（簡稱系統）是借助于現代計算機技術與傳感器技術，通過對工頻、變頻注水泵電參數的超高速采集分析，實時監測輸入流量、輸入壓力、輸出流量、輸出壓力，對注水泵運行狀況進行綜合評估的系統。

系統特點：基于鍵相的高速電參數采集系統，能以每秒12 800組數據的速度采集計算電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率和功率因數。高速的采集能力解決以往變頻器輸出無法測量的難題，使注水系統的能耗和效率計算更加準確；高速采集的電參數曲線，可顯示電動機、皮帶、皮帶輪、曲柄連桿系統、柱塞、閥門工作中存在的不平衡，這往往顯示是泵效下降、運行壽命縮短。高速的電參數據和鍵相數據，可用于計算分析泵的理論排量、電動機效率、泵效率，以及泵的體積效率和壓力效率，這對于分析泵組能耗構成非常重要。

2 系統工作原理

傳感器的布控與注水機組工作環境有緊密關系，應確保傳感器可以準確傳遞參數信號，傳感器的主靈敏軸應該與被測對象的測量方向一致；注水機組由注水泵與電動機兩部分構成，軸承部分、地基、泵體等部位可以選擇壓電式傳感器。系統應滿足檢測油田注水信號，并且結合時域與頻率分析，探測機組運行狀態與故障發生位置，為機組故障診斷與維護提供技術依據。

2.1 系統總體設計

系統主要用于注水站注水泵進行系統能耗監測，計量電量、監測泵組系統效率，用于全天實時測試電動機相關參數的無人值守自動監測系統（簡稱自動監測系統）。該系統由多個數據采集點組成無線傳感器網絡，數據通過GPRS網關傳輸到遠程監控主機上，整個監測系統架構如圖1所示。

2.2 系統工作模塊

監測系統由現場傳感器及數據采集器、通訊鏈路和監控服務器三大部分構成：服務器安裝于作業區機房，運行Windows Server系統SQL數據庫，服務器運行的系統專用數據接口驅動程序，對所有監測的泵運行數據進行收集，存儲至數據庫中；可隨時通過客戶端程序，遠程查看數據庫中的實時數據、報警信息以及歷史趨勢數據，從而實現對注水泵的運行狀態和運行效率的監測和控制。

圖1 監測系統架構

網關具有GPRS功能，可以把該網關內所有數據實時傳輸到遠程監控主機，傳感器節點根據設置指令定時開始采集溫度、扭矩、振動等參數的數字信號以及電動機扭矩信號并儲存，同時也可以實時通過網關傳輸到遠程監控主機上，由監測軟件進行轉換、分析，進而實現單井產液量分析、工況診斷及電動機扭矩等功能。根據系統的工作環境，按寬溫型（－40～85℃）設計，提高數據采集存儲的可靠性，內置精密時鐘芯片，在每10 min至1天采集一次數據（可按需求設置采樣時長）。系統監測模塊見表1。

表1 系統主要模塊

3 現場應用研究

現場傳感器配置情況主要是對各個控制單元的節點實施數字信號的變送（圖2），同時系統可以設定一種或幾種工作模式：周期采集，設定采樣間隔及每次采樣長度；事件觸發，設定事件觸發的門限值，達到門限值開始采集；連續采集，持續采集并實時傳輸到監控中心。

1）對注水泵運行狀態的實時監控，現場可通過觸摸屏查詢三相電壓、電流、有功功率、無功功率等電參量，并能實時顯示溫度、壓力、流量及泵組效率等狀態參數及趨勢線，為現場工作人員及時監測機泵的運行狀態提供了條件。

2）利用服務器對現場監控數據進行存儲和發布，實時提供設備工況信息，在油田局域網絡范圍內可遠程監控注水機泵工作狀態。

3）預警保護。基于鍵相高速采集的數據，可用于分析機泵運行過程中的各類異常信息，在設備出現故障前進行預警。

圖2 系統現場傳感器配置情況

4）電參數監控（圖3）。現場傳感器主要采用智能型三相電參數數據綜合采集模塊；三表法準確測量三相三線制或三相四線制交流電路中的三相電流、有功功率、無功功率、功率因數、正反向無功電度等電參數。

圖3 現場電參數測試監控

通過使注水系統的壓力維持在較低的壓力上，則可有效地節約能源，提高效率。針對變頻器驅動的注水泵，實現了恒壓注水，可以利用PID控制器，通過設定注水壓力，關閉注水回流，有效降低了能耗。

整個系統可以遠程控制，有兩種采集模式：按時采集，設定的采樣時間段及采集的間隔；手動控制采集，根據需求，用戶發送采集命令開始采集。對各項測得的曲線，利用計算機進行分析，自動計算注水泵的管線損失率、閥組損失率、注水泵效率、注水機組效率、注水站效率等參數、網管損失率等參數[1]。與此同時，利用IPTS注水能耗監測系統對注水泵運行參數的實時監控，可對注水泵的運行狀態作以評估，對于運行中出現的測量參數超過上、下限的工況，立即以報警形式通知注水泵管理員，由管理員進行異常工況的處理。三撬注水站一號泵啟用恒壓注水技術后，與之前相比，注水系統效率從41.06%上升到52.41%，注水單耗下降了1.69 kWh/m3，日節電達到1968 kWh。

4 結論

1）采用遠程油田注水控制監測系統實現了對注水站注水泵機組的電參數、壓力、溫度、流量的自動化監測與數據上傳。

2）系統實現了可在現場及遠程對注水泵的運行狀態的實時監測、診斷和控制，實現無人值守。

3）系統實現了恒壓注水功能以及機泵效率實時自動計算，節省了大量的注水設備管理工作量。

[1]雷文慶，張曉東，張海峰.注水井智能監測系統在油田的應用[J].油氣田地面工程，2015，34（12）：63-64.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.01.003

2016-12-01

（編輯 莊景春）

張波，工程師，2016年畢業于西安石油大學（機械采油專業），從事油田節能技術管理工作，E-mail：xaute@126.com，地址：陜西省延安市河莊坪長慶油田公司第一采油廠，716000。