油田配注系統監控技術研究及效果

大慶油田有限責任公司第五采油廠

隨著三次采油的不斷深入，油田聚合物配制站逐步成為地面建設的重要站場[1-2]。大慶油田某采油廠采用“集中配制、分散注入”的布局方案，聚合物配制站、配注站和注入站是這一布局中的主要環節。為提高工作效率、實現管理提升、解決井站數量日益增加與人員用工緊張的矛盾，探索配注體系“崗位整合、區域監控、無人值守”的新模式具有重要意義。為此，結合數字化建設需求，創新開展了配注系統無人值守、有人巡檢的區域監控建設，可為配注系統數字化運行模式提供參考依據[3-5]。

1 配注系統建設現狀

當前某采油廠配注系統采用的是配注分離的方式，在配注站調配滿足濃度要求的聚合物母液，經外輸泵輸送到各個注入站，工藝流程如圖1所示。每個配制站通過并聯管線負責多個注入站的母液供給，母液暫存在注入站的母液箱，注入站再根據各井的注入濃度、注入量的需求調配母液與水的比例，然后對開發區塊進行單井注聚。目前該采油廠共建有5座配制站、1座配注站、21座聚驅注入站，為開發區塊進行科學注聚。

整個配注系統目前為分散管理。5座配制站、1座配注站由Y大隊統一管理，主要采用“清水—分散—熟化—外輸—過濾”短流程配制工藝。其中A1配制站、B配注站為單獨建設，A1、A2、A3、A4配制站均依托聯合站建設。共建有熟化罐41座，各類機泵44臺，分散裝置13套，粗濾和精濾共20套，原有值班室操作人員共56人，上料和加藥人員10人。各注入站分別隸屬不同的礦大隊，其中E區5座注入站為單獨建設，F區3座注入站停止注入轉為水驅，其余11座聚驅注入站依托聯合站建設。

圖1 配注系統工藝流程Fig.1 Process flow of injection distribution system

2 存在的問題

（1）配注系統管控體系分散。M開發區的5座配制站、1座配注站由Y大隊管理，各注入站由不同的礦大隊管理，管控體系分散，參數整合不直觀。配注系統由于分崗設置，面臨老站人員配置較多與新建站用工緊缺的矛盾。

（2）部分站場存在監控點位不完善問題。對照配制站集中監控標準，部分站存在控制點位缺失問題。同時配制站分散設備存在控制缺陷，上水電動閥由分散控制柜控制和供電，當分散運行時上水閥打開，全站失電后，電動閥開度保持不變，來水罐液位高于分散溶解罐，配制水持續自壓進入分散溶解罐內。溶解罐容積僅1 m3，約2 min滿罐，應急需30 min到現場，存在冒罐風險。

（3）部分站網絡通信系統不健全。部分站通信網絡依托聯合站網絡建設，未能形成工業環網。另外，獨立建設的注入站由于建設時間較早，未連入生產網絡，數據只傳輸至本崗位控制室，無法滿足區域集中監控需求。

3 無人值守技術路線

3.1 配制站區域監控無人值守

3.1.1 整體技術架構

考慮已建5座配制站、1座配注站均由Y大隊統一管理，構建了配制站以Y大隊為中心的“區域監控、無人值守、有人巡檢”整體架構（圖2）。對站場進行自控系統及通信網絡改造，在Y大隊設置中心監控室，在中心監控室實現各配制站的遠程監控；同時預留通信接口，實現全部配制站的區域集中監控。

3.1.2 完善控制點位

（1）為確保無人值守站場安全平穩運行，需對站場控制點位進行完善。首先按照配制站生產過程參數采集監控需求對各站場進行控制點位完善，同時結合現場實際需求，在分散裝置上水管線處新增常閉式電磁閥，配電與分散裝置配電同源，實現停電關進水功能，規避冒罐風險。增加點位后配制站生產過程參數采集監控需求見表1。

（2）根據數字化建設總體安排，對M開發區配制站區域集中監控完善工程進行設計。在某采油廠Y大隊辦公區院內，拆除已建庫房2間，車庫4間，原址擴建中心控制室1座，作為Y大隊作業區管理中心。先期各站已具備無人值守條件時，在Y大隊一樓會議室設置臨時中控室，新建通信機柜、服務器機柜、工控機、操作臺、以太網交換機、UPS電源等設備，實現轄區內6座站場的生產流程顯示及監控，方便統一操作及管理。

3.1.3 完善網絡通信

為滿足配制站區域監控通信可靠性，結合各場站具體位置以及通信業務量需求，5座配制站、1座配注站、H中心及Y大隊通信系統網絡拓補結構采用以環狀網絡為主、星型網絡為輔的方式[6-8]。其中5座配制站、H中心采用有線光纖通信方式接入廠生產環網；Y大隊及配注站為星型網絡結構。通信系統采用以光傳輸匯聚層設備為主、工業以太網交換機為輔的方式接入中控室傳輸網絡，站外光纜采用架空方式敷設，站內采用穿管埋地方式敷設，環網結構如圖3所示。

3.1.4 完善控制方式

圖2 配制站區域集中監控架構Fig.2 Regional centralized monitoring architecture of preparation station

完善各站場控制點位及網絡通信系統后，將對各配制站及配注站進行控制系統遷移。現場保留原有控制系統上位機，在Y大隊臨時中控室新建上位機，方便巡檢人員現場查看控制參數，同時確保在現場、中控室均可進行監控。

各配制站（除A1區配制站）上料由原有的人工上料改造為密閉除塵自動上料，員工僅需每隔一定周期將原料倒入料池中即可，大幅降低了巡檢上料人員的勞動強度。

3.2 注入站區域監控無人值守

采油廠注入站管控模式有兩種：針對單獨建設的E區5座注入站采用“中心站集中監控，其他站無人值守”模式，針對依托聯合站建設的注入站采用了“大聯合站”模式。

3.2.1 注入站區域監控模式

E區5座注入站為過去建設的有人值守注入站，每個站配置值班及巡檢人員10人。集中監控改造提出了“中心站集中監控，其他站無人值守”的模式架構。

2013年12月，E區5座注入站進行了站場無人值守改造風險分析，站場存在安全隱患。一是不滿足控制系統功能的需要。控制系統無冗余，E區5座注入站分別在集中監控室配有5臺計算機，每臺計算機只能監控單座注入站的數據信息，一旦某計算工機出現故障，相對于單站無法實現監測及控制，存在一定安全隱患。二是不滿足重要監測點位的需要。E區5座注入站存在部分重要場所監測點位缺失現象，不利于中控人員巡視、掌握設備的工作狀態，同時站內部分壓力、溫度、液位等信號無法遠程監控，不便于生產管理。具體存在問題如表2所示。

（1）完善注入站遠程控制功能。針對5座注入站目前部分設備無法遠程監測控制，不能滿足集中監控的需求，新建柱塞泵出口回流DN100電動閥58臺，控制電纜3 km，數字量輸出模塊8塊，控制系統軟件調整1套；對1#、2#、4#、5#注入站母液槽液位進行遠程控制改造，新建模擬量輸出模塊4塊，控制電纜200 m；將1#～5#注入站排污罐液位計更換為5套連續液位檢測裝置，新建新建模擬量輸出模塊5塊，控制電纜300 m；將1#、2#、4#、5#注入站的4套聚能加熱裝置與中控室操作站進行通信，增加聚能加熱裝置參數顯示及報警畫面，控制系統軟件調整1套。需完善控制點位如表3所示。

（2）完善注入站遠程監測點位。針對注入站分段匯管壓力參數、部分機泵運行狀態參數以及部分流量參數在3#注入站集中監控室無法監測的問題，在3#注入站循環水泵、排污泵后安裝壓力變送器4臺，電量變送器4臺，控制電纜200 m；對1#～5#注入站分段匯管安裝壓力變送器20臺，模擬量輸入模塊1塊，控制電纜400 m；對1#～5#注入站總母液、清水流量計進行改造，更換15臺流量計智能表頭，新建RS485通信模塊5塊，重要設備參數點位統計如表4所示。

（3）完善傳輸網絡。5座注入站采用集中控制方式管理，為了保證控制數據及語音通信的可靠性，新建通信系統采用TCP/IP環形網絡拓撲結構，利用原有局域網通過光纜以及在各站設環網交換機構建成光纖環網。增設網絡數據訪問權限，加強網絡安全性。

（4）完善站場監控模式。將E區高濃度聚驅3#注入站設為集中控制中心，1#、2#、4#、5#注入站為無人值守。中央控制室內設置5套操作員站、1套工程師站。操作員站分別負責1#～5#站，工程師站負責集中管理。每座注入站采用成熟可靠的PLC控制系統，采集和監控本站工藝參數，1#、2#、4#、5#注入站設置觸屏操作平臺，以方便巡檢和維護。無人值守SCADA系統上位機程序使用Citect 7.2進行編寫。編制工藝流程、運行數據、當日報表、報警、趨勢、參數修改、報表打印、歷史查詢等頁面，用以實現1 641個數據點位的顯示、控制、報警、趨勢、打印等功能。下位機為OPTO 22，實現所有數據采集及運算、聯鎖保護、順序控制、連續控制、通信等功能，并將下位機采集與控制的所有數據點位增加掉電保持功能，以防止通信故障時調節閥門關死或無故停泵等生產故障。

表2 E區b1～b5注入站監測控制點位情況匯總Tab.2 Summary of monitoring and control points of b1 to b5 injection station in E Area

表3 注入站完善遠程控制點位Tab.3 Perfecting remote control points of injection station

表4 注入站完善重要設備參數點位Tab.4 Perfecting important equipment parameters of injection station

E區5座注入站采用集中控制后，在注入站中心控制室設置了服務器、操作員站、視頻監控系統，采集了5座注入站各個崗位的液位、壓力、溫度、流量、電流、電壓、電量、電動機狀態等共計1 300多個監測點位數據。

3.2.2 “大聯合站”站隊合一模式

“大聯合站”采取注入站中控室與聯合站中控室合并，站場集中監控和區域集中監控整合，將注入系統納入聯合站的管理中，注入站單站無人值守[9]，最終實現在聯合站中控室對油水處理到配制注入的全過程控制。“大聯合站”模式架構如圖4所示。

圖4 “大聯合站”站隊合一模式架構Fig.4 Station-team integration mode structure of"big multi-purpose station"

4 應用效果

（1）控制方式轉變。截至目前某采油廠配制站已實現以Y大隊為中心的區域集中監控，注入站除E區3#中心站有人值守外，其余注入站均為無人值守。其中考慮配制站作為大型站場的特殊性，中控室搭建完成后，前期采用“單站白天有人值守，晚上無人值守”的管控模式，系統運行平穩及人員適應后升級完善，將控制模式轉變為“區域監控、無人值守、有人巡檢”。

（2）巡檢方式轉變。Y大隊所轄配制站、配注站實施區域集中監控后，巡檢方式由單一的人工巡檢轉變為人工巡檢、微機實時巡檢、視頻輔助巡檢相結合方式，降低人工巡檢次數，建立巡檢點位等級化、巡檢方式多樣化的巡檢新模式，最大程度地滿足了區域集中監控的管理需求；注入站巡檢由所屬礦隊實施專業化巡檢。

（3）管理模式轉變。一是將各配制站所有化驗人員劃歸到中心化驗室，進行集中化驗、統一管理，在人員總量不變的情況下，承擔所有配制站化驗工作，解決了新站投產需另配化驗人員的問題。二是將原各站維護及上料人員整合，成立專業化站隊負責Y大隊全部集中監控站場的設備保養、站庫巡檢、站內清潔等工作。

（4）實現減員增效。配注系統有人值守與無人值守相比，5座配制站、1座配注站值班人員由原來的66人優化到12人，其余54人補充調整到一線其他崗位，節約用工81.8%；16座聚驅注入站按有人值守計算值班人員136人，無人值守時可優化到58人，其余78人補充調整到一線其他崗位，節約用工57.4%（注：2014年無人值守站場設計時已規定了注入站無人值守生產過程參數采集、監控需求）。

某采油廠配注站場實現無人值守后，節約運行人員132人，以用工成本13.6萬元/人計算，年節約人工費用1 795.2萬元，大幅度緩解了一線生產用工壓力，實現降本增效。

5 多站區域監控與單站集中監控區別

單站集中監控中心控制室與各崗位相隔較近，以聯合站集中監控系統為例，所有崗位與中心控制室相隔在300 m以內，當崗位設備需要調節或出現異常時，操作人員或巡檢人員都可在2～3 min內趕到現場操作，控制系統更注重可控性、應急性；多站區域集中監控時，中心控制室與各RTU小站間隔較遠（1 km以上），當小站設備需要調節或出現異常時，巡檢人員很難及時到達現場操作。因此系統在可控性的基礎上還必須強化安全性、可靠性、適應性。

5.1 系統安全性

（1）硬件安全性。現場儀器儀表要具有隔離、防爆、抗干擾等能力；RTU控制器必須具有可以適應特殊應用環境的綜合功能和穩定的性能，能夠長時間安全、可靠運行。

（2）軟件安全性。單站RTU數據中斷時，具有數據掉電保持功能，防止調節閥門關死或變頻停泵等生產故障的發生。

（3）網絡安全性。強化網絡防護措施，安裝多元網絡防火墻；網絡數據傳輸使用各項加密措施。

5.2 系統可靠性

（1）硬件可靠性。使用工業環網交換機；中央控制層數據服務器要實現雙機或多機熱備，避免因為服務器出現故障而引起操作上的滯后，提高系統可靠性；各類采集控制模塊要有高精度、高速率、高可靠性；系統必須安裝不間斷電源UPS等設備。

（2）軟件可靠性。系統上、下位機程序開發會隨著系統規模的增加而變得繁瑣和復雜，使得可靠性難以保證，必須對程序運行長期跟蹤以增強其可靠性。

（3）網絡可靠性。中央控制層采用實時網絡冗余協議，構建冗余光纖環網[10]。

5.3 系統適應性

（1）硬件適應性。控制器與模塊能夠使用相應的擴展模塊進行功能擴展。硬件配置要考慮升級和擴容能力，方便日后系統的維護和升級改造。

（2）軟件適應性。系統應采用目前廣泛應用、成熟可靠、性能穩定的開發平臺，系統操作界面漢化，應用軟件應符合國內的管理和操作模式。

（3）網絡適應性。中心控制層與小站RTU通信采用國際標準協議；RTU必須提供標準化、開放化的通信接口、協議接口、軟件接口和數據接口；可以充分適應SCADA系統應用領域中的網絡條件和I／O點環境。

6 認識及建議

（1）目前注入站普遍依托聯合站實現集中監控，建議在數字化建設完成后，將注入站生產參數上傳至各作業區管理中心，實現以管理中心為依托的注入站管控模式，將注入隊整合后集中管理，進一步提質增效。

（2）目前按注入站無人值守運行經驗來看，傳統以交換機為節點的網絡傳輸存在故障率高的問題，建議采用分組交換或同步傳輸方式，增強網絡穩定性，減少故障頻率。

（3）配制站母液配制完成后經管線外輸至多個注入站，當配制站母液外輸量降低時，由于注入站距配制站距離不等，存在注入站爭液現象，嚴重時無法保證注入站內母液儲箱液位。建議對注入站來液處流量計與控制閥進行聯動控制，當母液外輸量減少時可平衡各站進液量，控制改進思路如圖5所示。

圖5 注入站來液控制改進思路Fig.6 Improvement ideas of liquid control in injection station

大慶油田已全面進入三次采油的開發階段，配制系統正扮演著越來越重要的角色。區域監控、無人值守等技術的應用對配制系統地面管理模式的優化簡化、突破技術瓶頸有著重要作用。配制站區域監控、無人值守、有人巡檢，注入站無人值守的管理模式，減員增效效果顯著，為數字化油田建設中配注系統建設提供了改進方向。