低滲透油田智能注水關鍵技術實踐與探索

姚宇婧 王衛娜 魏子杰 李勇 李悅

[摘 要]本文針對低滲透油田注水系統在數據監測完整性、注水設備管理、系統聯動控制、節能降耗等方面存在的問題，在長慶油田對注水泵本體監控、注水泵PID連鎖控制、水源井變頻調控、注水井遠程控制、注水系統監控平臺開發等智能注水關鍵技術進行探索與實踐，以實現油田智能注水系統升級，優化管理組織機構，有效降低能耗，提高油田開發水平和管理水平。

[關鍵詞]低滲透油田;智能注水;本體監控;PID連鎖控制;變頻調控;監控平臺

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.22.038

[中圖分類號]F270.7[文獻標識碼]A[文章編號]1673-0194（2020）22-00-02

0? ? ?引 言

油田注水是油田開發過程中向地層補充能量、提高油田采收率的重要手段之一。隨著信息時代的到來，注水系統工藝流程由原來的手工操作逐漸演變為自動化操作，但目前長慶油田注水工作面臨監測數據不完整，系統管理不完善，智能調配能力不足，與油井生產聯動性管理較弱等問題，影響油田整體開發穩產。因此，實現注水系統智能化，對油田開發穩產、油田智能化管控水平提升意義重大。

1? ? ?油田數字化現狀

1998年初，艾伯特·戈爾（Albert Arnold Gore Jr.）首次提出“數字地球”的概念，在全球引發了數字油田技術研究熱潮。智能油田在數字油田的基礎上，充分利用大數據和物聯網等新一代信息技術，為油田生產和管理提供了有效的方法。比如，BP公司開發出集數據、專業軟件以及研究成果于一體的管理平臺;斯倫貝謝公司發布了DELFI勘探開發認知環境，提供了一個開放、共享的云端平臺，推進勘探開發全過程協同與優化。長慶油田在當前發展過程中面臨著油藏品質低（低滲-特低滲儲層）、管理難度大、安全環保風險高等問題。自2009年長慶油田開展數字化建設以來，通過對油水井數字化建設及無人值守站點進行改造，目前油田數字化已基本實現全覆蓋，完成企業資源計劃系統、網絡安全與信息安全系統以及交互式信息與高清視頻會議系統上線等。這些成就為開展低滲透油田智能注水關鍵技術研究奠定了基礎。

2? ? ?智能注水關鍵技術

2.1? ?注水泵本體監控技術

注水泵本體監控技術主要通過安裝在設備表面的傳感器及安裝于供水泵房的數據采集器，實現設備運行時振動和溫度數據的采集，通過系統軟件處理和分析數據，并傳輸至服務器，進行設備故障診斷，為運維檢修決策提供數據支撐。本文主要從硬件部署、數據應用、數據管理3方面分析該技術。

2.1.1? ?硬件部署

規范測點布置原則，離心泵在電機自由端（1H）、電機負荷端（2H）、泵驅動端（3H）、泵自由端（4H）4處進行測點布置，柱塞泵在電機自由端（1H）、電機驅動端（2H）、曲軸箱驅動端（3H）、曲軸箱自由端（4H）、活塞輸入端（5A）、活塞輸出端（6A）、十字頭（7V）7處進行測點布置，實現設備運行時振動和溫度數據的采集。

2.1.2? ?數據應用

①設備故障診斷。通過分析采集的數據進行設備故障診斷，實現對泵設備全生命周期的智能化管理。②設備狀態判斷。分析采集數據，判斷泵運行狀態，主要有正常、注意、警告、報警、危險5種狀態。

2.1.3? ?數據管理

配套系統軟件，滿足現場設備對設備監測和故障分析，數據管理系統由設備管理、綜合分析、統計報表、系統配置和系統自診斷5大模塊組成。①設備管理模塊。通過數據預覽分析泵的狀態，實現對泵狀態的實時監測。②綜合分析模塊。通過診斷分析工具，實現泵狀態評估、故障設備診斷分析、檢修泵評估等功能。同時，對部分成熟故障實現智能診斷，并提供相應的診斷結論，包括機組的故障類型、部位、嚴重程度，為現場人員的檢修維護提供依據。③統計報表模塊。查詢及導出已關閉的報警處理信息、系統狀態、待處理故障等數據，其中，報表主要包括體檢報告、診斷報告、停機報告等。④系統配置模塊。系統配置模塊主要用于用戶管理、報警處理超時時間設置等。⑤系統自診斷模塊。通過對此系統自身傳感器、采集站狀態等內容進行實時記錄跟蹤，實現系統自身狀態的受控，保障監測系統正常運行。

2.2? ?注水泵PID連鎖控制技術

注水泵PID連鎖控制技術發揮注水站變頻設備潛力以及數字化控制優勢，根據注水系統工藝流程及工藝設備，對基于注水系統PID控制的恒壓注水控制和環網壓力平衡補償算法進行研究，開發出對應的應用程序，實現相應工藝設備的連鎖控制功能，進而實現設備自動變頻及遠程啟?？刂啤?/p>

2.3? ?水源井變頻調控技術

水源井變頻調控技術通過采集水源井運行狀態、流量、壓力、電壓、電流等重要數據，實現水源井連鎖、水源井自動啟泵、水源井電機保護等功能。

2.3.1? ?數據采集

配備PLC作為水源井數字化一體控制柜，采集水源井瞬時流量、累積流量、出口壓力等數據，實現水源井重要數據的采集功能。

2.3.2? ?智能控制

①水源井連鎖控制。以供注水站PLC為主站，水源井控制器為從站，通過監測注水站或供水站內原水灌的液位控制水源井變頻器改變水源井排量并實現高啟低停功能，同時監控水源井運行狀態，當其遠程控制失效時報警。②水源井電機保護控制。在數字化控制柜中配備智能保護模塊，監測潛水電機的運行狀態并進行診斷保護，當發生超壓、欠壓、過載等情況時，智能保護裝置將自動切斷電源，避免電機發生損壞，實現水源井啟動、卡泵、干抽、過載、缺相、短路、欠壓、過壓、卸載等9項保護功能。

2.4? ?注水井遠程控制技術

利用注水井遠程控制技術可以升級流量測控裝置機械部分、電機部分及控制部分，解決因注水井遠程調配故障導致注水系統遠程調配效率低的問題。

2.4.1? ?機械部分升級

針對目前葉輪式流量測控裝置存在因水質雜導致葉輪阻塞無法準確讀取流量等問題，將葉輪式流量測控裝置更換為電磁流量測控裝置，并在執行模塊部分增加無阻流件，使其在雜物和懸浮物較多的水質環境下不影響其測量精度，確保機械部分不易發生故障。

2.4.2? ?電機部分升級

在原有流量測控裝置基礎上改進電機，并配備電機執行模塊，通過接收智能控制器的信號調節磨輪調節閥，控制流量大小，延長電機的使用壽命。

2.4.3? ?控制部分升級

針對目前穩流配水儀存在測量精度低、電流電壓不穩定等問題進行控制部分升級，在穩流配水裝置計量部分加設無截流部件，使計量精度變高，電流電壓信號穩定，保障控制部分的安全性。

2.5? ?注水系統智能化管理平臺開發

分析注水系統數據監控點，完善現有數據監控數據源，基于水源井、供（注）水站、注水井于一體的注水系統，開發完善的智能注水監控管理平臺。從兩個層面開發注水系統監控平臺：第一層面為全流程監控平臺，主要對水源井、供水站、注水站、注水井實時數據進行分類監控，包括壓力、流量等重要信息，實現對關鍵數據的異常報警;第二層面為智能平衡管理平臺，包括供水、注水以及環網等三大平衡控制，對供水系統與注水系統內的工藝設備進行站內閉環聯動控制，實現水源井到供水站再到注水井的工藝過程監測與水量平衡控制，以實現對供水站、注水站以及相關注水干線環網的宏觀平衡調控，并優化報警管理系統，二次開發報表管理模塊的應用功能，進而實現注水全過程的信息化管理。

3? ? ?實施效果及前景展望

低滲透油田智能注水關鍵技術目前正應用在某百萬噸采油廠中，已形成一套較完整的集智能油田、智能注水等方面的相關技術理論體系，實現了注水系統整體智能化控制，盤活了用工人數，有效降低了能耗，以百萬噸采油廠盤活25人為例，長慶油田預計可盤活勞動用工600人。同時，智能注水關鍵技術將給其他油氣田單位及其他能源領域提供智能技術支持。

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