基于無線傳感器網絡及GPRS的水質監測系統設計

李軍 李剛 李斌 徐海亮 趙永杰

（勝利油田有限公司河口采油廠 山東省東營市 257200）

油田注水開采是采油生產的一種重要方式，是油田開發穩產的基礎，確保注水水質達到規定要求是保證油田注水順利實施的前提。研究注入水的水質指標是否適合所開發的油藏地質特點關系到油氣正常生產，是降低運行成本，提高經濟效益的重要內容之一。

1 注水水質對油田注水的影響

目前國內油田開發大多處于二次采油開發階段，地層的能量主要依靠注水進行補充，注水質量直接原油產量。油田注入水指標是否達標是影響注水質量重要因素，注入水指標主要包括含油量、懸浮物、垢離子、有機物、微生物、溶解氣體等因素，其中懸浮物濃度對油田注水影響最大，尤其是對低滲透油田。油田注水水質對于有嚴格的指標控制，注入層滲透率不同要求的懸浮物濃度也相應不同，注入層滲透率越低對水質的要求越高，對于滲透率0.01μm2～0.05μm2的，要求懸浮物濃度低于2mg/L，對于滲透率低于0.01μm2的注入層，要求懸浮物濃度低于1mg/L。

懸浮固體通常是指在水中不溶解而又存在于水中不能通過過濾器的物質。其對油田注水的影響主要在以下幾個方面：油田注水中懸浮物主要包括有機物、粘土、化學沉淀或微生物等物質，易在井筒表面形成濾餅，使井筒變窄。懸浮物濃度過高時會堵塞井下滲流孔道，影響注水井井底的吸水能力。固體顆粒進入油層造成孔喉堵塞，造成油層傷害。固體懸浮物沉積在射孔孔眼內，堵塞注水或出油通道。在重力作用下沉積在井底，產層厚度減小。

低滲透油田區塊在采油廠占有較大的比例，因此急需提高注水水質，對懸浮物顆粒進行過濾，降低固體懸浮物的濃度及粒徑保障注水質量，進行注水水質監測是保障注水質量的有效手段。

2 現階段油田注水水質檢測現狀

水質處理主要經過重力沉降，粗濾（石英砂），精細濾（金屬膜），緩沖后進行外輸。通過濾器不同級配，滿足不同水質要求。以天然氣密閉，綜合投加化學藥劑為主的水質穩定工藝。目前采油廠水質檢測采用人工檢測方法，其中懸浮物濃度檢測主要采用常規水質檢測儀器稱重法。該檢測方法取樣周期長，監測不及時，人工化驗有誤差，懸浮物濃度人工化驗一個水樣耗時2 小時，工作量大、耗時長。

通過對油田現場多個站點采集的水樣進行分析，部分站點存在懸浮物固體達標穩定性較差（圖1），究其原因主要是水質檢測采用人工取樣檢測，時效性、穩定性較差，不能及時指導改變工藝參數，導致水質指標穩定性較差，因此需要實時跟蹤檢測固體懸浮物濃度，研究并應用水質在線監測技術，提高水質檢測的連續性與準確性。

圖1：油田現場部分站點懸浮物濃度指標情況

圖2：水質在線監測采集工作原理圖

圖3：儀表檢測數據與人工化驗數據對比

3 水質在線監測技術原理

水質在線監測采用光散射及光障礙原理，傳感器上發射器發送的紅外光在傳輸過程中經過被測物的吸收、反射和散射后僅有一小部分光線能照射到檢測器上，透射光的透射率與被測污水的濃度有一定的關系，因此通過測量透射光的透射率就可以計算出污水的濃度。傳感器發送光波被懸浮物顆粒吸收、反射和散射，部分投射光線能照射到180°方向的檢測器上，部分散射光散射到90°方向的檢測器上。在180°和90°方向檢測器上接收到的光線強度與被測污水的濁度有一定的關系，通過測量投射光和散射光的強度可以計算出懸浮物濃度。

傳感器通過連接管連續獲取管道或儲罐內注入水樣品，采用光散射及光障礙原理將注入水中懸浮物濃度以光強度信號體現，并將光強度信號轉換為電信號信息傳送給變送器。傳感器采用取樣方式測量管道或儲罐內注入水懸浮物濃度，不受樣品流速和壓力的影響，并補償環境產生的影響，可以實現連續測量，精度符合計量要求，易于搭建在線測試平臺。

為適應油田注水現場需求，開發了多種類型的水質在線監測系統安裝方式。傳感器通過不同的設計可以應用在不同的現場中測試懸浮物濃度，流通式懸浮物濃度計適合應用在流通管匯上，將傳感器安裝在取樣閘門后端，通過控制閘門開度控制通過傳感器的注入式流速；投入式濃度計適用用于水池、水罐等流體靜止的場所；便攜式濃度計適用于采集室外多個樣點數據。通過多種形式的傳感器安裝方式，適應了油田現場各類注水場所的需求。變送器與傳感器采用分體式安裝，變送器安裝在控制室或現場的控制柜內，與傳感器之間采用信號線連接。變送器處理采集到的電信號，同時顯示測量值、輸出電流、時間、濁度百分比等多參數，采用兩點標定法，可糾正傳感器誤差，并設置4-20mA 變送輸出、繼電器高、低報警控制輸出、RS485 通信輸出等各種變量輸出，系統智能控制。

4 基于GPRS的水質在線監測數據采集及傳輸

采用RS485 通信將變送器信號采集到控制室內的RTU 或PLC內，并在站內上位機顯示懸浮物濃度信息，方便現場操作人員實時了解注入水水質情況。最終采用GPRS 無線連接方式，將PLC 內的懸浮物濃度數據上傳至控制中心后臺服務器。后臺服務器存儲獲取的現場儀表數據，進行組態編程并發布到網絡。后臺服務器搭建水質在線監測平臺，實時監視現場水質變化情況，并設置趨勢及預警系統，方便工作人員及時發現水質異常狀況，提高油田現場注入水水質。水質在線監測采集工作原理圖如圖2 所示。

5 水質在線監測系統的運行效果

為驗證水質在線監測技術應用效果，在渤南油田注水站點應該技術進行水質監測，傳感器采用流通式懸浮物濃度計安裝方式，將傳感器安裝在注水罐出口管線上，并將變送器安裝在現場控制柜內，測量的懸浮物濃度信息通過網絡信號實現遠程傳輸。經過一年多的現場跟蹤應用，該水質在線監測儀表運行穩定，獲得了穩定、連續的懸浮物濃度數據。通過儀表與人工取樣進行數據對比，最大相對誤差17.3%，平均相對誤差1.2%，化驗數據與在線監測數據誤差在允許范圍內，達到了實時水質實時在線監測的目的。儀表檢測數據與人工化驗數據對比如圖3 所示。

6 總結

水質在線監測技術與常規水質化驗方法相比具有操作簡單、測量精度高、適用于現場檢測等特點。實現了水質實時監測、實時預警預報。為工作人員提供了準確的、實時的生產依據，有效提高了注水水質，減少了注水對油層的傷害。水質在線監測技術的應用創造了巨大的經濟效益及良好的社會效益。