注入井遠程配水技術的應用及效果

孔維海（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

注入方案的執行精度和執行效率，是保障油田開發效果的前提，傳統的人工巡檢調節工作方式，不僅勞動強度大、耗時時間長，同時也無法做到數據參數的實時監控和采集，當站內泵壓或井口油壓發生變化導致水量變化時，無法及時進行調節，站內或井場有突發狀況時，更不能及時處理。通過設計研發注入井遠程配水系統，該系統依托油氣生產物聯網系統、油井遠程測控終端（簡稱RTU）及控制裝置，對注入系統工藝流程進行改造，實現了注入系統的遠程數據采集、實時監控、遠程水量自動調節及參數異常報警等功能。

1 注入井遠程配水技術

1.1 功能簡介

注入井遠程配水系統由數據采集與控制、數據傳輸、生產監控三個部分組成。數據采集與控制系統通過在注入井口上增配流量自控儀，根據控制系統中設定的水量值，實現水量的自動調節[1]；注入井通過綁定油井RTU，達到對生產數據遠程采集、系統實時監控、參數遠程設定[2]。數據傳輸系統通過與油井RTU 建立心跳包機制，利用通訊網絡將數據傳給上位機。生產監控系統將數據傳輸系統的數據存儲在實時數據庫中，并與油田現有的A2 系統和A5 系統建立關聯數據庫，通過工控機上設置的組態系統實現數據分析、監測與控制。

該系統通過法拉第線圈感應原理進行流量測定，實現了測量管內無阻流，有效降低了因管內堵塞、壓力損失等造成的卡表情況的發生概率；注入井遠程配水系統配備蓄電池，實現了在停電情況下仍能夠連續測量瞬時水量和累計水量；系統配備存儲器，可以實現在信息傳導發生故障時，系統仍然能夠通過存儲器中的設定值進行水量調節。系統設計了日常報表統計與打印，壓力、溫度、液位等參數的監控顯示、異常情況報警燈功能，方便了日常的生產管理。注入井配水系統結構見圖1。

圖1 注入井配水系統結構Fig.1 Structure of water distribution system for injection water well

1.2 數據采集處理

某油田整體監控系統是利用基于TCP/IP 的Internet 進行數據傳輸，由于采用IPV6 無狀態獲取機制，設備上線必須依賴油井心跳機制建立上位機與油井IP 的映射關系，上位機的數據通信通過與連接的采油井RTU 建立基于Socket 的心跳包機制[3]，流量控制系統定時發送信息至RTU，代碼每隔幾分鐘發送一個固定信息給控制終端，控制終端收到后回復一個固定信息并把信息傳輸給上位機，如果RTU 在預定的時間段內未收到信息，則認為流量控制系統斷開。通過心跳包機制系統形成相互監測、相互復位。因此注入井的數據采集傳輸必須嵌入到整體監控系統中，也就是數據訪問通過油井建立的心跳包機制傳給上位機。具體做法是將注入井井口設備與已安裝采油井RTU 通過RS485 通訊線相連，綁定兩者的ID，當上位機訪問該采油井的IP 時，上位機就可以讀取注入井存儲在油井RTU 的寄存地址，采集傳輸注入井數據[4-5]，注入井配水系統數據采集流程見圖2。

圖2 注入井配水系統數據采集流程Fig.2 Data collection process of water distribution system for injection water well

1.3 遠程水量調節

1.3.1 方案設計

為了實現注入系統對來水閥的狀態遠程監測和遠程控制，對應急響應、事故處理的可操作性、可靠性進行分析，提高事故處理的能力，方案設計選用GLZ 型電磁自控儀根據給定的水量設定值實現遠程水量自動調節。電磁自控儀的電動執行機構的主要功能是遠程接收流量所反饋的傳輸信號，接收的數據信號再由RS485 通訊線傳送到油井遠程終端單元（RTU），其輸入電壓為220 V。

充分考慮系統出現停電、數據傳輸故障、注入水礦化度升高或雜質多引起的測量管內徑發生變化、卡表等狀況出現，對控制器進行加裝改造：為了防止發生停電累計流量數據丟失，流量計部分安裝蓄電池，系統保存了累計流量值，因此不影響系統計量。寄存器存儲保存上一通信節點的設定值進行水量調節，當數據傳輸出現故障，仍不影響正常水量調節。

流量測量應用電磁感應原理，流量計的測量管是內襯絕緣材料的非導磁合金短管。兩只電極沿管徑方向穿通管壁固定在測量管上。其電極頭與襯里內表面基本齊平。勵磁線圈由雙向方波脈沖勵磁時，將在與測量管軸線垂直的方向上產生一磁通量密度為B 的工作磁場。此時，如果具有一定電導率的流體流經測量管，將切割磁力線感應出電動勢E。電動勢E 正比于磁通量密度B，測量管內徑d 與平均流速V 的乘積、電動勢E（流量信號）由電極檢出并通過電纜送至轉換器。轉換器將流量信號放大處理后，可顯示流體流量，并能輸出脈沖，模擬電流信號，用于流量的控制和調節。測量管內無阻尼部件，減少了堵塞甚至卡表情況的出現。

1.3.2 調節流程

注入井遠程配水系統執行機構會根據設定的流量自動通過電動機的旋轉調節閥門的開啟度（PID控制），注入井配水系統水量調節流程如圖3 所示，首先給PID 控制器一個單井流量的設定值，以5 s 為周期將所測量到的瞬時流量值與該設定流量值相比較。PID 控制器通過接收過程變量（瞬時流量），與目標設定值做比較，得出系統誤差，PID 控制器根據系統誤差大小計算出調節量，并將這一控制信號發送到流量調節系統（電動機、調節閥等），調節系統接收到控制調節指令，通過電動機調節轉數，調節閥門開啟度。當測試的瞬時流量超過給定的設定值上限，PID 控制器發出命令，將閥門調小，當測試的瞬時流量低于給定的設定值下限，PID 控制器發出命令，將閥門調大，閥門的開啟度決定了流量的調節大小，再經過流量測量，將流量信號傳輸給控制器，形成閉合回路，為了防止控制系統頻繁調節流量，設定流量調節下限為0.1 deg/h。

圖3 注入井配水系統水量調節流程Fig.3 Flow of water adjustment of water distribution system for injection water well

PID 控制具有較好的系統穩定性，操作方便，該技術廣泛應用于工業過程控制中。PID 控制是由比例控制、積分控制和微分控制三部分組成，其中比例控制主要作用是調節系統響應速度，可以減小系統穩態誤差，但不能消除系統穩態誤差；積分控制主要作用是積累系統誤差并輸出變量，可以消除系統穩態誤差；微分控制是通過系統誤差的變化速率，提前給出控制調節，具有超前預判的作用。PID 控制技術應用于注入站控制系統，PID 控制流程如圖4 所示，首先給PID 控制器一個單井流量的目標設定值，即單井的開發方案設計值，PID 控制器接收到過程變量（瞬時流量），與目標設定值作比較，得出系統誤差，PID 控制器根據系統誤差大小計算出調節量，并將這一控制信號通過中央控制器，把控制變量傳輸給變頻器，變頻器接收到指令后，根據數據調節流量大小，調節轉速，繼而調節注聚泵的排量大小。這個控制過程不斷循環，形成閉合回路。當控制變量與設定值之間的系統誤差在設定的誤差范圍之內（通常界限值為10%），即輸出的流量滿足開發方案設計要求，則輸出實際流量。與人工調節閥門方式相比，PID 控制技術可以避免因泵壓、泵效等外部條件發生變化，而引起的流量變化，確保了注入系統運行的連續性和平穩性。

圖4 PID 控制流程Fig.4 Flow chart of PID control

2 注入井遠程配水技術應用效果

2.1 方案實施

某油田現場改造80 口注入井流程，在井口安裝了GLZ 型電磁自控儀，采集瞬時和累計流量[6-7]。在每口井的注入管路安裝了2 個壓力變送器，分別安裝在井口和來水干線上，采集泵壓和油壓等壓力參數數據[8]。綁定注入井與已安裝RTU 設備的采油井ID，上位機訪問油井IP 時，就可以讀取注入井的生產數據，各項生產參數的傳輸采用RS485 通訊方式，通過上位機輸出的控制調節信號，實現遠程水量調節[9-10]，將井口設備與油井RTU 間用RS485通訊線相連，采取與流量自控儀供電電纜同溝的方式節省施工成本。

2.2 應用效果

技術應用后，80 口注入井平均單井日實注由65.9 m3下降到64.3 m3，平均單井日節約注水1.6 m3，年可節約注水4.672×104m3，油田處理污水單價價格為5.8 元/m3，可實現節約費用27.097 6 萬元；方案符合率由95.06%提高到97.61%，提高了2.55 個百分點。技術應用前共有41 口井方案符合率在95%～96%，僅有10 口方案符合率大于或等于97.0%，技術應用后，共有61 口井方案符合率大于或等于97.0%，達到了單井方案精準執行的目的，注入井遠程配水技術應用前后效果見表1。

表1 注入井遠程配水技術應用前后效果Tab.1 Before and after effect of remote water distribution technology for injection water well

3 結論及認識

注入井遠程配水技術，針對傳統注入工藝弊端進行設計改造，應用后實現了注入井注水量的遠程調節和各項生產參數的遠程錄取、實時監控，克服了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、欠的問題，實現了無人值守、精細配注，降低了生產管理費用，提高了油田安全生產的能力。

注入井遠程配水技術解決了注水系統運行與管理的脫節問題，單井的注入方案符合率大幅度提高，達到了單井方案精準執行的目的。下步將繼續對系統穩定性進行深入研究，通過網絡、電路的優化保證該技術在生產現場穩定可靠運行。