自動化儀器儀表在油田生產(chǎn)節(jié)能中的應(yīng)用

溫海寬

北京安控油氣技術(shù)有限責(zé)任公司，中國·北京 100095

論文探討了自動化儀器儀表在油田生產(chǎn)節(jié)能中的應(yīng)用。通過對自動化儀器儀表及節(jié)能的相關(guān)概念的綜述和分析，總結(jié)了自動化儀器儀表應(yīng)用在油田生產(chǎn)過程中的優(yōu)勢和潛力。同時(shí)，詳細(xì)介紹了目前常用的油田自動化儀表節(jié)能的有效措施。最后，提出了進(jìn)一步推廣和應(yīng)用自動化儀器儀表的建議，以促進(jìn)油田生產(chǎn)的節(jié)能環(huán)保。

自動化儀器儀表；油田生產(chǎn)；節(jié)能應(yīng)用

1 引言

能耗是企業(yè)生產(chǎn)成本的重要組成部分，節(jié)能降耗涉及企業(yè)生產(chǎn)全過程。油氣資源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可或缺的資源，但在油田生產(chǎn)過程中，能源占用量高，企業(yè)成本高居不下，對環(huán)境造成較大影響。

2 自動化儀器儀表及節(jié)能的相關(guān)概念

對于油田生產(chǎn)系統(tǒng)來說，儀器儀表起著至關(guān)重要的作用。它可以測量各種工藝參數(shù)，控制工藝流程，確保生產(chǎn)的安全、高效和優(yōu)質(zhì)。儀器儀表還可以幫助工程師監(jiān)控油田中各個(gè)設(shè)備的狀況，預(yù)測設(shè)備的故障和維護(hù)需求，并實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和修復(fù)設(shè)備故障。此外，儀器儀表可以收集大量的油田生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)，幫助企業(yè)分析數(shù)據(jù)和優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率和降低成本。在油田生產(chǎn)過程中，儀器儀表的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性對于提高生產(chǎn)效率、保障安全生產(chǎn)和節(jié)約成本方面都有著不可替代的作用。油田企業(yè)在生產(chǎn)過程中會消耗大量的電能，在“降本增效”的時(shí)代背景下，油田企業(yè)急于找到一種有效的方式降低能源的消耗，同時(shí)不降低石油的產(chǎn)量。而利用自動化儀表技術(shù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過程中的節(jié)能，就是一種有效且實(shí)際的方式。

3 油田應(yīng)用自動化儀表節(jié)能的有效措施

3.1 建立交流電機(jī)變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)

首先，交流變頻系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載需求實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，避免機(jī)械設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行在高速狀態(tài)，從而節(jié)約能源和減少損耗。其次，交流變頻系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載需求實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電機(jī)以最佳速度運(yùn)行，提高設(shè)備效率和穩(wěn)定性。再次，由于交流變頻系統(tǒng)能夠避免機(jī)械設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行在高速狀態(tài)，可以有效降低設(shè)備損耗和維護(hù)成本。最后，通過應(yīng)用交流變頻系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動化控制，使得油田設(shè)備運(yùn)行更加智能化和高效化，從而降低人工干預(yù)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。因此，應(yīng)用交流變頻系統(tǒng)是改善油田生產(chǎn)運(yùn)行能耗的重要措施。通過下述幾個(gè)方面的改進(jìn)，油田自動化儀表可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高生產(chǎn)效率，從而提高了企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營效益。第一，選用高效能儀器設(shè)備。高效能的儀器設(shè)備可以準(zhǔn)確測量生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)誤差，也可以提高生產(chǎn)效率。針對不同類型的油田自動化儀表及所控制的設(shè)備，選用合適的高效能儀器設(shè)備，以此提高系統(tǒng)能效。第二，優(yōu)化自動化系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。自動化控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置對能耗有重要的影響。對于一些實(shí)際生產(chǎn)過程中較為復(fù)雜的自動化系統(tǒng)，可以通過對控制參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整來降低耗能。第三，采用變頻控制技術(shù)。在油田自動化儀表中采用變頻控制技術(shù)，可以有效降低電機(jī)消耗的能量。變頻控制技術(shù)是通過控制電源頻率來控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到節(jié)能的目的。第四，推廣智能控制系統(tǒng)。智能控制系統(tǒng)能夠有效地優(yōu)化控制策略、降低能耗，并且能夠自動調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，提高生產(chǎn)效率[1]。

3.2 抽油機(jī)井的智能間抽功能

抽油機(jī)作為開采石油的一種設(shè)備，在油田內(nèi)有普遍的應(yīng)用，其能量消耗也是巨大的，是油田企業(yè)生產(chǎn)的主要成本支出。在低滲透油田的開發(fā)過程中，油井供液不足，液量不能充滿泵體，活塞在泵筒干磨，使得抽油機(jī)的效率十分低下，造成了能源的極大浪費(fèi)，加大了采油成本。抽油機(jī)的節(jié)能控制已成為各個(gè)油田急于解決的問題。針對此種類型的抽油機(jī)井，應(yīng)用自動化儀表技術(shù)，進(jìn)行智能化的間歇控制，可以有效地提高抽油機(jī)效率、降低開采成本，是節(jié)能提效的重要手段。

智能間抽系統(tǒng)是通過自動化傳感器采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，由接收單元送入邊緣計(jì)算單元實(shí)施計(jì)算，最終通過間抽控制柜實(shí)現(xiàn)對抽油機(jī)的科學(xué)啟停控制。簡單地說，就是自動實(shí)現(xiàn)“有油即抽，無油即停”的目標(biāo)，達(dá)到降低抽油設(shè)備損耗，節(jié)省電能，節(jié)省人工的目的。智能間抽系統(tǒng)主要由一體化載荷位移傳感器、智能電參模塊、間抽控制柜、邊緣計(jì)算模塊構(gòu)成。一體化載荷位移傳感器主要測量抽油機(jī)井的示功圖，示功圖是由載荷隨位移的變化關(guān)系曲線所構(gòu)成的封閉曲線圖，表示懸點(diǎn)載荷與位移關(guān)系的示功圖稱為地面示功圖或光桿示功圖。示功圖可以有效反映出地層的供液能力及井下工況。智能電參模塊進(jìn)行間抽控制柜的輸出電流、輸出電壓的測量。一體化載荷位移傳感器、智能電參模塊作為前端的自動化采集儀表，實(shí)時(shí)采集抽油機(jī)井的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至邊緣計(jì)算模塊。邊緣計(jì)算模塊作為自動化儀表的核心控制器，根據(jù)預(yù)設(shè)算法，計(jì)算出井下工況、間抽柜的負(fù)載計(jì)算、井況變換識別、產(chǎn)液量計(jì)算、間抽策略執(zhí)行。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，輸出命令驅(qū)動間抽柜，實(shí)現(xiàn)井下供液不足工況下的停井，液量充足后的起井。以自動化儀表技術(shù)為基礎(chǔ)的抽油機(jī)井智能間抽功能的實(shí)現(xiàn)，有效的降低了能源的消耗，降低了企業(yè)的運(yùn)行成本。主要效果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①抽油機(jī)由24 小時(shí)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)變?yōu)楦鶕?jù)井下充液情況的間抽作業(yè)，大大縮減了運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間，減少了電能的消耗，經(jīng)過長期跟蹤，在此種模式下，不影響油井的整體產(chǎn)液量；②抽油機(jī)都是在井下液量充足的情況下運(yùn)行，活塞在泵筒干磨的情況基本消除，有效地保護(hù)了活塞的泵筒，降低了設(shè)備維修、更換頻率，電機(jī)效率提升，進(jìn)而電能利用率提升，降低了企業(yè)成本；③智能間抽系統(tǒng)可以進(jìn)行自學(xué)習(xí)、自診斷，經(jīng)過長期的數(shù)據(jù)積累，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的自修正，系統(tǒng)采集的儀表數(shù)據(jù)量越多，越能計(jì)算出符合自身井況的間歇運(yùn)行模式，進(jìn)一步在不影響產(chǎn)量的前提下，降低能耗。

3.3 建立以自動化儀表為基礎(chǔ)的能源管控系統(tǒng)

加強(qiáng)能耗在線監(jiān)測和推進(jìn)能源管控系統(tǒng)建設(shè)，利用自動化儀表技術(shù)與信息化技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)能源的監(jiān)測、診斷、分析，強(qiáng)化數(shù)據(jù)分析，有效管理與控制，實(shí)現(xiàn)能源利用的最優(yōu)化，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。聯(lián)合站作為油田生產(chǎn)中集油氣集中處理、油田注水、污水處理、油氣外輸?shù)木C合性生產(chǎn)單位，是消耗電、氣、水等能源的大戶，建設(shè)能源管控系統(tǒng)對整個(gè)聯(lián)合站的能源監(jiān)測、分析、調(diào)度管理，使其成為“節(jié)能、降耗、增效”的有效工具，從管理角度實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。能源管控系統(tǒng)以自動化儀表作為基礎(chǔ)，自動化儀表是承擔(dān)著原始數(shù)據(jù)的采集、計(jì)量、傳輸。是實(shí)現(xiàn)信息集成、優(yōu)化、分析的基礎(chǔ)。從電力方面，在聯(lián)合站的總進(jìn)線、各個(gè)分線柜、主要配電柜安裝電力數(shù)據(jù)采集儀表，實(shí)現(xiàn)三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、總電能的數(shù)據(jù)采集；在天然氣方面，在氣的總進(jìn)口、總出口、各個(gè)用氣分支管線，安裝智能旋進(jìn)漩渦流量計(jì)，測量管線的工況瞬時(shí)流量、標(biāo)況瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、溫度、壓力等數(shù)據(jù)；在水源的使用方面，在水的總進(jìn)口、總出口、各個(gè)用水分支管線，安裝智能電磁流量計(jì)或渦輪流量計(jì)，測量管線的瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、溫度、壓力等數(shù)據(jù)。自動化儀表采集的數(shù)據(jù)，集中傳輸至能源管控平臺，實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測和分析、數(shù)據(jù)橫向、縱向?qū)Ρ确治觥⒐?jié)能增效機(jī)會識別、能耗異常報(bào)警分析。在對能耗設(shè)備進(jìn)行充分計(jì)量及運(yùn)行參數(shù)采集的基礎(chǔ)上，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，建立能耗模型，從多個(gè)角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、評判，采用動態(tài)曲線、圖表的形式，及時(shí)反饋能耗漏洞，協(xié)助管理人員發(fā)現(xiàn)用能系統(tǒng)存在的問題，找到能耗過高或者不合理運(yùn)行的設(shè)備或系統(tǒng)，并給出改進(jìn)節(jié)能運(yùn)行管理的建議。達(dá)到節(jié)能增效的目的[2]。

3.4 加強(qiáng)自動化儀器儀表的運(yùn)行維護(hù)與管理

首先，提高設(shè)備運(yùn)行效率。自動化儀器儀表的運(yùn)行維護(hù)與管理能夠有效地提高設(shè)備的運(yùn)行效率，使其處于最優(yōu)狀態(tài)，節(jié)約了能源消耗和減少了能源浪費(fèi)。其次，減少人為誤操作。自動化儀器儀表可以通過自動化的方式完成復(fù)雜的操作任務(wù)，減少了人為誤操作的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高油田設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。再次，自動檢測故障。自動化儀器儀表通過自身的檢測系統(tǒng)可以自動監(jiān)測和檢測設(shè)備故障和異常，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行修復(fù)，防止出現(xiàn)嚴(yán)重的故障，從而節(jié)約了能源和材料的浪費(fèi)。最后，自動調(diào)節(jié)工藝參數(shù)。自動化儀器儀表可以通過自動化調(diào)節(jié)工藝參數(shù)的方式來實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，在保證正常生產(chǎn)的情況下充分利用能源資源，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高質(zhì)量高效率生產(chǎn)。因此，加強(qiáng)自動化儀器儀表的運(yùn)行維護(hù)與管理可以有效地實(shí)現(xiàn)油田自動化儀表節(jié)能，提升企業(yè)節(jié)能減排的效果，可持續(xù)發(fā)展油田企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

加強(qiáng)自動化儀器儀表的運(yùn)行維護(hù)和管理，能夠有效實(shí)現(xiàn)油田自動化儀表節(jié)能。以下是具體做法。第一，確定自動化儀器儀表的運(yùn)行參數(shù)：在投用油田自動化儀表之前，需要先確定其合理的運(yùn)行參數(shù)，包括溫度、工作頻率、輸入輸出范圍、通訊協(xié)議等相關(guān)參數(shù)。第二，監(jiān)測自動化儀器儀表的工作狀況。通過對自動化儀器儀表的工作狀況進(jìn)行監(jiān)測，了解儀表的功耗情況，尋找節(jié)能的具體措施。第三，加強(qiáng)維護(hù)修繕工作。油田設(shè)備存在高溫、高濕、腐蝕等多種危害，所以在使用自動化儀器儀表時(shí)需要加強(qiáng)維護(hù)，及時(shí)進(jìn)行檢修。第四，將儀表聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能控制。通過將自動化儀器儀表聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，進(jìn)一步提高自動化控制水平。第五，應(yīng)用人工智能技術(shù)。利用機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對油田自動化儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)變化規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能，提高油田設(shè)備效率。第六，組織技術(shù)培訓(xùn)。加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)，對油田工作人員了解自動化儀表的基本原理、好處及使用方法，可以更好地維護(hù)和管理自動化儀器儀表，提高油田設(shè)備的維護(hù)效率[3]。

3.5 加強(qiáng)數(shù)字化技術(shù)與自動化儀表技術(shù)的深度融合應(yīng)用

首先，提高生產(chǎn)效率。數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，減少人工操作，不僅提高生產(chǎn)效率，減少人為操作失誤，還可以更加精確地控制生產(chǎn)參數(shù)，提高生產(chǎn)質(zhì)量。其次，降低能耗成本：數(shù)字化技術(shù)可以通過智能化監(jiān)測、控制油田設(shè)備參數(shù)，對能耗進(jìn)行有效管理。通過數(shù)字化技術(shù)對設(shè)備的能耗進(jìn)行監(jiān)測和控制，可以實(shí)現(xiàn)對油田設(shè)備的精準(zhǔn)管理和優(yōu)化管理，從而最大程度地降低油田的能耗和成本。最后，提高安全性。數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用可以在監(jiān)測和控制設(shè)備的同時(shí)，也能及時(shí)對設(shè)備出現(xiàn)異常進(jìn)行預(yù)警，保證設(shè)備運(yùn)行時(shí)的安全性，并且快速地進(jìn)行處理，減少了事故的發(fā)生。因此，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)油田自動化儀表節(jié)能具有重要的意義，對于提高生產(chǎn)效率、降低能耗成本、提高安全性都有非常顯著的作用。加強(qiáng)數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)油田自動化儀表節(jié)能。

具體做法如下。第一，實(shí)施智能化調(diào)控。通過數(shù)字化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對油田生產(chǎn)設(shè)備的智能調(diào)度和優(yōu)化控制，根據(jù)實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動調(diào)整各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提高設(shè)備的利用效率，降低能耗。第二，采用節(jié)能型儀表。數(shù)字化技術(shù)集成了大量的節(jié)能型儀表，可以用于監(jiān)控和調(diào)節(jié)油田生產(chǎn)設(shè)備的能耗消耗情況，定期整理、分析數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)可視化的方式呈現(xiàn)，幫助工程師更加方便地了解能耗消耗情況及其變化。第三，推廣智能化能效管理系統(tǒng)。智能化能效管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)能耗監(jiān)測和分析，將各監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總比對，分析出設(shè)備的能源消耗情況，通過提供合理的生產(chǎn)計(jì)劃，控制能耗的消耗，提高油田的生產(chǎn)效率。第四，采用能源回收技術(shù)。在數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用下，可以采用能源回收技術(shù)，將設(shè)備產(chǎn)生的廢熱能“回收利用”，減少能源浪費(fèi)，提高油田的能源利用效率。

4 結(jié)語

自動化儀器儀表在油田生產(chǎn)節(jié)能中的應(yīng)用，不僅可以提高生產(chǎn)效率，減少能源的浪費(fèi)，還可以有效保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。從目前的研究成果來看，自動化儀器儀表在油田生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，也需要進(jìn)一步加大技術(shù)創(chuàng)新和推廣應(yīng)用力度，以實(shí)現(xiàn)更大的節(jié)能效益和環(huán)保效益。我們相信，在科技不斷進(jìn)步的時(shí)代，自動化儀器儀表必將在油田生產(chǎn)中發(fā)揮更加重要的作用，為促進(jìn)能源可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。