基于物聯網技術的油田注水系統節能降耗技術

韓 瑞 焦衛華 張秋陌 張棟財 黃學鋒

（1.延長油田股份有限公司定邊采油廠；2.西安國儀測控股份有限公司）

注水開發屬于油田開發的重要方式，該方式相對簡單，應用較為方便，但也存在諸多缺點，例如能耗大、開發效率低等［1，2］。 對于定邊采油廠五興莊卜掌注水區，其配水間7 個，注水井45 口，配水間的間距約25 km，由于配水間的間距較遠，且注水設備較為陳舊，因此對注水開發進行管理的難度較大，無效注水量較高，導致注水開發過程中的能耗相對較大。 目前，定邊采油廠的注水開發工作已經無法滿足低成本、高效益的基本要求，因此，對注水系統節能降耗工作的研究迫在眉睫。

目前，國內外眾多學者對注水系統的節能降耗問題進行了研究［3，4］。嚴艷玲針對江漢油田注水開發的能耗問題，對注水開發中存在的問題以及系統優化措施分別進行了研究，結果表明，設備不匹配、管網壓力損失高和閥控損失大是影響注水開發能耗的重要因素，因此，需要對注水泵、地面管網等分別進行合理優化， 進而降低注水能耗，但是文中并沒有對提出的技術措施進行驗證［5］；馬慶龍針對扶余油田的注水開發問題，對站內和站外注水系統的節能降耗問題分別進行了研究，結果表明，泵站效率對注水開發能耗具有重要影響，因此，需要對泵站進行合理的優化設計，對泵站的能力進行擴充，進而降低注水能耗，但是文中提出的措施僅停留在泵站單一方面［6］；劉靖瑞針對吉林油田的注水開發問題，引入了注水系統模擬仿真方式，對分區分壓注水措施進行了研究，結果表明，根據油田區塊的實際情況采用分區分壓注水措施可以降低注水能耗， 同時，在進行注水開發的過程中，還需要對泵站進行優化以及對注水管網進行定期清洗，進而使得注水能耗進一步降低，但是文中對能耗的影響因素考慮并不全面［7］。

秉持分布式系統無法同時兼顧一致性、可用性與分區容忍性（CAP）原理[8]，中本聰設計了PoW共識機制?，F階段常見共識算法其中一類為證明類共識，即Proof of X共識方案，是在PoW共識方案之上的變種，將PoW改換為其余證明。PoW算法現階段依然盛行，使用PoW共識的代表貨幣比特幣依然占據最大市值。

綜上所述，雖然研究學者們針對注水系統的能耗問題進行了研究，但是研究過程中都存在一定的問題。 筆者引入物聯網技術，提出了一種基于物聯網技術的油田注水系統節能降耗技術，并將該技術應用于我國定邊采油廠，以驗證該技術的可行性和先進性，從而為我國推廣和使用該節能降耗技術奠定基礎。

1 節能降耗技術的提出

在實際工程中，注水泵的能量消耗和注水系統的無效注水量均屬于整個注水系統的重要能耗指標，對這兩項指標進行合理優化十分關鍵［8，9］。注水系統的采集指標主要包括注配間中的注水量數據、注水管網壓力數據、注水管網溫度數據及節流損失數據等；注水泵的采集指標主要包括連續運行時間、運行功率信息及運行效率信息等。 采集數據后，通過對監測數據進行傳輸，系統根據能耗監測指標，對注水過程中的相關環節進行合理優化，以實現節能降耗的目標。 為了全面實現節能降耗，首先需要對注水泵和注水系統進行改進。

1.1 注水泵改進

應用層中的GSM 信息傳輸裝置主要負責接收流量傳感器和注水泵運行傳感器獲取的信息，并將相關信息傳輸到ARM 處理器中。 ARM 處理器中的主線程處于持續監控端口的基本狀態，如果端口位置處有相關數據信息到達，則系統將會啟動接收信息的線程，并在端口位置處寫入AT+CMGL 基本命令，進而對相關信息內容進行讀取［22］。 讀取的數據信息將會通過GSM 無線傳輸協議進行分析和處理，并將異常信息傳輸到OFD服務器中，應用層中的相關軟件可以對信息進行管理和維護。 具體流程如圖4 所示。

1.2 注水系統改進

注水量是實現節能降耗的重要參數，為了降低無效注水量，引入自動化注水系統。 自動化注水系統的工原理如圖1 所示。 其中，智能流量計和數字壓力變送器可將現場的模擬信號轉換為DDZ-Ⅲ標準信號， 且可以在現場儀表上進行顯示。 現場控制器可將儀表中的模擬信號轉換為RS485 協議信號，該類型信號可在控制端中使用。同時，系統中還增加了智能電動調節閥，以此實現注水流量控制調節的目標［11，12］。采集信號和控制信號經現場協議轉換器轉換后成為TCP/IP 協議信號，通過使用交換機和無線傳輸網絡，可將信號傳輸到主控室中，主控室得到各站點的數據后，通過交換機將數據傳輸到主控計算機中， 主控計算機以圖形界面的方式反映注水系統的各項參數，并可對各項參數進行簡單分析， 同時通過使用WAN，可將相關數據傳輸到分廠網絡中。

圖1 自動化注水系統工作原理

2 基于物聯網技術的油田注水系統節能降耗系統組成與架構

2.1 系統組成

黨的十九大報告提出要全面實施績效管理，為各部門加強績效管理指明了方向。本文將預算的編制、執行和監督同績效管理的目標設定、執行跟蹤、績效評價和結果應用相結合，以內部控制為保障機制，將預算績效管理過程細化至具體的流程、明確的崗位，探討如何構建預算績效管理內部控制機制以及其能達到的效果。

圖2 基于物聯網技術的油田注水系統節能降耗系統

該系統由兩組GSM 信息發送和接收裝置組成， 其中一組GSM 信息發送和接收裝置被嵌入到注水井注水流量采集裝置中， 另一組GSM 信息發送和接收裝置被嵌入到OFD 服務器中［15］。

2.2 系統架構

在使用物聯網技術的過程中，無線傳輸技術屬于一項重要的基礎，在使用GMS 模塊后，可將感知層和應用層相互連接，進而實現信息交互的基本功能。同時，系統采用PDU 的基本模式，對短信息進行發送和接收。PDU 數據格式主要由中心地址、目的地址、有效期、數據長度及協議標識等多種類型的信息共同組成，在使用PDU 數據格式的過程中，通常選擇Unicode-7 位編碼方式。

圖3 基于物聯網技術的油田注水系統節能降耗系統架構

引入基于物聯網技術的油田注水系統節能降耗技術后， 通過對定邊采油廠28 口注水井進行監測發現，其注水量可以控制在0.205 ～0.220 m3/h 之間， 注水量的誤差率僅為2.3%，注水精度提升了25.7%， 注水泵的故障率降低了58%，運行效率提升了8.6%，注水井的日均無效注水量降低約1.4 t，注水井的日節約電量約5.6 kW·h。

傳輸層的主要作用是將各系統相互連接。 在油田生產作業過程中， 其周圍環境相對較為惡劣，如果采用有線傳輸網絡，則成本費用高。 由于無線傳輸技術已經逐漸成熟，因此，筆者采用較為成熟的無線傳輸網絡GSM 網絡［18］。 GSM 傳輸網絡盲區少且信號強，通過在數據傳輸裝置中嵌入GSM 模塊，依據GSM07.05 的AT 指令集要求，可以使用GSM 短信息的方式對采集的相關參數進行傳輸。

物聯網中存在多個獨立的節點，通過在節點中植入嵌入式芯片，可以使得每個獨立節點的數據處理能力和信息傳輸能力都得到提升。 感知層中的信息采集點嵌入了ARM9 處理器，該處理器價格相對較低，通過使用該處理器，可以將信息采集裝置和信息傳輸裝置相互連接；信息采集裝置可以對采集的數據進行編碼處理，并依據信息采集的時間使用GSM 模塊， 進而將注水系統信息和注水泵運行信息傳遞到應用層中。 同時，信息采集裝置還可以對應用層傳輸回來的信息進行解碼處理［20，21］。

3 基于物聯網技術的油田注水系統節能降耗系統關鍵技術

3.1 嵌入式技術

應用層主要由系統硬件和應用軟件兩部分組成，其提供了多種類型的應用服務。 其中，系統硬件主要由信息傳輸部分、外部網絡、服務器和PC 設備構成；應用軟件主要由信息傳輸軟件、服務器支持軟件和監控軟件3 部分構成［19］。 對于信息傳輸軟件和監控軟件而言，其主要是依靠服務器進行信息傳輸，通過分析感知層得到的注水系統信息和注水泵運行信息，可以發現注水開發過程中的異常問題，同時，服務器還可以儲存每個監控點位置處的數據。

在油田生產作業過程中，注水井和注水泵的數量相對較多，為了使應用層可以同時對多個監控點的信息進行有效處理，需要在應用層中嵌入ARM11 處理器，該處理器性能好，可將GSM 模塊和OFD 服務器相互連接，對感知層得到的信息進行解碼處理，同時可以在OFD 服務器中保存解碼后的信息，或者對用戶發出的指令進行編碼處理并發送到感知層中。

3.2 GSM 無線傳輸協議

基于物聯網技術的油田注水系統節能降耗系統由感知層、 傳輸層和應用層3 層架構組成（圖3）。

各院校應該結合當地汽車營銷企業的實際需要和學生的特點，有針對性的豐富校企合作方式，以便達到更好的人才培養效果。可以通過構建實訓中心的方法，給學生提供模擬市場銷售的平臺。在進行汽車展廳、結算中心、維修接待中心等布置的過程當中，要求學生同企業負責人一起參與其中，了解具體的工作流程并趁機給企業做宣傳。還可以定期進行模擬競聘大賽，推薦獲勝的同學到企業進行頂崗實習，不僅可以給企業提供相對廉價的高素質勞動力，還可以提升學生的業務能力。和企業簽訂人才培養協議也是校企合作模式的有效手段，更有利于企業所需人才的培養和學生的就業。

3.3 數據傳輸存儲

通過分析注水系統能耗發現，注水泵屬于能量消耗的主要設備，為此引入恒壓變頻調速注水泵，通過使用該類型注水泵，不但可以降低注水過程中的壓力損耗，還可以保障注水系統能量消耗優化方案得以成功實施。 使用恒壓變頻調速注水泵可以達到恒壓控制的基本效果，通過使用變頻調速技術，可以平衡注水管網中的壓力，對電機的轉速進行合理控制，最終實現對注水流量的控制［10］。 在注水泵電機速度相對較快時，注水流量會提升，在注水泵電機速度相對較慢時，注水流量會降低，注水泵可以根據注水的實際需求對供水量進行調節，以防止注水泵長期處于高負荷運行狀態。

整個下午，梨花就坐在門前的屋檐下，呆呆地望著發白的天空。她感到無比沉重，整個人木搭搭的，腦袋里像灌滿了鉛。黃方永在院門口玩，跑來跑去的；梨花對此壓根兒就沒往腦子里去，直到他拖著一只魚簍跑進院子來，當她看到魚簍里零零星星地掉出來的東西時，腦袋像是被硬物猛地撞了一下，頓時生痛生痛的。她清楚那是什么。梨花突然站起來身來，朝小家伙走去，將他抱起來，從他手中奪下魚簍。黃方永不知道她要干什么，就尖叫起來；桃花突然從里屋沖出來，大聲吆喝道：“你別碰他！”她沖過來一把從梨花懷里奪過兒子，細細地撣了一遍他身上；隨即揚手朝院門口一指，對梨花吼道：“你走，你還賴在這兒干什么？！”梨花驚愕地望著姐姐桃花。

圖4 信息傳輸流程

4 應用實例

為了達到節能降耗的目標，對注水系統和注水泵相關參數進行敏感性分析，其中，注水系統的分析參數為注水量數據、 注水管網壓力數據、注水管網溫度數據和節流損失數據，注水泵的分析參數為連續運行時間、運行功率信息和運行效率信息。 將注水單耗作為能耗評價指標，通過分析各種參數與單耗之間的關系，可以為制定節能降耗措施奠定基礎。 在我國定邊采油廠中，各種類型參數均采集50 組， 將相關參數與單耗之間進行相關性分析，部分結果如圖5～7 所示，各參數與單耗之間的相關系數見表1。通過分析發現，注水量、注水壓力、注水泵運行效率與單耗之間的關系相對較為密切，節流損失、注水泵運行時間與單耗之間的關系次之，注水溫度、注水泵運行效率與單耗之間基本不相關，其中，注水泵運行時間與運行效率之間具有一定聯系，當連續運行時間增加時， 注水泵的運行效率會隨之降低。綜合分析發現，主要需要從注水量、注水壓力、注水泵維護管理及節流損失等角度提出合理的節能降耗措施。

圖5 注水量與單耗的關系曲線

圖6 注水壓力與單耗的關系曲線

圖7 注水溫度與單耗的關系曲線

根據單耗分析結果， 定邊采油廠需要采取4方面的措施實現節能降耗。 為了對注水量進行準確把控， 引入PID 閉環算法控制調節注水量，在注水過程中，將目標注水量與流量儀表的檢測數據進行全面對比，如果實際注水量與目標注水量之間出現偏差，則使用ACU 組件，由PID 算法發出相應指令，當指令到達配水調節組件后，對閥門開度進行合理調節，以此實現閉環流量自動調節控制的目標。 在定邊采油廠未來的發展中，供水量可能會持續提升，因此，采用大排量的高壓水泵進行注水，同時為了防止出現壓力過高的問題，需將注水泵的出口均開回流口，獲得能量的多余水資源將會回流到大罐中，在此過程中產生的能量消耗相對較低，因此可以忽略降低供水壓力的影響。 對注水泵進行梯級配置，以防止管道內憋壓引發能耗問題，對離心泵和注水泵分別進行減級改造，降低節流損失，同時可以避免出現回流問題，定期對注水管網進行除垢處理，以降低管道內的壓力損失。 定期對注水泵進行檢查和維護，對注水水質進行治理，提高水資源的質量，防止水資源內的雜質對注水泵的運行效率產生影響。

基于物聯網技術的油田注水系統節能降耗系統（圖2）主要由注水流量采集裝置、注水泵運行信息采集裝置、GSM 信息傳輸裝置、OFD 服務器和數據信息管理子系統5 部分組成，通過物聯網技術和無線傳輸技術可將這5 部分相互連接。對于每個注水井口，都配備了專門的注水流量采集裝置和注水泵信息采集裝置，對注水量信息和注水泵的運行信息進行全面采集，根據協議要求對數據進行編碼處理［13］。 通過使用GSM 信息傳輸裝置， 可將采集的相關數據信息傳輸到OFD服務器中，實現數據儲存［14］。 對于數據信息管理子系統，其主要利用Internet 技術對OFD 服務器進行訪問，同時，該系統具備用戶管理、注水量查詢、注水量信息采集時間查詢、注水泵運行信息查詢及注水泵故障信息查詢等功能。

感知層中，對油田區塊注水井和注水泵分別進行編號，通過注水流量采集裝置和注水泵運行信息采集裝置，對每個注水井和注水泵的信息進行采集， 對采集的信息和編號信息進行編碼處理， 利用信息傳輸裝置對編碼信息進行高效傳輸。 注水流量采集裝置使用的是智能超聲波流量傳感器，其具有精度高、智能化程度高、響應速度快等優點，在使用過程中不會對注水管道產生阻力干擾。 注水泵采用的是恒壓變頻調速注水泵，其運行情況穩定，可降低流量控制閥的壓損。 當注水流量出現較大波動、 注水泵運行異常時，相關數據采集裝置可以快速感應流量的波動情況和注水泵的異常， 并將相關信息傳輸到應用層中，以便對異常原因進行分析［16，17］。

經產蛋白酶活性篩選，共有7株菌有產蛋白酶能力，其中有2株乳酸菌，2株真菌，3株芽孢桿菌，分別編號為R1，R2，Z1，Z2，Y1，Y2，Y3；經產淀粉酶活性篩選，共有3株菌有產淀粉酶能力，且均為具有產蛋白酶能力的芽孢桿菌，即為Y1，Y2，Y3，詳細結果見表1。

綜上所述，引入基于物聯網技術的油田注水系統節能降耗技術后，定邊采油廠實現了節能降耗的目標。

5 結論

5.1 注水泵的能量消耗和注水系統的無效注水量屬于整個注水系統的重要能耗指標，對這兩項指標進行合理優化十分關鍵，注水系統影響能量消耗的參數主要包括注配間中的注水量數據、注水管網壓力數據、注水管網溫度數據及節流損失數據等，注水泵中影響能量消耗的參數包括連續運行時間、運行功率信息及運行效率信息等。

在儲量管理上，采油廠是各種儲量管理的交匯點，如三級儲量、未動用儲量、可采儲量、經濟可采儲量等的基礎資料或初步成果大部分出自于采油廠，各類儲量的管理正是SEC儲量評估的基礎。

5.2 將物聯網技術引入油田注水系統領域后，可將數據采集裝置、 信息傳輸裝置、OFD 服務器和數據管理系統相互結合，進而對同一油田區塊的不同注水井數據進行共享和管理，注水井和注水泵采集的數據信息可以實現即時傳輸。

5.3 在定邊采油廠引入基于物聯網技術的油田注水系統節能降耗技術后，對相關參數進行合理監測， 根據監測結果采取了合理的節能降耗措施，結果表明，注水井的日均無效注水量降低1.4 t 左右， 注水井的日節約電量約5.6 kW·h，由此可見，筆者提出的節能降耗技術具有較強的可行性。