某區塊數字化注水系統應用分析及問題對策

李殷海 李沫 田大志 母春暉

（1.大慶油田有限責任公司第八采油廠；2.大慶油田有限責任公司第五采油廠；3.吉林油田分公司新木采油廠）

注水驅油是國內外油田開發的主要方式，用注水來保持和提高地層能量或地層壓力以提高油氣采收率。近年來原油的開發難度逐漸增大，注水系統能耗日益增高，“十四五”實現“數字中國石油”是提質增效的重要途徑之一[1]，為此各大石油公司在智能油田建設方面也加大了探索力度，同時取得了顯著成效[2]。油田注水推進數字化轉型，可達到科學注水，實現提高采收率、提高單井產量、降低遞減率[3]的目的。但數字化系統在實際生產中經常出現故障，導致不能正常工作。需通過分析研究解決這一問題，確保數字化注水系統安全、穩定運行。

1 某數字化區塊注水現狀

某區塊一期工程投產于2017 年6 月，共有注水井46 口，其中24 口注水井在配水間內，22 口注水井屬于單干管注水，分布于10 個平臺，每個平臺1～3 口井不等。二期工程于2020 年6 月投產，共有注水井35 口。到目前為止，該區塊共有配水間6座，注水井81 口，由某注水站統一供水。

1.1 數字化注水水量控制方式

注水井的注水量調控裝置使用的是GLK 型高壓流量自控儀。對標設備主要有電磁流量計和智能控制閥。通過電磁流量計檢測瞬時流量，瞬時流量與設定流量相比較，根據比較結果驅動智能控制閥開關適時調控水量，形成閉環控制策略。注水量調控裝置功能見圖1。 該區塊水井調控流量為0.42～1.5 m3/h， 高壓流量自控儀調節流量為0.6～6 m3/h，可以完全滿足生產需求。此流量控制裝置可實現平穩、定量、精確注水功能，從而為高效注水提供技術保障。

圖1 注水量調控裝置功能Fig.1 Function of water injection control device

1.2 數字化注水信號傳輸方式

該數字化區塊注水井主要分布在配水間和油井平臺。配水間內的水井信號通過有線的方式傳輸到計量間內的RTU 控制柜[4]。高壓流量自控儀內置標準485 通訊接口，通過Profibus 總線控制系統與RTU 柜內的PLC 通訊，高壓流量自控儀通過總線分配器并聯，在末端通過485 轉Profibus 模塊實現與PLC 的硬件連接，具有通訊穩定的優點。

單干管水井使用的高壓流量自控儀由現場油井變壓器供電，數據信號采用無線傳輸。單干管注水井數據通過一組zigebee 無線模塊傳輸至油井平臺，油井平臺上面的zigebee 模塊把無線信號轉換成標準485 信號傳給油井RTU，再通過Mcwill 無線傳輸模塊傳輸至1#混輸增壓間，最終通過光纖傳輸至中控室[5]，實現可視化監測和調控管理。

1.3 數字化注水系統運行效果

注水井數字化運行依托數字化管理系統，由班組統一管理，水井工作量按管理難度折算，占班組總工作量比例的25%。從運行效果上看，注水效率提高十分明顯，不需要再進行人工調控水井注水量，配水間實現了無人值守；從工作時長來分析，常規水井每口井調控一次水量需要3 min，該區塊每天調一次水量節約工時4 h。從常規注水井和數字化注水井中隨機抽取10 口井進行配注量對比，對比結果見表1。從表中記錄的數據可以看出：常規注水井有5 口井配注誤差超過配注管理指標要求的20%。因此數字化注水系統在人力消耗和注水質量上都有較大的優勢。

表1 數字化注水井與常規注水井配注對比Tab.1 Annotation comparison between digital injection well and conventional injection well

2 數字化注水系統存在的問題及分析

該數字化區塊目前已連續運轉2 100 余天，設備逐漸老化，數字化注水系統在運行過程中出現了一些問題（表2）需要及時解決。

表2 2022 年注水數字化設備故障次數統計Tab.2 Fault statistics of water injection digital equipment in 2022

1）電磁流量計面板不顯示數據。在儀表供電正常的情況下，儀表面板沒有任何數據顯示，無法讀取當時的瞬時流量和累積流量，自動控制閥不動作，上位機的數據不能及時更新。

通過多次檢修分析發現，該故障的主要原因是電磁流量計的電源保險、中間接線板燒蝕造成的。中間接線板燒蝕故障的表現形式比較直觀，肉眼可見燒蝕位置，處理起來也比較簡單，清除燒蝕部位，再用跳線重新焊接即可。電磁流量計還設有壓敏電阻和自恢復保險，這些設計的基本功能都是保護流量計內部電路，它們出現故障也會帶來儀表面板不顯示數據現象。

2） 自動控制閥不能根據流量計指令調節水量。自動控制閥的工作原理是根據電磁流量計指令驅動控制板，當控制板接到指令后輸出信號開關閥門。自動控制閥不能根據流量計指令調節水量故障的表現形式為：當流量計的瞬時流量與設定流量相差0.05 m3/h 以上時，自動控制閥不動作；當注水系統生產參數改變時，該井不能自動調節水量，此時雖然瞬時流量與設定流量出現差值，但閥門沒有開關動作。

通過對故障原因的研究總結發現，引起自動控制閥不調節的主要原因是控制板變壓器損壞。控制板的主要作用是接收電磁流量計的信號，根據電磁流量計信號指令來驅動自動調節閥電動機控制電路，通過電動機正反轉，來實現閥門開關。

3）單干管注水井數據不能傳輸。當油井數據傳輸正常，水井數據無更新，即可判定單干管水井無線通訊出現故障，此時中控室不能對該井進行控制和監測。

從單干管注水井數據傳輸方式上來分析，首先要確定該水井數據依托的油井數據能否正常傳輸，該水井電磁流量計自身通訊功能是否正常。確定方法是用電腦讀取流量計內部數據，如果上述數據均正常，再檢查zigebee 無線數傳模塊，往往zigebee無線數傳模塊損壞是導致單干管注水井數據不能傳輸的主要原因。配注間內的有線數據也會出現不能傳輸的故障，如果單獨一臺高壓流量自控儀不能進行數據通訊一般是總線分配器故障[6]。

4）電磁流量計不能正常檢測水量。數字化注水系統通過幾年的運行，設備及零部件逐漸老化，故障率開始上升。在2021 年底逐漸開始出現正常注水時瞬時水量顯示為零的情況。故障現象是注水井正常注水，面板顯示瞬時水量為零，累積流量無變化，自動控制閥處于全開狀態，人為關小后立即自動打開。這種流量計面板顯示瞬時流量為零，自控閥門全開的現象即為電磁流量計不能正常檢測水量故障，此時該井注水量嚴重超注，破壞注水系統平衡，浪費大量水資源。

電磁流量計不能檢測水量的原因有很多，比如流量計內部主板電路故障，顯示面板故障等等。通過大量的維修實踐發現，引起該故障最主要原因有兩個：①電磁流量計內部電極嚴重結垢，當電極結垢后，儀表檢測不到水流切割磁力線產生的感應電動勢，儀表即判定當前流量為零；②流量計內部電極導線腐蝕斷路，儀表同樣檢測不到電動勢，致使面板顯示瞬時水量為零。

3 應對措施

注水系統數字化運行在油田生產中雖然取得了一些效果，節省了人力，提高了注水效率，但是也暴露出一些問題。在實際生產過程中，并根據經驗制定了應對措施：

1）電磁流量計無顯示應對措施。依托工作室對于簡單故障自行維修，電磁流量計無顯示或顯示數據為零的問題，通過簡單的判斷即可找到原因。例如：先后處理多起電磁流量計中間接線板燒蝕、自恢復保險失靈等故障：其中中間接線板燒蝕故障較為直觀，處理也比較容易，可以焊接或跳線連接即可；對于壓敏電阻、自恢復保險損壞等故障處理起來相對復雜，需要具備一定的電子知識，用萬用表測量判斷是否損壞，對于損壞的及時更換。 配水間電磁流量計不顯示，用接線板跳線連接，重新焊接后恢復正常顯示功能。

2）自動控制閥不能根據流量計指令調節水量的應對措施。出現該故障后首先判斷板變壓器是否損壞，用萬用表測量V1-、V1+，V2-、V2+兩對端子是否帶相應電壓，即可判斷變壓器是否完好[7]，如果變壓器損壞需要更換同型號變壓器；如果變壓器完好則需要繼續判斷電動機驅動電路是否損壞，驅動電路板的判斷方法可采用換件法，即直接更換完好的同型號電動機驅動電路板；如果還不能排除故障則直接更換控制板。通過以上三種方法即可排除該故障。

3）單干管注水井數據不能傳輸應對措施。針對某注水出現的單干管水井數據不能傳輸的問題，首先用電腦讀取流量計內部數據，結果顯示正常，再檢查zigebee 無線數傳模塊，zigebee 模塊損壞，重新選用配件。為此，淘汰了廠家配備的無生產廠家、無性能參數、無組網軟件的模塊，重新選用了資料齊全、能自行組網的zigebee 無線數傳模塊，方便后期購買更新配件，擺脫了完全依賴廠家的現狀，保證注水系統平穩運行。

4）電磁流量計自控儀故障應對措施。及時清理電磁流量計內部電極結垢，防止電極導線腐蝕斷路，對于導線腐蝕斷路的及時更換，如4#配水間流量計電極導線腐蝕，更換導線后，正常顯示數據。對于自動控制閥門失靈問題，如3#配水間自動控制閥門不工作，用萬用表測量控制板變壓器兩對端子，無電壓顯示說明變壓器損壞，更換變壓器后自動控制閥門正常工作。

流量自控儀在維修后需要校準，所以研制了高壓流量自控儀線下模擬運行裝置。該裝置可以模擬水井生產工藝，對維修后的自控儀表進行模擬運行，再通過人機界面查看連續一段時間內水流運行曲線來判斷維修后效果，確保每臺設備維修后都能正常運轉后，再投入現場生產使用。

4 結論

油田數字化轉型是國家新時期能源發展的需要，數字化注水系統實現了注水流程有效監控，提高了注水精細化管理水平[8]，對油田開發穩產、油田智能化管控水平提升意義重大[9]。

1）數字化注水系統適用性強。該數字化注水系統共有水井81 口，目前共有6 名員工，按工作量計算，投入水井管理用工不足0.2 人，極大地節省了人力。

2） 數字化注水系統與常規注水系統相比較，注水質量高，注水合格率提高到100%，此項指標對油田開發有著重要的意義，符合注水數字化、智能化的發展需求。

3）該區塊數字化注水系統基本做到自維，降低了生產成本，解決了廠家維修滯后而影響生產的問題。

4）通過對該區塊數字化注水系統的研究，保障注水指標合格，注水系統平穩、安全運行，對數字化油田的發展建設具有重要的意義，充分發揮了現代信息技術在生產要素配置中的優化集成作用[10]。