低滲透油田智能注水關(guān)鍵技術(shù)實踐與探索

姚宇婧 王衛(wèi)娜 魏子杰 李勇 李悅

[摘 要]本文針對低滲透油田注水系統(tǒng)在數(shù)據(jù)監(jiān)測完整性、注水設(shè)備管理、系統(tǒng)聯(lián)動控制、節(jié)能降耗等方面存在的問題，在長慶油田對注水泵本體監(jiān)控、注水泵PID連鎖控制、水源井變頻調(diào)控、注水井遠(yuǎn)程控制、注水系統(tǒng)監(jiān)控平臺開發(fā)等智能注水關(guān)鍵技術(shù)進行探索與實踐，以實現(xiàn)油田智能注水系統(tǒng)升級，優(yōu)化管理組織機構(gòu)，有效降低能耗，提高油田開發(fā)水平和管理水平。

[關(guān)鍵詞]低滲透油田;智能注水;本體監(jiān)控;PID連鎖控制;變頻調(diào)控;監(jiān)控平臺

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.22.038

[中圖分類號]F270.7[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1673-0194（2020）22-00-02

0? ? ?引 言

油田注水是油田開發(fā)過程中向地層補充能量、提高油田采收率的重要手段之一。隨著信息時代的到來，注水系統(tǒng)工藝流程由原來的手工操作逐漸演變?yōu)樽詣踊僮鳎壳伴L慶油田注水工作面臨監(jiān)測數(shù)據(jù)不完整，系統(tǒng)管理不完善，智能調(diào)配能力不足，與油井生產(chǎn)聯(lián)動性管理較弱等問題，影響油田整體開發(fā)穩(wěn)產(chǎn)。因此，實現(xiàn)注水系統(tǒng)智能化，對油田開發(fā)穩(wěn)產(chǎn)、油田智能化管控水平提升意義重大。

1? ? ?油田數(shù)字化現(xiàn)狀

1998年初，艾伯特·戈爾（Albert Arnold Gore Jr.）首次提出“數(shù)字地球”的概念，在全球引發(fā)了數(shù)字油田技術(shù)研究熱潮。智能油田在數(shù)字油田的基礎(chǔ)上，充分利用大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，為油田生產(chǎn)和管理提供了有效的方法。比如，BP公司開發(fā)出集數(shù)據(jù)、專業(yè)軟件以及研究成果于一體的管理平臺;斯倫貝謝公司發(fā)布了DELFI勘探開發(fā)認(rèn)知環(huán)境，提供了一個開放、共享的云端平臺，推進勘探開發(fā)全過程協(xié)同與優(yōu)化。長慶油田在當(dāng)前發(fā)展過程中面臨著油藏品質(zhì)低（低滲-特低滲儲層）、管理難度大、安全環(huán)保風(fēng)險高等問題。自2009年長慶油田開展數(shù)字化建設(shè)以來，通過對油水井?dāng)?shù)字化建設(shè)及無人值守站點進行改造，目前油田數(shù)字化已基本實現(xiàn)全覆蓋，完成企業(yè)資源計劃系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全與信息安全系統(tǒng)以及交互式信息與高清視頻會議系統(tǒng)上線等。這些成就為開展低滲透油田智能注水關(guān)鍵技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。

2? ? ?智能注水關(guān)鍵技術(shù)

2.1? ?注水泵本體監(jiān)控技術(shù)

注水泵本體監(jiān)控技術(shù)主要通過安裝在設(shè)備表面的傳感器及安裝于供水泵房的數(shù)據(jù)采集器，實現(xiàn)設(shè)備運行時振動和溫度數(shù)據(jù)的采集，通過系統(tǒng)軟件處理和分析數(shù)據(jù)，并傳輸至服務(wù)器，進行設(shè)備故障診斷，為運維檢修決策提供數(shù)據(jù)支撐。本文主要從硬件部署、數(shù)據(jù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)管理3方面分析該技術(shù)。

2.1.1? ?硬件部署

規(guī)范測點布置原則，離心泵在電機自由端（1H）、電機負(fù)荷端（2H）、泵驅(qū)動端（3H）、泵自由端（4H）4處進行測點布置，柱塞泵在電機自由端（1H）、電機驅(qū)動端（2H）、曲軸箱驅(qū)動端（3H）、曲軸箱自由端（4H）、活塞輸入端（5A）、活塞輸出端（6A）、十字頭（7V）7處進行測點布置，實現(xiàn)設(shè)備運行時振動和溫度數(shù)據(jù)的采集。

2.1.2? ?數(shù)據(jù)應(yīng)用

①設(shè)備故障診斷。通過分析采集的數(shù)據(jù)進行設(shè)備故障診斷，實現(xiàn)對泵設(shè)備全生命周期的智能化管理。②設(shè)備狀態(tài)判斷。分析采集數(shù)據(jù)，判斷泵運行狀態(tài)，主要有正常、注意、警告、報警、危險5種狀態(tài)。

2.1.3? ?數(shù)據(jù)管理

配套系統(tǒng)軟件，滿足現(xiàn)場設(shè)備對設(shè)備監(jiān)測和故障分析，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)由設(shè)備管理、綜合分析、統(tǒng)計報表、系統(tǒng)配置和系統(tǒng)自診斷5大模塊組成。①設(shè)備管理模塊。通過數(shù)據(jù)預(yù)覽分析泵的狀態(tài)，實現(xiàn)對泵狀態(tài)的實時監(jiān)測。②綜合分析模塊。通過診斷分析工具，實現(xiàn)泵狀態(tài)評估、故障設(shè)備診斷分析、檢修泵評估等功能。同時，對部分成熟故障實現(xiàn)智能診斷，并提供相應(yīng)的診斷結(jié)論，包括機組的故障類型、部位、嚴(yán)重程度，為現(xiàn)場人員的檢修維護提供依據(jù)。③統(tǒng)計報表模塊。查詢及導(dǎo)出已關(guān)閉的報警處理信息、系統(tǒng)狀態(tài)、待處理故障等數(shù)據(jù)，其中，報表主要包括體檢報告、診斷報告、停機報告等。④系統(tǒng)配置模塊。系統(tǒng)配置模塊主要用于用戶管理、報警處理超時時間設(shè)置等。⑤系統(tǒng)自診斷模塊。通過對此系統(tǒng)自身傳感器、采集站狀態(tài)等內(nèi)容進行實時記錄跟蹤，實現(xiàn)系統(tǒng)自身狀態(tài)的受控，保障監(jiān)測系統(tǒng)正常運行。

2.2? ?注水泵PID連鎖控制技術(shù)

注水泵PID連鎖控制技術(shù)發(fā)揮注水站變頻設(shè)備潛力以及數(shù)字化控制優(yōu)勢，根據(jù)注水系統(tǒng)工藝流程及工藝設(shè)備，對基于注水系統(tǒng)PID控制的恒壓注水控制和環(huán)網(wǎng)壓力平衡補償算法進行研究，開發(fā)出對應(yīng)的應(yīng)用程序，實現(xiàn)相應(yīng)工藝設(shè)備的連鎖控制功能，進而實現(xiàn)設(shè)備自動變頻及遠(yuǎn)程啟?？刂?。

2.3? ?水源井變頻調(diào)控技術(shù)

水源井變頻調(diào)控技術(shù)通過采集水源井運行狀態(tài)、流量、壓力、電壓、電流等重要數(shù)據(jù)，實現(xiàn)水源井連鎖、水源井自動啟泵、水源井電機保護等功能。

2.3.1? ?數(shù)據(jù)采集

配備PLC作為水源井?dāng)?shù)字化一體控制柜，采集水源井瞬時流量、累積流量、出口壓力等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)水源井重要數(shù)據(jù)的采集功能。

2.3.2? ?智能控制

①水源井連鎖控制。以供注水站PLC為主站，水源井控制器為從站，通過監(jiān)測注水站或供水站內(nèi)原水灌的液位控制水源井變頻器改變水源井排量并實現(xiàn)高啟低停功能，同時監(jiān)控水源井運行狀態(tài)，當(dāng)其遠(yuǎn)程控制失效時報警。②水源井電機保護控制。在數(shù)字化控制柜中配備智能保護模塊，監(jiān)測潛水電機的運行狀態(tài)并進行診斷保護，當(dāng)發(fā)生超壓、欠壓、過載等情況時，智能保護裝置將自動切斷電源，避免電機發(fā)生損壞，實現(xiàn)水源井啟動、卡泵、干抽、過載、缺相、短路、欠壓、過壓、卸載等9項保護功能。

2.4? ?注水井遠(yuǎn)程控制技術(shù)

利用注水井遠(yuǎn)程控制技術(shù)可以升級流量測控裝置機械部分、電機部分及控制部分，解決因注水井遠(yuǎn)程調(diào)配故障導(dǎo)致注水系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)配效率低的問題。

2.4.1? ?機械部分升級

針對目前葉輪式流量測控裝置存在因水質(zhì)雜導(dǎo)致葉輪阻塞無法準(zhǔn)確讀取流量等問題，將葉輪式流量測控裝置更換為電磁流量測控裝置，并在執(zhí)行模塊部分增加無阻流件，使其在雜物和懸浮物較多的水質(zhì)環(huán)境下不影響其測量精度，確保機械部分不易發(fā)生故障。

2.4.2? ?電機部分升級

在原有流量測控裝置基礎(chǔ)上改進電機，并配備電機執(zhí)行模塊，通過接收智能控制器的信號調(diào)節(jié)磨輪調(diào)節(jié)閥，控制流量大小，延長電機的使用壽命。

2.4.3? ?控制部分升級

針對目前穩(wěn)流配水儀存在測量精度低、電流電壓不穩(wěn)定等問題進行控制部分升級，在穩(wěn)流配水裝置計量部分加設(shè)無截流部件，使計量精度變高，電流電壓信號穩(wěn)定，保障控制部分的安全性。

2.5? ?注水系統(tǒng)智能化管理平臺開發(fā)

分析注水系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控點，完善現(xiàn)有數(shù)據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)源，基于水源井、供（注）水站、注水井于一體的注水系統(tǒng)，開發(fā)完善的智能注水監(jiān)控管理平臺。從兩個層面開發(fā)注水系統(tǒng)監(jiān)控平臺：第一層面為全流程監(jiān)控平臺，主要對水源井、供水站、注水站、注水井實時數(shù)據(jù)進行分類監(jiān)控，包括壓力、流量等重要信息，實現(xiàn)對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的異常報警;第二層面為智能平衡管理平臺，包括供水、注水以及環(huán)網(wǎng)等三大平衡控制，對供水系統(tǒng)與注水系統(tǒng)內(nèi)的工藝設(shè)備進行站內(nèi)閉環(huán)聯(lián)動控制，實現(xiàn)水源井到供水站再到注水井的工藝過程監(jiān)測與水量平衡控制，以實現(xiàn)對供水站、注水站以及相關(guān)注水干線環(huán)網(wǎng)的宏觀平衡調(diào)控，并優(yōu)化報警管理系統(tǒng)，二次開發(fā)報表管理模塊的應(yīng)用功能，進而實現(xiàn)注水全過程的信息化管理。

3? ? ?實施效果及前景展望

低滲透油田智能注水關(guān)鍵技術(shù)目前正應(yīng)用在某百萬噸采油廠中，已形成一套較完整的集智能油田、智能注水等方面的相關(guān)技術(shù)理論體系，實現(xiàn)了注水系統(tǒng)整體智能化控制，盤活了用工人數(shù)，有效降低了能耗，以百萬噸采油廠盤活25人為例，長慶油田預(yù)計可盤活勞動用工600人。同時，智能注水關(guān)鍵技術(shù)將給其他油氣田單位及其他能源領(lǐng)域提供智能技術(shù)支持。

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