某區(qū)塊數(shù)字化注水系統(tǒng)應(yīng)用分析及問(wèn)題對(duì)策

李殷海 李沫 田大志 母春暉

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

注水驅(qū)油是國(guó)內(nèi)外油田開(kāi)發(fā)的主要方式，用注水來(lái)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(lái)原油的開(kāi)發(fā)難度逐漸增大，注水系統(tǒng)能耗日益增高，“十四五”實(shí)現(xiàn)“數(shù)字中國(guó)石油”是提質(zhì)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(shè)方面也加大了探索力度，同時(shí)取得了顯著成效[2]。油田注水推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，可達(dá)到科學(xué)注水，實(shí)現(xiàn)提高采收率、提高單井產(chǎn)量、降低遞減率[3]的目的。但數(shù)字化系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)故障，導(dǎo)致不能正常工作。需通過(guò)分析研究解決這一問(wèn)題，確保數(shù)字化注水系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 某數(shù)字化區(qū)塊注水現(xiàn)狀

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

1.1 數(shù)字化注水水量控制方式

注水井的注水量調(diào)控裝置使用的是GLK 型高壓流量自控儀。對(duì)標(biāo)設(shè)備主要有電磁流量計(jì)和智能控制閥。通過(guò)電磁流量計(jì)檢測(cè)瞬時(shí)流量，瞬時(shí)流量與設(shè)定流量相比較，根據(jù)比較結(jié)果驅(qū)動(dòng)智能控制閥開(kāi)關(guān)適時(shí)調(diào)控水量，形成閉環(huán)控制策略。注水量調(diào)控裝置功能見(jiàn)圖1。 該區(qū)塊水井調(diào)控流量為0.42～1.5 m3/h， 高壓流量自控儀調(diào)節(jié)流量為0.6～6 m3/h，可以完全滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。此流量控制裝置可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、定量、精確注水功能，從而為高效注水提供技術(shù)保障。

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

1.2 數(shù)字化注水信號(hào)傳輸方式

該數(shù)字化區(qū)塊注水井主要分布在配水間和油井平臺(tái)。配水間內(nèi)的水井信號(hào)通過(guò)有線(xiàn)的方式傳輸?shù)接?jì)量間內(nèi)的RTU 控制柜[4]。高壓流量自控儀內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)485 通訊接口，通過(guò)Profibus 總線(xiàn)控制系統(tǒng)與RTU 柜內(nèi)的PLC 通訊，高壓流量自控儀通過(guò)總線(xiàn)分配器并聯(lián)，在末端通過(guò)485 轉(zhuǎn)Profibus 模塊實(shí)現(xiàn)與PLC 的硬件連接，具有通訊穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

單干管水井使用的高壓流量自控儀由現(xiàn)場(chǎng)油井變壓器供電，數(shù)據(jù)信號(hào)采用無(wú)線(xiàn)傳輸。單干管注水井?dāng)?shù)據(jù)通過(guò)一組zigebee 無(wú)線(xiàn)模塊傳輸至油井平臺(tái)，油井平臺(tái)上面的zigebee 模塊把無(wú)線(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)485 信號(hào)傳給油井RTU，再通過(guò)Mcwill 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊傳輸至1#混輸增壓間，最終通過(guò)光纖傳輸至中控室[5]，實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)測(cè)和調(diào)控管理。

1.3 數(shù)字化注水系統(tǒng)運(yùn)行效果

注水井?dāng)?shù)字化運(yùn)行依托數(shù)字化管理系統(tǒng)，由班組統(tǒng)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(yùn)行效果上看，注水效率提高十分明顯，不需要再進(jìn)行人工調(diào)控水井注水量，配水間實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守；從工作時(shí)長(zhǎng)來(lái)分析，常規(guī)水井每口井調(diào)控一次水量需要3 min，該區(qū)塊每天調(diào)一次水量節(jié)約工時(shí)4 h。從常規(guī)注水井和數(shù)字化注水井中隨機(jī)抽取10 口井進(jìn)行配注量對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。從表中記錄的數(shù)據(jù)可以看出：常規(guī)注水井有5 口井配注誤差超過(guò)配注管理指標(biāo)要求的20%。因此數(shù)字化注水系統(tǒng)在人力消耗和注水質(zhì)量上都有較大的優(yōu)勢(shì)。

表1 數(shù)字化注水井與常規(guī)注水井配注對(duì)比Tab.1 Annotation comparison between digital injection well and conventional injection well

2 數(shù)字化注水系統(tǒng)存在的問(wèn)題及分析

該數(shù)字化區(qū)塊目前已連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)2 100 余天，設(shè)備逐漸老化，數(shù)字化注水系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了一些問(wèn)題（表2）需要及時(shí)解決。

表2 2022 年注水?dāng)?shù)字化設(shè)備故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Fault statistics of water injection digital equipment in 2022

1）電磁流量計(jì)面板不顯示數(shù)據(jù)。在儀表供電正常的情況下，儀表面板沒(méi)有任何數(shù)據(jù)顯示，無(wú)法讀取當(dāng)時(shí)的瞬時(shí)流量和累積流量，自動(dòng)控制閥不動(dòng)作，上位機(jī)的數(shù)據(jù)不能及時(shí)更新。

通過(guò)多次檢修分析發(fā)現(xiàn)，該故障的主要原因是電磁流量計(jì)的電源保險(xiǎn)、中間接線(xiàn)板燒蝕造成的。中間接線(xiàn)板燒蝕故障的表現(xiàn)形式比較直觀(guān)，肉眼可見(jiàn)燒蝕位置，處理起來(lái)也比較簡(jiǎn)單，清除燒蝕部位，再用跳線(xiàn)重新焊接即可。電磁流量計(jì)還設(shè)有壓敏電阻和自恢復(fù)保險(xiǎn)，這些設(shè)計(jì)的基本功能都是保護(hù)流量計(jì)內(nèi)部電路，它們出現(xiàn)故障也會(huì)帶來(lái)儀表面板不顯示數(shù)據(jù)現(xiàn)象。

2） 自動(dòng)控制閥不能根據(jù)流量計(jì)指令調(diào)節(jié)水量。自動(dòng)控制閥的工作原理是根據(jù)電磁流量計(jì)指令驅(qū)動(dòng)控制板，當(dāng)控制板接到指令后輸出信號(hào)開(kāi)關(guān)閥門(mén)。自動(dòng)控制閥不能根據(jù)流量計(jì)指令調(diào)節(jié)水量故障的表現(xiàn)形式為：當(dāng)流量計(jì)的瞬時(shí)流量與設(shè)定流量相差0.05 m3/h 以上時(shí)，自動(dòng)控制閥不動(dòng)作；當(dāng)注水系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)改變時(shí)，該井不能自動(dòng)調(diào)節(jié)水量，此時(shí)雖然瞬時(shí)流量與設(shè)定流量出現(xiàn)差值，但閥門(mén)沒(méi)有開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

通過(guò)對(duì)故障原因的研究總結(jié)發(fā)現(xiàn)，引起自動(dòng)控制閥不調(diào)節(jié)的主要原因是控制板變壓器損壞?？刂瓢宓闹饕饔檬墙邮针姶帕髁坑?jì)的信號(hào)，根據(jù)電磁流量計(jì)信號(hào)指令來(lái)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥電動(dòng)機(jī)控制電路，通過(guò)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)關(guān)。

3）單干管注水井?dāng)?shù)據(jù)不能傳輸。當(dāng)油井?dāng)?shù)據(jù)傳輸正常，水井?dāng)?shù)據(jù)無(wú)更新，即可判定單干管水井無(wú)線(xiàn)通訊出現(xiàn)故障，此時(shí)中控室不能對(duì)該井進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。

從單干管注水井?dāng)?shù)據(jù)傳輸方式上來(lái)分析，首先要確定該水井?dāng)?shù)據(jù)依托的油井?dāng)?shù)據(jù)能否正常傳輸，該水井電磁流量計(jì)自身通訊功能是否正常。確定方法是用電腦讀取流量計(jì)內(nèi)部數(shù)據(jù)，如果上述數(shù)據(jù)均正常，再檢查zigebee 無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊，往往zigebee無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊損壞是導(dǎo)致單干管注水井?dāng)?shù)據(jù)不能傳輸?shù)闹饕颉Ｅ渥㈤g內(nèi)的有線(xiàn)數(shù)據(jù)也會(huì)出現(xiàn)不能傳輸?shù)墓收?，如果單?dú)一臺(tái)高壓流量自控儀不能進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊一般是總線(xiàn)分配器故障[6]。

4）電磁流量計(jì)不能正常檢測(cè)水量。數(shù)字化注水系統(tǒng)通過(guò)幾年的運(yùn)行，設(shè)備及零部件逐漸老化，故障率開(kāi)始上升。在2021 年底逐漸開(kāi)始出現(xiàn)正常注水時(shí)瞬時(shí)水量顯示為零的情況。故障現(xiàn)象是注水井正常注水，面板顯示瞬時(shí)水量為零，累積流量無(wú)變化，自動(dòng)控制閥處于全開(kāi)狀態(tài)，人為關(guān)小后立即自動(dòng)打開(kāi)。這種流量計(jì)面板顯示瞬時(shí)流量為零，自控閥門(mén)全開(kāi)的現(xiàn)象即為電磁流量計(jì)不能正常檢測(cè)水量故障，此時(shí)該井注水量嚴(yán)重超注，破壞注水系統(tǒng)平衡，浪費(fèi)大量水資源。

電磁流量計(jì)不能檢測(cè)水量的原因有很多，比如流量計(jì)內(nèi)部主板電路故障，顯示面板故障等等。通過(guò)大量的維修實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，引起該故障最主要原因有兩個(gè)：①電磁流量計(jì)內(nèi)部電極嚴(yán)重結(jié)垢，當(dāng)電極結(jié)垢后，儀表檢測(cè)不到水流切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，儀表即判定當(dāng)前流量為零；②流量計(jì)內(nèi)部電極導(dǎo)線(xiàn)腐蝕斷路，儀表同樣檢測(cè)不到電動(dòng)勢(shì)，致使面板顯示瞬時(shí)水量為零。

3 應(yīng)對(duì)措施

注水系統(tǒng)數(shù)字化運(yùn)行在油田生產(chǎn)中雖然取得了一些效果，節(jié)省了人力，提高了注水效率，但是也暴露出一些問(wèn)題。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定了應(yīng)對(duì)措施：

1）電磁流量計(jì)無(wú)顯示應(yīng)對(duì)措施。依托工作室對(duì)于簡(jiǎn)單故障自行維修，電磁流量計(jì)無(wú)顯示或顯示數(shù)據(jù)為零的問(wèn)題，通過(guò)簡(jiǎn)單的判斷即可找到原因。例如：先后處理多起電磁流量計(jì)中間接線(xiàn)板燒蝕、自恢復(fù)保險(xiǎn)失靈等故障：其中中間接線(xiàn)板燒蝕故障較為直觀(guān)，處理也比較容易，可以焊接或跳線(xiàn)連接即可；對(duì)于壓敏電阻、自恢復(fù)保險(xiǎn)損壞等故障處理起來(lái)相對(duì)復(fù)雜，需要具備一定的電子知識(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)量判斷是否損壞，對(duì)于損壞的及時(shí)更換。 配水間電磁流量計(jì)不顯示，用接線(xiàn)板跳線(xiàn)連接，重新焊接后恢復(fù)正常顯示功能。

2）自動(dòng)控制閥不能根據(jù)流量計(jì)指令調(diào)節(jié)水量的應(yīng)對(duì)措施。出現(xiàn)該故障后首先判斷板變壓器是否損壞，用萬(wàn)用表測(cè)量V1-、V1+，V2-、V2+兩對(duì)端子是否帶相應(yīng)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(hào)變壓器；如果變壓器完好則需要繼續(xù)判斷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是否損壞，驅(qū)動(dòng)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(hào)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板；如果還不能排除故障則直接更換控制板。通過(guò)以上三種方法即可排除該故障。

3）單干管注水井?dāng)?shù)據(jù)不能傳輸應(yīng)對(duì)措施。針對(duì)某注水出現(xiàn)的單干管水井?dāng)?shù)據(jù)不能傳輸?shù)膯?wèn)題，首先用電腦讀取流量計(jì)內(nèi)部數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示正常，再檢查zigebee 無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊，zigebee 模塊損壞，重新選用配件。為此，淘汰了廠(chǎng)家配備的無(wú)生產(chǎn)廠(chǎng)家、無(wú)性能參數(shù)、無(wú)組網(wǎng)軟件的模塊，重新選用了資料齊全、能自行組網(wǎng)的zigebee 無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊，方便后期購(gòu)買(mǎi)更新配件，擺脫了完全依賴(lài)廠(chǎng)家的現(xiàn)狀，保證注水系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

4）電磁流量計(jì)自控儀故障應(yīng)對(duì)措施。及時(shí)清理電磁流量計(jì)內(nèi)部電極結(jié)垢，防止電極導(dǎo)線(xiàn)腐蝕斷路，對(duì)于導(dǎo)線(xiàn)腐蝕斷路的及時(shí)更換，如4#配水間流量計(jì)電極導(dǎo)線(xiàn)腐蝕，更換導(dǎo)線(xiàn)后，正常顯示數(shù)據(jù)。對(duì)于自動(dòng)控制閥門(mén)失靈問(wèn)題，如3#配水間自動(dòng)控制閥門(mén)不工作，用萬(wàn)用表測(cè)量控制板變壓器兩對(duì)端子，無(wú)電壓顯示說(shuō)明變壓器損壞，更換變壓器后自動(dòng)控制閥門(mén)正常工作。

流量自控儀在維修后需要校準(zhǔn)，所以研制了高壓流量自控儀線(xiàn)下模擬運(yùn)行裝置。該裝置可以模擬水井生產(chǎn)工藝，對(duì)維修后的自控儀表進(jìn)行模擬運(yùn)行，再通過(guò)人機(jī)界面查看連續(xù)一段時(shí)間內(nèi)水流運(yùn)行曲線(xiàn)來(lái)判斷維修后效果，確保每臺(tái)設(shè)備維修后都能正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，再投入現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)使用。

4 結(jié)論

油田數(shù)字化轉(zhuǎn)型是國(guó)家新時(shí)期能源發(fā)展的需要，數(shù)字化注水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了注水流程有效監(jiān)控，提高了注水精細(xì)化管理水平[8]，對(duì)油田開(kāi)發(fā)穩(wěn)產(chǎn)、油田智能化管控水平提升意義重大[9]。

1）數(shù)字化注水系統(tǒng)適用性強(qiáng)。該數(shù)字化注水系統(tǒng)共有水井81 口，目前共有6 名員工，按工作量計(jì)算，投入水井管理用工不足0.2 人，極大地節(jié)省了人力。

2） 數(shù)字化注水系統(tǒng)與常規(guī)注水系統(tǒng)相比較，注水質(zhì)量高，注水合格率提高到100%，此項(xiàng)指標(biāo)對(duì)油田開(kāi)發(fā)有著重要的意義，符合注水?dāng)?shù)字化、智能化的發(fā)展需求。

3）該區(qū)塊數(shù)字化注水系統(tǒng)基本做到自維，降低了生產(chǎn)成本，解決了廠(chǎng)家維修滯后而影響生產(chǎn)的問(wèn)題。

4）通過(guò)對(duì)該區(qū)塊數(shù)字化注水系統(tǒng)的研究，保障注水指標(biāo)合格，注水系統(tǒng)平穩(wěn)、安全運(yùn)行，對(duì)數(shù)字化油田的發(fā)展建設(shè)具有重要的意義，充分發(fā)揮了現(xiàn)代信息技術(shù)在生產(chǎn)要素配置中的優(yōu)化集成作用[10]。