数字化监控系统在采油三厂油田注水中的应用

郑新军 赵荣奎 董青春 沈文伟 梁晓芳

（中国石油长庆油田分公司 第三采油厂，宁夏 银川750006）

1 绪论

1.1 国内外生产自动化技术现状分析及发展趋势

总的发展趋势：目前大公司与仪表厂，向成套或系列化发展，在基本工艺近似的情况下，向多品种发展；小公司与仪表厂则在专用仪表方面寻求一席之地，生产特殊结构的仪表或传感器。新技术在仪表中得到应用：近年来，微机、红外线、激光、超声、核辐射技术在仪表中得到广泛应用，从而大大增加了仪表的性能和功能，使仪表具有不同程度的智能作用。

1.2 长庆油田注水过程简介

长庆油田位于鄂尔多斯盆地，属于特低渗透油藏。自20世纪80年代注水开发以来，针对特低渗透油藏的开发，采用了适合特低渗透油藏开发的地面注水工艺。目前长庆油田注水过程为水源井来水进供注水站，经计量、精细过滤水处理后，通过注水泵加压，由高压阀组计量分配，通过一条注水干管输至配水间，在配水间控制、调节、计量，输至注水井注入油层。

1.2.1 环网注水，压力波动影响有效注水

面对无法选择的地质地貌，针对特低渗透油藏开发的实际，应用联网注水工艺能够极大地简化流程，提高注水效率，优化了水源。但是，随着油田注水规模的不断扩大，原有的注水系统局部管网负荷过重，部分压力高的注水井达不到相应配注，采取干线提压，造成系统能耗高、效率低下，同时环网注水系统中单井注水量会因注水压力的变化相互干扰，由于环网注水导致超欠注问题亟待解决，它与油田精细注水的矛盾也日益增大。因此，在满足全油田注水量的前提下，如何提高环网注水系统效率是一项十分值得研究的课题。

1.2.2 注水系统环节多、资料录取难度大

日常注水资料主要包括水源、供水、注水过程中涉及的液位、注水分压、管压、注水流量等参数，资料均以报表的形式体现，由于注水井位置相对分散，没有约束手段保证员工能够每两小时按照配注对注水量进行调节，管理难度大，这也对注水参数的真实性带来了疑问，这样的数据对于整个注水系统的分析意义不大，也对决策起到了非常大的负面作用，甚至会误导决策。

1.2.3 注水生产与管理脱节

在实际管理过程中，作业区往往按照油系统基本生产管理单元对注水系统管理，注水站仅对自身进行管理，注水井的管理则归属于配水间所在井场的上级集输站点管理，这就造成了注水系统生产运行和管理的脱节。

1.3 建设意义和主要内容

采油三厂作为长庆油田最大的一个采油厂，各类注水站众多，注水井开井达1877口。由于建设时期不同，受当时建站技术、资金、环境等各方面因素的限制，注水井站建设水平高低不同，特别是在自动化技术装备方面差距较大，严重制约了油田生产，采油三厂从2008年开始着手对数字化注水监控系统进行研究。

1.3.1 建设的意义

对油田注水系统重要生产环节实现自动监控，达到精细注水以及节能降耗目的。从近阶段来看，提高油田注水系统效率是目前油田最大的降本增效点，要真正实现这一目标，以实现节能降耗，最有效的方法就是实现油田注水泵系统重要生产环节实现自动监控。对油田注水系统生产过程实现自动化管理后，能够提高注水井站生产管理及运行水平。

1.3.2 建设的主要内容

本文对油田数字化注水系统的应用进行了研究，主要内容如下：

（1）对油田的注水系统工艺过程分析。课题的应用对象是水源井、注水站、注水井，首先对注水系统的生产工艺过程进行系统分析，与传统注水系统过程管理方式进行对比，确定各个环节的检测和控制参数是系统设计的第一步。

（2）根据系统的工艺过程要求，对自动化测控系统进行总体设计。研究确定系统结构、数据通信方式、组网方式、数据采集、自动控制等技术方案。

2 数字化注水监控系统总体设计方案

2.1 系统设计要求

对于油田数字化注水监控系统，从油田生产和实际需要的角度出发，提出了以下设计要求：系统性、先进性、可靠性、准确性、可扩展性、安全性、共享性、兼容性。

2.2 系统功能

根据长庆油田的基本注水过程，系统主要包括水源井、供注水站、注水井三个主要组成部门，系统必须具备以下基本功能：

数据同步采集：注入地层的水通过水源井、供注水站、注水井的整个过程中的所有数据同步采集。站控实现动态立体流程图显示，能实时动态显示生产参数的变化情况，实时参数异常报警，历史记录查询及生产参数趋势显示等。

注水量自动调节：注水阀组各注水井的注水流量、压力能够传输至注水站，同时注水站可以实现注水量远程设定，包括操作控制、参数设定、阀门的自动控制等。

2.3 系统结构

采油三厂数字化注水监控系统为解决目前注水数据不能同步采集、注水生产流程与管理流程脱节的两大问题奠定了基础。注水系统采取厂、作业区、基本生产单元逐级管理的模式，数据传输则通过各个注水监控单元对底层数据采集后，通过通信网络将数据传送到厂数据服务器，作业区调控中心、厂级调控中心与数据服务器进行数据交换，数据将在厂、作业区调控中心监控界面显示，完成对整个系统进行监测和控制。

2.4 数据传输方案

2.4.1 注水站内部数据传输

注水站、联合站注水系统通常选用西门子/安控PLC作为主站。分布式I/O、传感器、驱动器、执行器等。主站(PLC、PC机等)负责通信管理及下设仪表通信。

2.4.2 外部数据传输

（1）数传电台方式

无线数传电台是利用先进的单片机技术、无线射频技术、数字处理技术设计的功率较大、体积较小的模块式半双工数传电台。所以针对采油三厂油区的特殊环境，尤其水源井的位置相对较远、单独架设光缆费用较高、无线传输可视条件差的现状，我们选取数传电台作为水源井设备的通讯方式。

（2）Zigbee 无线通信方式

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。针对油田井场区域小、数量多的特点，我们选取ZigBee的低成本、短距离通讯方式实现井场内配水间与井场主RTU的通讯，设备则选择了国内技术较为成熟的Super32-L系列RTU。

（3）光纤、无线网桥综合使用通信方式

2005年我厂开始进行大规模网络建设，经过几年的建设，已经形成了覆盖全厂各单位的网络，目前光纤已接入大多数站点，井场通过光纤和无线网桥的综合使用也具备网络通讯能力，可以为采油厂数字化监控系统提供数据通道。

3 检测仪表与执行机构的选择

3.1 磁电/电磁流量计

对于注水站这样的生产现场，由于本站采集的参数和控制点相对较少，主要对下游配水间进行加压、供水，同时设备安装在室内，有人值班，所以站内流量仪表通常选用具备流量监控并自动累积功能的流量计，即：磁电/电磁流量计。

3.2 高压稳流自控仪

稳流配水技术是通过设定流量，控制器把瞬时流量值和设定值进行比较，若该差值大于死区规定的范围，控制器就会发出指令，驱动电机正旋或反旋来调节阀门，使瞬时流量值接近或等于设定值，对单井配注量进行自动调节，从而使单井配注量始终保持恒定。其注水工艺流程如下图：

图1 注水工艺流程

稳流配水技术可以克服单井注水量相互干扰、环网注水因压力波动而产生的注水量超、欠问题；稳流配水阀组在工厂预置，现场组装工作量小，建设周期短，能够加快投转注速度。该装置结构简单、重量轻，可以整体搬迁，能够适应长庆油田超前注水开发需要；稳流配水阀组无需随时进行人工调节，实现了无人值守，生产岗位较少，生产管理费用较低。

4 数字化注水监控系统的实现和应用

4.1 现场监控工作站软件设计

系统软件设计采用注水过程管理的思想，注水站、联合站注水系统对站内以及上下游数据进行采集；调控中心通过数据库调用能够显示整个作业区注水系统的全局画面，通过多级画面切换实现各级注水情况监控的目的。

4.2 注水站软件界面介绍

软件操作画面的设计采用主菜单的形式，每幅画面通过菜单按钮进行切换，站内软件能够实现对注水站内、上游水源井、下游注水站参数采集，同时能够实现水源井启停、远程配注等控制功能。

注水站主界面：显示注水站内来水流量、水罐液位、泵压力、注水分压、管压以及各注水干线注水量。

水源井控制界面：注水站能够直接管理上游水源井，实现水源井出口流量、泵电参采集，能够远程启停水源井。

注水井配注界面：能够监控注水站干线来水流量、压力，配水间分压、总瞬时流量，同时能够采集每一口注水井管压、注水瞬时流量、累积流量，可以实现配水量设定，进行注水井远程配注。

4.3 作业区调控中心软件界面介绍

全区注水界面（一级界面）：作业区调控中心一级界面能够直观显示全区目前注水基本状况，其中包括水源井运行状态、排量，各注水站水罐液位以及干线压力、排量等参数。

二级界面：二级界面分别包括水源井数据监控界面、注水站数据监控界面以及各干线监控界面，它们分别详细地将水源井、注水站、注水干线数据进行显示，数据与注水站所采集的一致。

三级界面：三级界面主要显示各单井点配水间压力、流量、配注量、超欠注等参数，通过三级界面的监控达到根据全区注水情况调节供水、注水，根据注水井压力调节系统压力，对产水量、注水量实时监控，使数字化在精细注水中发挥作用。

5 结论与展望

5.1 结论

注水是油田生产过程中非常重要的生产环节，过程涉及多种工艺，其自动控制的程度代表了数字化在油田应用的水平。通过采油三厂在注水井、站应用数字化监控系统，效果良好，取得了几点认识。

对生产工艺过程准确分析是设计数字化监控系统的前提。油田注水系统生产过程包括压力、液位、流量等多个参数的控制，系统压力与流量相互影响较大，所以控制方案必须选择合理，否则会出现误差，甚至导致系统不能稳定运行。

系统设计的目的在于通过技术手段解决目前因生产管理结构导致的注水系统运行与管理的脱节问题，通过对水源井、注水站、注水井系统性的管理达到精细注水、安全注水。

检测仪表和执行机构的选择是自动化设计的第一步，是保证整个系统正常运行的基础，我厂根据系统控制的要求，结合现场管理实际选择了检测仪表与执行机构，选用合理，运行可靠。

5.2 展望

本系统的投用，有效保证了注水系统的平稳性、安全性，极大地减轻了工人劳动强度。但由于监控点的供电、网络、设备稳定性存在缺陷，在监控数据的稳定性方面还不是很理想，仍有许多工作有待完成。

对系统稳定性进行研究，通过网络、电路的优化保证系统运行的基础稳定，同时不断对现有稳流自控装置的运行环境、可靠性进行优化。

［1］鲍秀华.油田集输、注水泵站生产自动化监控系统的应用研究[J].

［2］董巍,等.长庆油田注水地面工程技术优化分析[Z].

［3］方鹂,等.Q-SY CQ 3419-2010注水站建设标准[S].

［4］方鹂,等.Q-SY CQ 3358-2009生产终端建设要求[S].

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