注水系统的在线诊断技术

雷创

中国石油天然气股份有限公司华北油田分公司，河北任丘 062552

注水系统的在线诊断技术

雷创

中国石油天然气股份有限公司华北油田分公司，河北任丘 062552

多年来，注水系统的运行主要依靠管理人员的认识和经验来实施，无法保证注水系统在优化状况下运行，实现注水系统的在线诊断是解决上述问题的重要途径。首先介绍了在线诊断技术的思路和诊断系统的构成，而后论述了变送仪表的微功耗无线数据采集、基于RTU的配水间无线数据集成监控、异构通讯模式下的集中监控、仪器仪表的管理、注水数据实时管理平台的开发等关键技术，在此基础上，分析了在线诊断技术在工程中实施的效果。实践表明，通过该项技术在车城油田5个注水站14台注水泵的应用，注水系统效率较应用前提高了0.35个百分点，注水单耗降低了0.06 kW·h/m3，每年可节约注水成本2.2万元，节约人工测试成本10万元，合计每年节约成本12.2万元。

注水系统；在线诊断；注水效率；能耗

注水系统是指注入水经机泵、注水管道、配水间输送到注水井井口的全流程。系统中的能量变化首先是电能转换为机械能，再转换为势能，从而实现把水注入到地层的目的[1]。多年来，注水系统的运行主要依靠管理人员的认识和经验来实施，无法保证注水系统在优化状况下运行，造成生产方案不尽合理，且得不到及时调整，致使注水系统效率低，注水单耗高。实现注水系统的在线诊断是解决上述问题的重要途径。

1 在线诊断技术思路

将整个注水系统划分为注水站、配水间、单井三个节点。对于注水站，通过对注水泵进出口压力、注水泵电参量、注水泵进出口注水量信息的采集、分析，实现注水泵工况的在线诊断[2-3]。对于配水间，通过对来水汇管压力、来水水量、单井注水量、单井配水间压力信息的采集、分析，实现管网效率的在线诊断。对于注水井，通过对配水间单井注水量、压力模拟计算，井口压力信息的采集、分析，实现单井注水状态的分析。通过对采集、计算得到的三个节点的数据进行分析整理，最终实现对注水系统的在线检测。

2 在线诊断系统的构成

注水系统在线诊断系统主要由现场采集系统、无线传输系统、后期数据处理系统三部分组成，见图1。

（1）采集系统。由注水计量仪表、压力变送器、电参量采集模块组成采集系统，见图2。注水计量仪表选用具有远传功能、无可动部件、性能稳定、精度高的旋涡流量计，选用具备远传功能的压力变送器，选用具有有功功率、无功功率、功率因数等电参量计算功能的电参量采集模块。

图1 注水系统在线诊断系统示意

图2 注水配水间采集现场

（2）无线传输系统。微功耗无线采集模块将采集的数据通过本地RTU、电台、光纤、网络传输至后期处理系统。

（3）后期处理系统。采集数据进入后期处理系统后，先分类存储至数据库，而后通过数据处理软件进行调用、计算，显示单井、管网、机组的实时状况，并对数据进行定期汇总分析，通过分析及时发现注水过程异常情况，及时调整和采取措施，最终实现对注水过程的精细管理[4]。

3 关键技术

3.1 变送仪表的微功耗无线采集

采用微功耗处理器以及高占空比的程序控制，通过定时直接读取指定地址数据的方式，实现运行参数的采集。通过流量计量采用通用采集模块+电子流量计方式（见图3（a）），压力计量采用嵌入模块+压力变送器方式（见图3（b））来采集注水量和管道压力，克服了传统数据采集的不可持续性、测试数据准确性差、桥架线缆材料消耗大的问题[5-7]。

3.2 基于RTU的配水间无线数据集成监控

图3 变送仪表的微功耗无线采集

将油井监控RTU控制器进行升级和简化。一是改进地址功能，支持MODBUS通讯协议，提供不同变送器的统一寻址方式。二是重配采集功能，通过子地址进行属性配置、功能设置，实现对变送器的属性区分。三是开发型号选择、应答模式、上报周期等功能，使常用的流量、压力变送器可以方便接入，并按照实际需求进行采集周期的设置。四是对配水间采集控制柜进行优化，将体积缩小为油井RTU控制柜体积的1/3左右，为快速安装、调试和移动复用创造便利，解决了采集仪表配置、管理和参数集成、上传问题。

3.3 异构通讯模式下的集中监控

在电参量采集方面，对电量采集模块进行配置，选用支持MODBUS-RTU协议的RS485接口，对无线数传电台、串口服务器、信号线缆等不同方式进行组合，达到电参量采集的监测要求。

在数据复用方面，利用INTOUCH监控系统软件的组态功能和数据库功能，对需复用的数据进行重新编码，保证了数据统一，实现了电参量采集数据的统一发布与存储。

3.4 仪器仪表管理

基于SQL SERVER2000数据库系统开发了“仪器仪表管理平台”，使用VS2008进行开发架构，建立多单位、多用户管理的仪器仪表资料网络化管理平台，设计快速提取、分析与各个采油作业区实时数据库相连的点位与仪表运行状态的模型，实时诊断检测各类设备的运行状态，实施集成基础设备设施管理、监控点位管理、历史数据追溯、越限报警提示、数据质量分析等功能。

3.5 注水数据实时管理平台的开发

注水数据实时管理平台实现了注水过程的实时监控、自动分析和注水系统效率在线测试，缩短了发现异常和采取措施时间，降低了人工录取、测试工作量，提高了注水过程的精细管理水平[8-10]。

（1）实时数据分析。通过实时录取单井配水间压力、瞬时流量、累积流量，结合地质日配注算出的合理流量，当瞬时流量不能满足或超过合理流量时提示员工注水异常，员工根据现场情况及时调节注水量或采取其他措施。

（2）阶段数据分析。围绕注水日常管理需求，按作业区、区块对单井超欠注、注水情况进行阶段统计，方便工区管理人员对各区块、单井注水情况进行分析。

（3）综合数据统计。根据注水管理需要，按阶段计算各作业区单位时间内的日注、日配、生产天数、平均日注、完成百分比，并统计了各作业区的总井数、开井数和注水合格井数，方便厂级管理人员及时掌握各单位的注水情况。

（4）系统效率在线计算。利用采集的电参量、压力、流量等参数，通过软件模拟计算出井口压力，实现注水系统效率的在线计算，减少人工测试工作量。

4 实施效果

目前该项技术在车城油田的5个注水站的14台注水泵进行了应用，通过实施数据分析，及时提示各项参数，注水系统效率达到54.35%、注水单耗达到6.34 kW·h/m3，较 2014年注水系统效率提高了0.35%，注水单耗降低了0.06 kW·h/m3，按车城油田日均注水0.13万m3计，电价按0.77元/（kW·h）算，则日节约用电合人民币60.06元，每年可节约注水成本2.2万元，同时节约了人工测试成本10万元，合计每年节约成本12.2万元。

5 结束语

（1）注水计量实时监控较好地解决了人工录取注水量资料的繁琐，资料真实性更强，同时缩短了发现注水异常情况和解决问题的时间。

（2）通过对注水泵电参量和管网压力的实时采集，实现了注水泵、注水管网工况的实时分析以及注水系统效率的在线测试，缩小了人工测试的工作量。

（3）注水实时管理平台的开发为日常管理以及地质动态分析提供了便利，进一步提高了注水过程的精细管理水平。

[1]方梦莉，刘晓妤.联合注水系统效率影响因素及优化措施[J].江汉石油职工大学学报，2012（7）：25.

[2]常玉连，高胜，郭俊忠.油田注水系统最优控制数学模型及系统设计[J].石油机械，2001（12）：24.

[3]姚萱萱.基于无线网络的油田注水远程监控系统研究 [D].西安：西安石油大学，2013.

[4]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[D].杭州：浙江大学，2006.

[5]郭哲.注水站库数据采集监控系统设计与实现[D].北京：北京理工大学，2014.

[6]石固欧，穆平.基于组态王6.53的注水站自动监控系统[J].石油机械，2013（8）：94-96.

[7]吴九辅，吴尽，李化龙.现场总线在油田注水监控系统中的应用研究[J].石油矿场机械，2008（7）：27-29.

[8]周兵.高升油田雷家区块注水系统能耗分布规律研究及应用[J].石油石化节能，2015（12）：9-11.

[9]赵乃卓，杨凯淋，关南楠，等.组态软件在油田注水站监控系统中的应用[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2016（5）：529-532.

[10]王辉萍，彭健，刘志海，等.油田注水生产大数据挖掘系统的研制及应用[J].中国石油和化工，2015（11）：58-60.

Research and application ofonline diagnosis technologyfor water injection system

LEIChuang
PetroChina HuabeiOilfield Company，Renqiu 062552，China

Water injection system running relies mainly on knowledge and experience.It is difficult to ensure the water injection system to run in optimization condition.Realizing online diagnosis for water injection system is the important way to solve the problem.This paper introduces the technical thoughts of the water injection system and the system configuration，and describes key techniques such as micro energy consumption wireless data acquisition transmitter，wireless data integral monitoring of water distribution room based on RTU，centralized monitoring in heterogeneous communication mode，instrumentation management，development of real-time water injection data management platform，then analyzes implementation effect of the online diagnosis system in engineering project.The application of the system in 14 water injection pumps of 5 water injection stations in Cecheng Oilfield enables the water injection system efficiency to raise 0.35%and energy consumption to reduce 0.06 kW·h/m3，and totalcost to save 122 000 yuan/a.

water injection system；online diagnosis；water injection efficiency；energy consumption

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.03.014

雷 创（1985-），男，陕西高陵人，工程师，2009年毕业于长江大学石油工程专业，主要从事油气田开发技术研究及管理工作。

2016-12-12

Email：cy5_lchuang@petrochina.com.cn