低渗透油田智能注水关键技术实践与探索

姚宇婧 王卫娜 魏子杰 李勇 李悦

[摘 要]本文针对低渗透油田注水系统在数据监测完整性、注水设备管理、系统联动控制、节能降耗等方面存在的问题，在长庆油田对注水泵本体监控、注水泵PID连锁控制、水源井变频调控、注水井远程控制、注水系统监控平台开发等智能注水关键技术进行探索与实践，以实现油田智能注水系统升级，优化管理组织机构，有效降低能耗，提高油田开发水平和管理水平。

[关键词]低渗透油田;智能注水;本体监控;PID连锁控制;变频调控;监控平台

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.22.038

[中图分类号]F270.7[文献标识码]A[文章编号]1673-0194（2020）22-00-02

0     引 言

油田注水是油田开发过程中向地层补充能量、提高油田采收率的重要手段之一。随着信息时代的到来，注水系统工艺流程由原来的手工操作逐渐演变为自动化操作，但目前长庆油田注水工作面临监测数据不完整，系统管理不完善，智能调配能力不足，与油井生产联动性管理较弱等问题，影响油田整体开发稳产。因此，实现注水系统智能化，对油田开发稳产、油田智能化管控水平提升意义重大。

1     油田数字化现状

1998年初，艾伯特·戈尔（Albert Arnold Gore Jr.）首次提出“数字地球”的概念，在全球引发了数字油田技术研究热潮。智能油田在数字油田的基础上，充分利用大数据和物联网等新一代信息技术，为油田生产和管理提供了有效的方法。比如，BP公司開发出集数据、专业软件以及研究成果于一体的管理平台;斯伦贝谢公司发布了DELFI勘探开发认知环境，提供了一个开放、共享的云端平台，推进勘探开发全过程协同与优化。长庆油田在当前发展过程中面临着油藏品质低（低渗-特低渗储层）、管理难度大、安全环保风险高等问题。自2009年长庆油田开展数字化建设以来，通过对油水井数字化建设及无人值守站点进行改造，目前油田数字化已基本实现全覆盖，完成企业资源计划系统、网络安全与信息安全系统以及交互式信息与高清视频会议系统上线等。这些成就为开展低渗透油田智能注水关键技术研究奠定了基础。

2     智能注水关键技术

2.1   注水泵本体监控技术

注水泵本体监控技术主要通过安装在设备表面的传感器及安装于供水泵房的数据采集器，实现设备运行时振动和温度数据的采集，通过系统软件处理和分析数据，并传输至服务器，进行设备故障诊断，为运维检修决策提供数据支撑。本文主要从硬件部署、数据应用、数据管理3方面分析该技术。

2.1.1   硬件部署

规范测点布置原则，离心泵在电机自由端（1H）、电机负荷端（2H）、泵驱动端（3H）、泵自由端（4H）4处进行测点布置，柱塞泵在电机自由端（1H）、电机驱动端（2H）、曲轴箱驱动端（3H）、曲轴箱自由端（4H）、活塞输入端（5A）、活塞输出端（6A）、十字头（7V）7处进行测点布置，实现设备运行时振动和温度数据的采集。

2.1.2   数据应用

①设备故障诊断。通过分析采集的数据进行设备故障诊断，实现对泵设备全生命周期的智能化管理。②设备状态判断。分析采集数据，判断泵运行状态，主要有正常、注意、警告、报警、危险5种状态。

2.1.3   数据管理

配套系统软件，满足现场设备对设备监测和故障分析，数据管理系统由设备管理、综合分析、统计报表、系统配置和系统自诊断5大模块组成。①设备管理模块。通过数据预览分析泵的状态，实现对泵状态的实时监测。②综合分析模块。通过诊断分析工具，实现泵状态评估、故障设备诊断分析、检修泵评估等功能。同时，对部分成熟故障实现智能诊断，并提供相应的诊断结论，包括机组的故障类型、部位、严重程度，为现场人员的检修维护提供依据。③统计报表模块。查询及导出已关闭的报警处理信息、系统状态、待处理故障等数据，其中，报表主要包括体检报告、诊断报告、停机报告等。④系统配置模块。系统配置模块主要用于用户管理、报警处理超时时间设置等。⑤系统自诊断模块。通过对此系统自身传感器、采集站状态等内容进行实时记录跟踪，实现系统自身状态的受控，保障监测系统正常运行。

2.2   注水泵PID连锁控制技术

注水泵PID连锁控制技术发挥注水站变频设备潜力以及数字化控制优势，根据注水系统工艺流程及工艺设备，对基于注水系统PID控制的恒压注水控制和环网压力平衡补偿算法进行研究，开发出对应的应用程序，实现相应工艺设备的连锁控制功能，进而实现设备自动变频及远程启停控制。

2.3   水源井变频调控技术

水源井变频调控技术通过采集水源井运行状态、流量、压力、电压、电流等重要数据，实现水源井连锁、水源井自动启泵、水源井电机保护等功能。

2.3.1   数据采集

配备PLC作为水源井数字化一体控制柜，采集水源井瞬时流量、累积流量、出口压力等数据，实现水源井重要数据的采集功能。

2.3.2   智能控制

①水源井连锁控制。以供注水站PLC为主站，水源井控制器为从站，通过监测注水站或供水站内原水灌的液位控制水源井变频器改变水源井排量并实现高启低停功能，同时监控水源井运行状态，当其远程控制失效时报警。②水源井电机保护控制。在数字化控制柜中配备智能保护模块，监测潜水电机的运行状态并进行诊断保护，当发生超压、欠压、过载等情况时，智能保护装置将自动切断电源，避免电机发生损坏，实现水源井启动、卡泵、干抽、过载、缺相、短路、欠压、过压、卸载等9项保护功能。

2.4   注水井远程控制技术

利用注水井远程控制技术可以升级流量测控装置机械部分、电机部分及控制部分，解决因注水井远程调配故障导致注水系统远程调配效率低的问题。

2.4.1   机械部分升级

针对目前叶轮式流量测控装置存在因水质杂导致叶轮阻塞无法准确读取流量等问题，将叶轮式流量测控装置更换为电磁流量测控装置，并在执行模块部分增加无阻流件，使其在杂物和悬浮物较多的水质环境下不影响其测量精度，确保机械部分不易发生故障。

2.4.2   电机部分升级

在原有流量测控装置基础上改进电机，并配备电机执行模块，通过接收智能控制器的信号调节磨轮调节阀，控制流量大小，延长电机的使用寿命。

2.4.3   控制部分升级

针对目前稳流配水仪存在测量精度低、电流电压不稳定等问题进行控制部分升级，在稳流配水装置计量部分加设无截流部件，使计量精度变高，电流电压信号稳定，保障控制部分的安全性。

2.5   注水系统智能化管理平台开发

分析注水系统数据监控点，完善现有数据监控数据源，基于水源井、供（注）水站、注水井于一体的注水系统，开发完善的智能注水监控管理平台。从两个层面开发注水系统监控平台：第一层面为全流程监控平台，主要对水源井、供水站、注水站、注水井实时数据进行分类监控，包括压力、流量等重要信息，实现对关键数据的异常报警;第二层面为智能平衡管理平台，包括供水、注水以及环网等三大平衡控制，对供水系统与注水系统内的工艺设备进行站内闭环联动控制，实现水源井到供水站再到注水井的工艺过程监测与水量平衡控制，以实现对供水站、注水站以及相关注水干线环网的宏观平衡调控，并优化报警管理系统，二次开发报表管理模块的应用功能，进而实现注水全过程的信息化管理。

3     实施效果及前景展望

低渗透油田智能注水关键技术目前正应用在某百万吨采油厂中，已形成一套较完整的集智能油田、智能注水等方面的相关技术理论体系，实现了注水系统整体智能化控制，盘活了用工人数，有效降低了能耗，以百万吨采油厂盘活25人为例，长庆油田预计可盘活劳动用工600人。同时，智能注水关键技术将给其他油气田单位及其他能源领域提供智能技术支持。

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