油田注水生产物联网系统的研究及应用

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摘要：本文针对目前油田注水系统的主要问题，结合物联网技术的最新发展和智慧油田的建设理念，以满足油田实际需求为设计目标，研制了以基于物联网的注水井智能监控系统，实现远程注水生产数据实时采集、工况预警、故障诊断、措施优化、优化控制和措施评价，进而提高注水管理的自动化和智能化水平。

关键词：物联网；注水井；流量控制；智能优化

1 前言

注水作为补充地层能量的有效手段，已得到油田的广泛应用，但是在油田实际的注水系统运行过程中，一直以来，注水井生产都是到井场、阀组间、注水站采用人工调节方式来控制单井注水量。传统的注水系统存在以下问题：1）注水量误差大。大多数油田采用的工作方式都是人工抄表、人工控制，由于井口电子水表测定的只是累积流量，造成现场注水井注水量没有瞬时流量数据，或者注水量误差大，不能准确反映注水量；2）及时性差。由于井口情况只能通过值班人员现场巡井才能了解，造成井口出现问题后不能及时发现、了解和排除；3）巡井工作量大。由于水井分布范围大，造成现场工人的巡井工作量大，巡井人员在野外工作，工作环境差、劳动强度大；4）注水量调节困难。因油田开发策略的要求，注水井有可能需要改变配注量，目前大多采用人工方式来调节注水量，无法实现远程自动调节；5）安全性差。配水间、注水井、注聚合物井都处于高压状态，存在安全隐患；6）井场无供电。绝大多数的注水井井场无供电，常规的自动化采集系统不能适应注水井工况采集控制。因此，油田急需注水井工况自动测控系统实现注水量的全自动智能调节。

近年来，物联网技术正在逐渐应该到各行各业，为相关行业的技术进步起到了显著的加速作用。随着以物联网技术为基础的智能油田建设进程的加快，各油田在油油气水井智能化建设方面已取得显著成效，对于油水井数据的实时采集、可靠传输和智能控制得到大量的应用，为油气生产过程的自动监控系统建设奠定了相应技术基础[1-3]。

2 注水物联网系统设计

油田注水生产物联网系统由注水工况采集控制系统、车载多功能维护设备（包括施工参数采集控制系统）、数据传输系统和分析优化系统组成。油田注水智能运行维护系统通过采集注水井实时生产数据和施工过程数据，同时结合历史数据、分析化验数据，进行注水工况诊断，结合诊断结果进行相应优化设计，通过自控装置或系统维护设备进行优化施工，同时采集实时施工参数，对施工效果进行评价。该系统具备注水井生产状况实时监控、生产动态分析预测、生产工况实时诊断、工艺参数智能优化、施工效果实时评价等应用功能。系统平台构架如下图1所示：

图1 油田注水生产物联网系统平台构架设计

油田注水生产物联网系统由感知与控制层、传输层和应用层组成。

感知与控制层：采集控制终端RTU、无线压力传感器、 FirstCon流量自控仪（流量计+执行机构+调节阀）、太阳能电池供电系统等。

传输层：可配接GPRS、CDMA EVDO、SCDMA、McWiLL等多种远程通讯设备，实现本地和远程监视及设定参数。

应用层软件：数据管理、实时工况分析、故障诊断、系统效率及损耗分析、生产参数优化、效果评价、智能控制等。

3 系统功能特点

油田注水生产物联网系统具有注水井生产状况实时监控、生产动态分析预测、生产工况实时诊断、工艺参数智能优化等应用功能。用户通过系统远程设置注水井日配水量，相关信息通过移动网络发送到流量自控仪，进行当前流量和设定值比对，利用PID算法自动调节阀门开度。同时将即时流量数据和累计流量数据以及各种压力数据，传送到RTU，利用CDMA＼GPRS等公用移动网络将数据回传到油田企业内部网，在水井服务器端经过雅丹iWES系统分析计算自动生成相关报表并通过局域网在网页上，见图2。

图2 注水生产智能监控系统

该系统具有：

（1）整体采用撬装结构，可以很方便的实现安装和更换；

（2）供电方式灵活：对于井场无供电的注水井，可以使用太阳能光伏供电、电池供电，对于井场可供电的注水井，可以采用工业供电模式；

（3）设置方便：系统设置菜单全中文化，具备手动控制和自动控制功能；

（4）低功耗：采用套筒式流量自控装置实现高压（35～45MPa）注水智能调控，高压差调控扭矩小、节能，整套设备额定功率仅为15W；

（5）硬件接口与通信标准化：系统硬件接口和数据通信采用标准化设计，简化了培训和维修，各厂商之间的设备也能灵活互联互通，扩展了设备选择范围，降低了集成成本；

（6）系统功能齐全：就地显示积累流量、瞬时流量；在流量范围内任意设定流量；自动调整流量，使瞬时流量保持稳定；有电流输出、电压输出、脉冲输出、RS485等多种输出形式；可加压力传感器，按井口压力控制流量，防止倒流。

4 系统应用效果

截止到2013年7月底，该系统在青海油田累计投入应用数百套，取得了良好的应用效果。

（1）注水系统工况实时采集。（注水井）：油压、套压、干线压力、温度、套管流量、油管流量、 电磁阀门开度等；（配水间）：干线压力、油压、温度、流量、电磁阀开度等。应用该系统后，可以实现对注水井生产参数和设备运行参数的实时采集与，如下图3所示，注水参数的实时采集，取代了传统的人工巡视抄表，降低了工作人员劳动强度，保证了数据的准确性，提高了注水井管理的时效性和自动化水平。

图3 注水井实时采集数据

（2）实时分析优化。实现注水系统生产数据的实时管理、实时分析、实时优化、实时控制、智能预测等。具有注水生产动态实时监控、生产信息统计分析、生产工况实时诊断、工艺流程智能优化、关键告警集中表现、生产KPI动态展示、生产设备管理、生产指挥调度等应用功能。

（3）压力波动下实现恒流注水。系统可在自动运行模式下，根据设置的流量值进行流量的自动调节，实现平稳注水。跃新33井在8月26日至9月2日期间注水井压力出现大幅波动，然而注水量曲线保持平稳，达到了恒流注水的目的。具体如图4所示。

图4 压力波动下恒流注水曲线图

（4）真实反映注水井井况。观察图5中油管日注水量的变化趋势，发现跃新33井在9月20日以及10月25日左右注水量大幅波动，现场查证表明，9月20日左右为泵站停水、10月25左右为关井测静压，因此该智能注水远程调控系统能够反映注水井的真实井况。

图5 日注水量曲线图

（5）阀门开度自动调节，精确完成配注。在注水过程中，根据采集的当前流量，与设定值进行比较，如果超出偏差范围，则根据PID算法自动调节阀门开度，如下图6所示。跃新33井配注量为48方/天，安装该智能调控系统对注水量的控制十分精确，保证日注水量47.56方/天，误差在1%以内，满足配注要求。

图6 阀门开度PID自动调节

该系统在青海采油一厂推广应用以来，在雅丹iWES系统软件平台地支持下，实现了不同厂家仪表的互联互通、注水参数的实时采集、注水量的实时调配、相关报表的自动生成等，有效提高了注水井管理的自动化、智能化水平，降低了工作人员劳动强度和生成管理成本。

作者简介

田军（1982-）男，汉族，山东曹县人，助理工程师（现任职称），主要从事自动化仪表维护工作。

胡文娟（1986-）女，汉族，陕西长武人，助理工程师（现任职称），主要从事自动化仪表维护工作。