注入井远程配水技术的应用及效果

孔维海（大庆油田有限责任公司第三采油厂）

注入方案的执行精度和执行效率，是保障油田开发效果的前提，传统的人工巡检调节工作方式，不仅劳动强度大、耗时时间长，同时也无法做到数据参数的实时监控和采集，当站内泵压或井口油压发生变化导致水量变化时，无法及时进行调节，站内或井场有突发状况时，更不能及时处理。通过设计研发注入井远程配水系统，该系统依托油气生产物联网系统、油井远程测控终端（简称RTU）及控制装置，对注入系统工艺流程进行改造，实现了注入系统的远程数据采集、实时监控、远程水量自动调节及参数异常报警等功能。

1.1 功能简介

注入井远程配水系统由数据采集与控制、数据传输、生产监控三个部分组成。数据采集与控制系统通过在注入井口上增配流量自控仪，根据控制系统中设定的水量值，实现水量的自动调节[1]；
注入井通过绑定油井RTU，达到对生产数据远程采集、系统实时监控、参数远程设定[2]。数据传输系统通过与油井RTU 建立心跳包机制，利用通讯网络将数据传给上位机。生产监控系统将数据传输系统的数据存储在实时数据库中，并与油田现有的A2 系统和A5 系统建立关联数据库，通过工控机上设置的组态系统实现数据分析、监测与控制。

该系统通过法拉第线圈感应原理进行流量测定，实现了测量管内无阻流，有效降低了因管内堵塞、压力损失等造成的卡表情况的发生概率；
注入井远程配水系统配备蓄电池，实现了在停电情况下仍能够连续测量瞬时水量和累计水量；
系统配备存储器，可以实现在信息传导发生故障时，系统仍然能够通过存储器中的设定值进行水量调节。系统设计了日常报表统计与打印，压力、温度、液位等参数的监控显示、异常情况报警灯功能，方便了日常的生产管理。注入井配水系统结构见图1。

图1 注入井配水系统结构Fig.1 Structure of water distribution system for injection water well

1.2 数据采集处理

某油田整体监控系统是利用基于TCP/IP 的Internet 进行数据传输，由于采用IPV6 无状态获取机制，设备上线必须依赖油井心跳机制建立上位机与油井IP 的映射关系，上位机的数据通信通过与连接的采油井RTU 建立基于Socket 的心跳包机制[3]，流量控制系统定时发送信息至RTU，代码每隔几分钟发送一个固定信息给控制终端，控制终端收到后回复一个固定信息并把信息传输给上位机，如果RTU 在预定的时间段内未收到信息，则认为流量控制系统断开。通过心跳包机制系统形成相互监测、相互复位。因此注入井的数据采集传输必须嵌入到整体监控系统中，也就是数据访问通过油井建立的心跳包机制传给上位机。具体做法是将注入井井口设备与已安装采油井RTU 通过RS485 通讯线相连，绑定两者的ID，当上位机访问该采油井的IP 时，上位机就可以读取注入井存储在油井RTU 的寄存地址，采集传输注入井数据[4-5]，注入井配水系统数据采集流程见图2。

图2 注入井配水系统数据采集流程Fig.2 Data collection process of water distribution system for injection water well

1.3 远程水量调节

1.3.1 方案设计

为了实现注入系统对来水阀的状态远程监测和远程控制，对应急响应、事故处理的可操作性、可靠性进行分析，提高事故处理的能力，方案设计选用GLZ 型电磁自控仪根据给定的水量设定值实现远程水量自动调节。电磁自控仪的电动执行机构的主要功能是远程接收流量所反馈的传输信号，接收的数据信号再由RS485 通讯线传送到油井远程终端单元（RTU），其输入电压为220 V。

充分考虑系统出现停电、数据传输故障、注入水矿化度升高或杂质多引起的测量管内径发生变化、卡表等状况出现，对控制器进行加装改造：为了防止发生停电累计流量数据丢失，流量计部分安装蓄电池，系统保存了累计流量值，因此不影响系统计量。寄存器存储保存上一通信节点的设定值进行水量调节，当数据传输出现故障，仍不影响正常水量调节。

流量测量应用电磁感应原理，流量计的测量管是内衬绝缘材料的非导磁合金短管。两只电极沿管径方向穿通管壁固定在测量管上。其电极头与衬里内表面基本齐平。励磁线圈由双向方波脉冲励磁时，将在与测量管轴线垂直的方向上产生一磁通量密度为B 的工作磁场。此时，如果具有一定电导率的流体流经测量管，将切割磁力线感应出电动势E。电动势E 正比于磁通量密度B，测量管内径d 与平均流速V 的乘积、电动势E（流量信号）由电极检出并通过电缆送至转换器。转换器将流量信号放大处理后，可显示流体流量，并能输出脉冲，模拟电流信号，用于流量的控制和调节。测量管内无阻尼部件，减少了堵塞甚至卡表情况的出现。

1.3.2 调节流程

注入井远程配水系统执行机构会根据设定的流量自动通过电动机的旋转调节阀门的开启度（PID控制），注入井配水系统水量调节流程如图3 所示，首先给PID 控制器一个单井流量的设定值，以5 s 为周期将所测量到的瞬时流量值与该设定流量值相比较。PID 控制器通过接收过程变量（瞬时流量），与目标设定值做比较，得出系统误差，PID 控制器根据系统误差大小计算出调节量，并将这一控制信号发送到流量调节系统（电动机、调节阀等），调节系统接收到控制调节指令，通过电动机调节转数，调节阀门开启度。当测试的瞬时流量超过给定的设定值上限，PID 控制器发出命令，将阀门调小，当测试的瞬时流量低于给定的设定值下限，PID 控制器发出命令，将阀门调大，阀门的开启度决定了流量的调节大小，再经过流量测量，将流量信号传输给控制器，形成闭合回路，为了防止控制系统频繁调节流量，设定流量调节下限为0.1 deg/h。

图3 注入井配水系统水量调节流程Fig.3 Flow of water adjustment of water distribution system for injection water well

PID 控制具有较好的系统稳定性，操作方便，该技术广泛应用于工业过程控制中。PID 控制是由比例控制、积分控制和微分控制三部分组成，其中比例控制主要作用是调节系统响应速度，可以减小系统稳态误差，但不能消除系统稳态误差；
积分控制主要作用是积累系统误差并输出变量，可以消除系统稳态误差；
微分控制是通过系统误差的变化速率，提前给出控制调节，具有超前预判的作用。PID 控制技术应用于注入站控制系统，PID 控制流程如图4 所示，首先给PID 控制器一个单井流量的目标设定值，即单井的开发方案设计值，PID 控制器接收到过程变量（瞬时流量），与目标设定值作比较，得出系统误差，PID 控制器根据系统误差大小计算出调节量，并将这一控制信号通过中央控制器，把控制变量传输给变频器，变频器接收到指令后，根据数据调节流量大小，调节转速，继而调节注聚泵的排量大小。这个控制过程不断循环，形成闭合回路。当控制变量与设定值之间的系统误差在设定的误差范围之内（通常界限值为10%），即输出的流量满足开发方案设计要求，则输出实际流量。与人工调节阀门方式相比，PID 控制技术可以避免因泵压、泵效等外部条件发生变化，而引起的流量变化，确保了注入系统运行的连续性和平稳性。

图4 PID 控制流程Fig.4 Flow chart of PID control

2.1 方案实施

某油田现场改造80 口注入井流程，在井口安装了GLZ 型电磁自控仪，采集瞬时和累计流量[6-7]。在每口井的注入管路安装了2 个压力变送器，分别安装在井口和来水干线上，采集泵压和油压等压力参数数据[8]。绑定注入井与已安装RTU 设备的采油井ID，上位机访问油井IP 时，就可以读取注入井的生产数据，各项生产参数的传输采用RS485 通讯方式，通过上位机输出的控制调节信号，实现远程水量调节[9-10]，将井口设备与油井RTU 间用RS485通讯线相连，采取与流量自控仪供电电缆同沟的方式节省施工成本。

2.2 应用效果

技术应用后，80 口注入井平均单井日实注由65.9 m3下降到64.3 m3，平均单井日节约注水1.6 m3，年可节约注水4.672×104m3，油田处理污水单价价格为5.8 元/m3，可实现节约费用27.097 6 万元；
方案符合率由95.06%提高到97.61%，提高了2.55 个百分点。技术应用前共有41 口井方案符合率在95%～96%，仅有10 口方案符合率大于或等于97.0%，技术应用后，共有61 口井方案符合率大于或等于97.0%，达到了单井方案精准执行的目的，注入井远程配水技术应用前后效果见表1。

表1 注入井远程配水技术应用前后效果Tab.1 Before and after effect of remote water distribution technology for injection water well

注入井远程配水技术，针对传统注入工艺弊端进行设计改造，应用后实现了注入井注水量的远程调节和各项生产参数的远程录取、实时监控，克服了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、欠的问题，实现了无人值守、精细配注，降低了生产管理费用，提高了油田安全生产的能力。

注入井远程配水技术解决了注水系统运行与管理的脱节问题，单井的注入方案符合率大幅度提高，达到了单井方案精准执行的目的。下步将继续对系统稳定性进行深入研究，通过网络、电路的优化保证该技术在生产现场稳定可靠运行。