摘要：為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)應(yīng)用油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（Ａ１１），提升注水井日常管理的科學(xué)性和有效性，大慶油田某采油廠研發(fā)了注水井自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用在井口加裝流量自控儀和在干線兩端分別加裝兩個(gè)壓力變送器的改造方案，利用Ａ１１現(xiàn)有油井ＲＴＵ，使加裝儀表能與工區(qū)中控室的工控機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)了注水井水量自動(dòng)計(jì)量及遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)、油壓泵壓遠(yuǎn)傳及異常報(bào)警、生產(chǎn)報(bào)表自動(dòng)生成等功能�？墒箚尉畬�(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)注入，提高了注水效果和計(jì)量精度。
０引言
為加快業(yè)務(wù)領(lǐng)域的數(shù)字化、信息化建設(shè)，全面提升企業(yè)的整體管理水平，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司在《中國(guó)石油“十二五信息技術(shù)總體規(guī)劃”》中提出了建設(shè)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（Ａ１１）項(xiàng)目，并立項(xiàng)開(kāi)展試點(diǎn)和推廣工作。大慶油田某采油廠作為Ａ１１示范工程試點(diǎn)單位之一，在２０１６年底實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的整體上線運(yùn)行。隨著系統(tǒng)逐步深入推廣使用，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)油井、計(jì)量間、聯(lián)合站生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程獲取和生產(chǎn)預(yù)警等各項(xiàng)功能，提高了生產(chǎn)集輸過(guò)程中日常管理的科學(xué)性、及時(shí)性和有效性。但是，作為生產(chǎn)管理重要組成部分的注水井管理并沒(méi)有納入項(xiàng)目建設(shè)之中。在以往的注水井管理模式中，采油工需要每天巡檢兩次，人工調(diào)控水量，不僅耗時(shí)費(fèi)力，還存在調(diào)控誤差，而且在兩次巡檢之間，如果壓力水量發(fā)生變化，甚至?xí)l(fā)生注水表“卡表”的現(xiàn)象，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并調(diào)控。所以，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確、全面采集，為建設(shè)數(shù)字化油田打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，技術(shù)人員以問(wèn)題為導(dǎo)向，研發(fā)了一套注水井自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托Ａ１１現(xiàn)有遠(yuǎn)程終端單元（ＲＴＵ）、通信網(wǎng)絡(luò)、工控機(jī)，對(duì)注水井配水間工藝流程和Ａ１１組態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了功能性改造。同時(shí)，結(jié)合注水井日常管理模式，編制了預(yù)警分析軟件。建立起一套可實(shí)現(xiàn)注水井水量積算及遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)、油壓泵壓遠(yuǎn)傳及異常壓力報(bào)警、生產(chǎn)報(bào)表自動(dòng)生成的注水井自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。
１系統(tǒng)簡(jiǎn)介
如圖１所示，Ａ１１油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)可分為數(shù)據(jù)采集與控制層、數(shù)據(jù)傳輸層、生產(chǎn)監(jiān)控與管理層共三層模型架構(gòu)。
注水井自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)依托Ａ１１系統(tǒng)的三層模型架構(gòu)，著重對(duì)數(shù)據(jù)采集與控制層和生產(chǎn)監(jiān)控與管理層進(jìn)行功能性改造，利用數(shù)據(jù)傳輸層支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)了注水井自動(dòng)配水和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理的總體目標(biāo)［１］。
在數(shù)據(jù)采集與控制層，該系統(tǒng)選擇了在注水井井口加裝帶有電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量控制器，以及在干線來(lái)水口和去井口兩端加裝壓力變送器的工藝改造方案，實(shí)現(xiàn)了日注水量、瞬時(shí)水量、壓力的自動(dòng)計(jì)量和瞬時(shí)水量調(diào)節(jié)的功能。同時(shí)，各加裝儀表通過(guò)４８５通信電纜與Ａ１１現(xiàn)有油井ＲＴＵ相連，使ＲＴＵ能讓采集和控制命令進(jìn)行上傳下達(dá)，將注水井自動(dòng)配注體系嵌入進(jìn)數(shù)據(jù)采集與控制層之中。
在數(shù)據(jù)傳輸層，ＲＴＵ利用心跳機(jī)制通過(guò)已經(jīng)組網(wǎng)的ＭＩＣＷＩＬＬ通信網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至采油工區(qū)中控室的工控機(jī)上，并接收工控機(jī)下發(fā)的控制指令，實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的無(wú)線遠(yuǎn)程控制功能。
在生產(chǎn)監(jiān)控與管理層，工控機(jī)先將ＲＴＵ上傳的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)工控機(jī)上配置的組態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、展示、控制與分析等功能；并將數(shù)據(jù)傳遞至油氣水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（Ａ２）和采油與地面工程運(yùn)行管理系統(tǒng)（Ａ５）的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成報(bào)表的功能［２］。
２系統(tǒng)組成
注水井自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的組成對(duì)應(yīng)上文提到的三層模型架構(gòu)，也分現(xiàn)場(chǎng)井口裝置部分、ＲＴＵ部分、組態(tài)和預(yù)警系統(tǒng)部分。
２．１現(xiàn)場(chǎng)井口裝置部分
現(xiàn)場(chǎng)井口裝置部分通過(guò)在井口加裝流量控制器，在干線來(lái)水口和去井口兩端分別加裝兩個(gè)高壓
壓力變送器，達(dá)到采集累計(jì)流量、瞬時(shí)流量、泵壓、油壓等各項(xiàng)生產(chǎn)參數(shù)的目的。改造前后示意圖如圖２所示。
２．１．１流量控制器
針對(duì)注水井現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)計(jì)量、自動(dòng)配水的目標(biāo)，所選的流量控制器必須配備電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)用來(lái)根據(jù)設(shè)定值自行調(diào)節(jié)水量。方案選取的流量控制器———ＧＬＺ型電磁自控儀分為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電磁流量計(jì)兩部分。其中電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由２２０Ｖ電源供電，向電磁流量計(jì)輸出２４Ｖ電壓，接受反饋回的流量模擬信號(hào)，并將水量數(shù)據(jù)通過(guò)ＲＳ４８５通信電纜向ＲＴＵ發(fā)送。兩部分由法蘭連接，電磁流量計(jì)可單好拆下，方便校驗(yàn)。
同時(shí)考慮到可能存在的通信故障、臨時(shí)斷電、水質(zhì)差造成測(cè)量管徑結(jié)構(gòu)、卡住等實(shí)際生產(chǎn)情況。對(duì)流量控制器進(jìn)行了定制改裝。改裝后的控制器可在通信故障時(shí)，存儲(chǔ)保存上一通信節(jié)點(diǎn)的設(shè)定值，從而進(jìn)行水量調(diào)節(jié)。電磁流量計(jì)部分加裝蓄電池，可在停電時(shí)保存累計(jì)流量，具備“通信故障時(shí)不影響正常恒量配水、停電不影響正常計(jì)量”的優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量管通過(guò)電磁感應(yīng)原理進(jìn)行測(cè)量，管內(nèi)無(wú)活動(dòng)及阻流部件，不堵塞、壓損小，減少了卡表情況的出現(xiàn)。
當(dāng)流量控制器通過(guò)就地人工設(shè)置或遠(yuǎn)程設(shè)置某一個(gè)流量值后。執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)設(shè)定的流量自動(dòng)通過(guò)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)啟度（ＰＩＤ控制），周期性地將所測(cè)量到的瞬時(shí)流量值與該設(shè)定流量值相比較。當(dāng)前瞬時(shí)流量大于設(shè)定值并超出規(guī)定范圍時(shí)，流量控制器會(huì)發(fā)出指令，啟動(dòng)電機(jī)將流量閥關(guān)�。划�(dāng)前瞬時(shí)流量小于設(shè)定值并超出規(guī)定范圍，流量控制器會(huì)發(fā)出開(kāi)大流量閥的指令，直至瞬時(shí)流量接近或等于設(shè)定數(shù)值為止，如圖３所示。流量的比較和流量閥的調(diào)整周期為５ｓ。為了避免流量頻繁波動(dòng)，不進(jìn)行流量調(diào)整的死區(qū)范圍為０．１ｄｅｇ／ｈ。從而自動(dòng)調(diào)整高壓注水流量，達(dá)到自動(dòng)控制的目的。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)是經(jīng)過(guò)減速裝置的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，包括電機(jī)和閥門(mén)組件（蝸桿減速－閥芯閥套和密封件）。它具有電子位置顯示、閥門(mén)位置指示、電子限位、機(jī)械限位、手動(dòng)調(diào)節(jié)功能。在手動(dòng)狀態(tài)調(diào)節(jié)閥門(mén)時(shí)，由于減速裝置和閥門(mén)壓力自平衡系統(tǒng)的作用，手輪很輕，易于準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，省時(shí)省力。
２．１．２壓力變送器
在注水井自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，兩塊壓力變送器安裝在干線來(lái)水口和去井口兩端，負(fù)責(zé)采集泵壓和油壓數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸與流量控制器共同采用ＲＳ４８５通信模式，利用總線分配器將流量控制器和兩塊壓力變送器的通信電纜合為一組進(jìn)行敷設(shè)，節(jié)約材料成本和屏蔽難度。同時(shí)配備了ＬＣＤ顯示和就地菜單操作的功能，滿(mǎn)足操作人員現(xiàn)場(chǎng)觀察壓力變化的需要。儀表自身的電源、通信與被測(cè)介質(zhì)全部隔離，具有計(jì)量準(zhǔn)確、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
２．２ＲＴＵ部分
注水井自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)選擇改造的ＹＣＫ－４井場(chǎng)ＲＴＵ（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ＲＴＵ）是大慶油田某采油廠井場(chǎng)控制系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制和管理，把各測(cè)試單元采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，并根據(jù)上位機(jī)要求對(duì)各個(gè)測(cè)控單元發(fā)送控制命令，通過(guò)有線通信電纜和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集油井井場(chǎng)測(cè)試設(shè)備的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)單井?dāng)?shù)據(jù)采集和控制管理的功能。ＲＴＵ具有３２位１００ＭＨｚ的ＣＰＵ處理系統(tǒng)，豐富的通信和信號(hào)采集接口，滿(mǎn)足油田野外（－４０～＋８５）℃工作環(huán)境，具有低功耗、多用途、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［３］。
基于ＲＴＵ可用功能和采集方式，注水井自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)與井口儀表基于ＲＳ４８５有線通信電纜和ＭＯＤＢＵＳ通信協(xié)議進(jìn)行通信，將ＲＴＵ固件進(jìn)行升級(jí)，新增寄存器區(qū)域用來(lái)存貯注水井?dāng)?shù)據(jù)的辦法。通信電纜的接線則采用跟井口儀表供電的動(dòng)力電纜同溝敷設(shè)，與之前用ＲＳ４８５有線通信電纜串聯(lián)接入的方案。這樣沒(méi)有額外增加工程量，節(jié)省了投資。方案示意圖如圖４所示。
２．３組態(tài)和預(yù)警系統(tǒng)部分
由于大慶油田Ａ１１建設(shè)采用ＩＰＶ６無(wú)狀態(tài)獲取機(jī)制，設(shè)備上線必須依賴(lài)油井心跳機(jī)制建立上位機(jī)的組態(tài)系統(tǒng)與油井ＩＰ的映射關(guān)系，ＲＴＵ再通過(guò)ＭＩＣＷＩＬＬ無(wú)線通信將心跳數(shù)據(jù)包發(fā)送至工控機(jī)。正如前文所述，注水井自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)依托Ａ１１現(xiàn)有油井ＲＴＵ，所以注水井?dāng)?shù)據(jù)也必須依賴(lài)油井心跳機(jī)制建立ＩＰ映射關(guān)系［４］。
所以對(duì)依托現(xiàn)有油井ＲＴＵ的注水井系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就是將注水井井號(hào)與地衣口油井的ＩＤ綁定，當(dāng)該油井登錄后，就可以通過(guò)該油井的ＩＰ訪蝧hou⑺蕁Ｈ繅院蟪魷侄緣ズ夢(mèng)⑺擄滄埃遙裕盞那榭觶徒⒁豢誑沼途⑺肟沼途桑陌蠖�。油井垫@己�，就可裔jü糜途模桑蟹夢(mèng)shou⑺藎扌敫謀渥樘絳蠔褪菘飩峁梗獎(jiǎng)闋樘低承略觶桑轄詰恪?/div>
具體綁定心跳系統(tǒng)的做法為：shou先需要將ＲＴＵ的設(shè)備ＭＡＣ地址，通信方式、工控機(jī)的ＩＰ地址、端口號(hào)在工控機(jī)的組態(tài)系統(tǒng)上注冊(cè)。然后將注水井井號(hào)和油井井號(hào)用設(shè)備ＭＡＣ地址加以綁定，設(shè)置工控機(jī)讀�。遥裕沾尜A注水井?dāng)?shù)據(jù)的寄存器地址。#后添加需要展示的注水井井口壓力、流量數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等項(xiàng)目和遠(yuǎn)程設(shè)置瞬時(shí)水量的指令窗口［５］。
同時(shí)，在組態(tài)系統(tǒng)展示的基礎(chǔ)上，利用工控機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)推送至數(shù)據(jù)中心關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的大數(shù)據(jù)，我們對(duì)各生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了深度開(kāi)發(fā)。新建的注水井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，含有詳細(xì)的報(bào)表統(tǒng)計(jì)、圖形分析和數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，便于進(jìn)行日?qǐng)?bào)統(tǒng)計(jì)、工況分析和異常報(bào)警，滿(mǎn)足各級(jí)管理、技術(shù)人員對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的需求，提高了管理和分析水平。
３系統(tǒng)應(yīng)用及效果
２０１７年９—１２月，注水井自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)在大慶油田某采油廠油礦采油工區(qū)所轄的８０口注水井進(jìn)行了試運(yùn)行。其應(yīng)用效果良好，受到了各單位的認(rèn)可。該系統(tǒng)主要的應(yīng)用效果如下：
（１）實(shí)現(xiàn)了注水井水量積算及遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)、油壓泵壓遠(yuǎn)傳及異常壓力報(bào)警、生產(chǎn)報(bào)表自動(dòng)生成等功能，極大地方便了油田生產(chǎn)管理，提高了管理精度。
（２）跟蹤月度注水完成率平均為３．９４％，遠(yuǎn)小于要求，在提高注入和計(jì)量精度的同時(shí)，降低了注水能耗損失，節(jié)能效果明顯。
（３）員工在中控室的工控機(jī)上就可以遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)資料的錄取和水量的調(diào)節(jié)，在大幅降低勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，減少了高壓操作的安全隱患。
（４）預(yù)警系統(tǒng)對(duì)高壓及時(shí)報(bào)警減少了對(duì)地層和套管的損害，對(duì)低壓報(bào)警減少了管線穿孔造成的安全環(huán)保問(wèn)題。管理人員可以根據(jù)報(bào)警情況及時(shí)采取相應(yīng)措施，提高生產(chǎn)效率。
（５）生產(chǎn)曲線自動(dòng)繪制以及工況診斷分析等智能分析系統(tǒng)運(yùn)行，能有效幫助基層人員提高分析水平。
４結(jié)語(yǔ)
注水井自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)在大慶油田某采油廠油礦試點(diǎn)的成功運(yùn)行，證明了該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了注水井水量積算及遠(yuǎn)程水量設(shè)定調(diào)節(jié)、油壓泵壓力遠(yuǎn)傳及異常壓力報(bào)警、生產(chǎn)報(bào)表自動(dòng)生成等功能，改寫(xiě)了員工必須野外抄表、調(diào)節(jié)水量的歷史，也使管理人員、技術(shù)人員在電腦上可實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析生產(chǎn)情況。在減輕員工勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)注入。并且改造過(guò)程依托Ａ１１系統(tǒng)現(xiàn)有ＲＴＵ設(shè)備，可節(jié)約改造投資費(fèi)用，降低施工成本，對(duì)已開(kāi)發(fā)建設(shè)和預(yù)計(jì)開(kāi)發(fā)建設(shè)Ａ１１系統(tǒng)工程的采油工區(qū)來(lái)說(shuō)，具有推廣、應(yīng)用價(jià)值。
當(dāng)然，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)一些不足，需要進(jìn)一步完善：
（１）大慶油田地處東北，冬季#低溫度可達(dá)－３０℃～－４０℃。高壓壓力變送器的引壓管中含油污水容易發(fā)生凍堵現(xiàn)象。解決辦法是在引壓管處加裝發(fā)熱裝置或用凝固點(diǎn)在－５０℃的硅油作隔離介質(zhì)，保證了冬季室外工作的需要。
（２）沒(méi)有在井口加裝測(cè)量注水井套壓的高壓壓力變送器，對(duì)工況分析造成一定的限制，將在后續(xù)工作中加以改進(jìn)。
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