遠(yuǎn)程注水控制監(jiān)測系統(tǒng)在油田應(yīng)用的研究

張波（中國石油長慶油田分公司第一采油廠）

遠(yuǎn)程注水控制監(jiān)測系統(tǒng)在油田應(yīng)用的研究

張波（中國石油長慶油田分公司第一采油廠）

針對油田注水泵機(jī)泵運(yùn)行效率不能連續(xù)監(jiān)測，為了提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，節(jié)約能源，常常調(diào)高高壓同步電動機(jī)的勵磁電流，易造成能耗嚴(yán)重?fù)p失，影響正常生產(chǎn)。因此，需對大型機(jī)泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測分析，采用遠(yuǎn)程油田注水控制監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)注水泵的運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、診斷和控制，實(shí)現(xiàn)恒壓注水功能以及機(jī)泵效率實(shí)時(shí)自動計(jì)算，大大提升了油田注水的管理水平。

遠(yuǎn)程控制；注水監(jiān)測；電參數(shù)

目前國內(nèi)油田開發(fā)時(shí)間長，地層滲透率低，注水壓力高，存在注水設(shè)備老化、機(jī)泵效率低等問題，為了加強(qiáng)對注水工藝的量化、精細(xì)化管理要求，進(jìn)一步分析注水泵在運(yùn)行過程中由于壓力波動、流量波動、回流量等因素影響的能耗變化原因，有針對性地提高機(jī)泵運(yùn)行效率，在注水站采用遠(yuǎn)程油田注水控制監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用。

1 系統(tǒng)特點(diǎn)

遠(yuǎn)程油田注水控制監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）是借助于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)，通過對工頻、變頻注水泵電參數(shù)的超高速采集分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測輸入流量、輸入壓力、輸出流量、輸出壓力，對注水泵運(yùn)行狀況進(jìn)行綜合評估的系統(tǒng)。

系統(tǒng)特點(diǎn)：基于鍵相的高速電參數(shù)采集系統(tǒng)，能以每秒12 800組數(shù)據(jù)的速度采集計(jì)算電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率和功率因數(shù)。高速的采集能力解決以往變頻器輸出無法測量的難題，使注水系統(tǒng)的能耗和效率計(jì)算更加準(zhǔn)確；高速采集的電參數(shù)曲線，可顯示電動機(jī)、皮帶、皮帶輪、曲柄連桿系統(tǒng)、柱塞、閥門工作中存在的不平衡，這往往顯示是泵效下降、運(yùn)行壽命縮短。高速的電參數(shù)據(jù)和鍵相數(shù)據(jù)，可用于計(jì)算分析泵的理論排量、電動機(jī)效率、泵效率，以及泵的體積效率和壓力效率，這對于分析泵組能耗構(gòu)成非常重要。

2 系統(tǒng)工作原理

傳感器的布控與注水機(jī)組工作環(huán)境有緊密關(guān)系，應(yīng)確保傳感器可以準(zhǔn)確傳遞參數(shù)信號，傳感器的主靈敏軸應(yīng)該與被測對象的測量方向一致；注水機(jī)組由注水泵與電動機(jī)兩部分構(gòu)成，軸承部分、地基、泵體等部位可以選擇壓電式傳感器。系統(tǒng)應(yīng)滿足檢測油田注水信號，并且結(jié)合時(shí)域與頻率分析，探測機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)與故障發(fā)生位置，為機(jī)組故障診斷與維護(hù)提供技術(shù)依據(jù)。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要用于注水站注水泵進(jìn)行系統(tǒng)能耗監(jiān)測，計(jì)量電量、監(jiān)測泵組系統(tǒng)效率，用于全天實(shí)時(shí)測試電動機(jī)相關(guān)參數(shù)的無人值守自動監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱自動監(jiān)測系統(tǒng)）。該系統(tǒng)由多個數(shù)據(jù)采集點(diǎn)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)上，整個監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)工作模塊

監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場傳感器及數(shù)據(jù)采集器、通訊鏈路和監(jiān)控服務(wù)器三大部分構(gòu)成：服務(wù)器安裝于作業(yè)區(qū)機(jī)房，運(yùn)行Windows Server系統(tǒng)SQL數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器運(yùn)行的系統(tǒng)專用數(shù)據(jù)接口驅(qū)動程序，對所有監(jiān)測的泵運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，存儲至數(shù)據(jù)庫中；可隨時(shí)通過客戶端程序，遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)庫中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息以及歷史趨勢數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對注水泵的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行效率的監(jiān)測和控制。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

網(wǎng)關(guān)具有GPRS功能，可以把該網(wǎng)關(guān)內(nèi)所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)設(shè)置指令定時(shí)開始采集溫度、扭矩、振動等參數(shù)的數(shù)字信號以及電動機(jī)扭矩信號并儲存，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)上，由監(jiān)測軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單井產(chǎn)液量分析、工況診斷及電動機(jī)扭矩等功能。根據(jù)系統(tǒng)的工作環(huán)境，按寬溫型（－40～85℃）設(shè)計(jì)，提高數(shù)據(jù)采集存儲的可靠性，內(nèi)置精密時(shí)鐘芯片，在每10 min至1天采集一次數(shù)據(jù)（可按需求設(shè)置采樣時(shí)長）。系統(tǒng)監(jiān)測模塊見表1。

表1 系統(tǒng)主要模塊

3 現(xiàn)場應(yīng)用研究

現(xiàn)場傳感器配置情況主要是對各個控制單元的節(jié)點(diǎn)實(shí)施數(shù)字信號的變送（圖2），同時(shí)系統(tǒng)可以設(shè)定一種或幾種工作模式：周期采集，設(shè)定采樣間隔及每次采樣長度；事件觸發(fā)，設(shè)定事件觸發(fā)的門限值，達(dá)到門限值開始采集；連續(xù)采集，持續(xù)采集并實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

1）對注水泵運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，現(xiàn)場可通過觸摸屏查詢?nèi)嚯妷?、電流、有功功率、無功功率等電參量，并能實(shí)時(shí)顯示溫度、壓力、流量及泵組效率等狀態(tài)參數(shù)及趨勢線，為現(xiàn)場工作人員及時(shí)監(jiān)測機(jī)泵的運(yùn)行狀態(tài)提供了條件。

2）利用服務(wù)器對現(xiàn)場監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲和發(fā)布，實(shí)時(shí)提供設(shè)備工況信息，在油田局域網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)可遠(yuǎn)程監(jiān)控注水機(jī)泵工作狀態(tài)。

3）預(yù)警保護(hù)?；阪I相高速采集的數(shù)據(jù)，可用于分析機(jī)泵運(yùn)行過程中的各類異常信息，在設(shè)備出現(xiàn)故障前進(jìn)行預(yù)警。

圖2 系統(tǒng)現(xiàn)場傳感器配置情況

4）電參數(shù)監(jiān)控（圖3）?，F(xiàn)場傳感器主要采用智能型三相電參數(shù)數(shù)據(jù)綜合采集模塊；三表法準(zhǔn)確測量三相三線制或三相四線制交流電路中的三相電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、正反向無功電度等電參數(shù)。

圖3 現(xiàn)場電參數(shù)測試監(jiān)控

通過使注水系統(tǒng)的壓力維持在較低的壓力上，則可有效地節(jié)約能源，提高效率。針對變頻器驅(qū)動的注水泵，實(shí)現(xiàn)了恒壓注水，可以利用PID控制器，通過設(shè)定注水壓力，關(guān)閉注水回流，有效降低了能耗。

整個系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程控制，有兩種采集模式：按時(shí)采集，設(shè)定的采樣時(shí)間段及采集的間隔；手動控制采集，根據(jù)需求，用戶發(fā)送采集命令開始采集。對各項(xiàng)測得的曲線，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，自動計(jì)算注水泵的管線損失率、閥組損失率、注水泵效率、注水機(jī)組效率、注水站效率等參數(shù)、網(wǎng)管損失率等參數(shù)[1]。與此同時(shí)，利用IPTS注水能耗監(jiān)測系統(tǒng)對注水泵運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可對注水泵的運(yùn)行狀態(tài)作以評估，對于運(yùn)行中出現(xiàn)的測量參數(shù)超過上、下限的工況，立即以報(bào)警形式通知注水泵管理員，由管理員進(jìn)行異常工況的處理。三撬注水站一號泵啟用恒壓注水技術(shù)后，與之前相比，注水系統(tǒng)效率從41.06%上升到52.41%，注水單耗下降了1.69 kWh/m3，日節(jié)電達(dá)到1968 kWh。

4 結(jié)論

1）采用遠(yuǎn)程油田注水控制監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對注水站注水泵機(jī)組的電參數(shù)、壓力、溫度、流量的自動化監(jiān)測與數(shù)據(jù)上傳。

2）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可在現(xiàn)場及遠(yuǎn)程對注水泵的運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、診斷和控制，實(shí)現(xiàn)無人值守。

3）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了恒壓注水功能以及機(jī)泵效率實(shí)時(shí)自動計(jì)算，節(jié)省了大量的注水設(shè)備管理工作量。

[1]雷文慶，張曉東，張海峰.注水井智能監(jiān)測系統(tǒng)在油田的應(yīng)用[J].油氣田地面工程，2015，34（12）：63-64.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.01.003

2016-12-01

（編輯 莊景春）

張波，工程師，2016年畢業(yè)于西安石油大學(xué)（機(jī)械采油專業(yè)），從事油田節(jié)能技術(shù)管理工作，E-mail：xaute@126.com，地址：陜西省延安市河莊坪長慶油田公司第一采油廠，716000。