水源井液位在線遠程監控系統應用研究

高寶元

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術研究院，陜西 西安 710018)

隨著油田開發規模擴大，生產用水越來越多。由于地下水資源有限，水位下降，又缺乏有效監測手段，每次修井時，只能通過出水管觀察靜液面。當水抽干時，不能及時斷電，出現了水源井空抽、干燒等現象，導致大批水源井潛水泵空轉燒壞并浪費大量電能，嚴重時導致水源井停止供水。由于往地下注水量減少了，地層壓力減小，導致出油率減少，嚴重影響了原油產量的完成。為了保證水源井正常供水，控制潛水泵的運行適合油田生產經營實際需求，研制了水源井液位在線遠程監測系統[1]，實現在線遠程監控水源井的液位、出水壓力、出水流量和潛水泵等電參數，合理利用現有水源井數據資源及數字化成果，起到了水源井低液位預警、高液位自動啟泵，避免了水源井空抽、干燒等現象[2]，優化水源井工作制度，保障了水源井正常運行和節能降耗[3]，從源頭上保障了油田充足注水[4]。

1　水源井供水系統主要設備配置

水源井供水系統如圖1所示，主要包括： 遠程監控中心，由可編程控制器(PLC)及其擴展模塊、人機界面觸摸屏、軟啟動器、低壓電器和遠程控制終端(RTU)等組成的在線監控裝置[5]，潛水泵，出口壓力表，出水流量計，射頻導納傳感器，單相閥，閘閥，出水管線，儲水罐，水源井等[6]。

圖1　水源井供水系統示意

2　水源井液位在線遠程監控系統設計

水源井液位在線遠程監控系統主要由水源井液位在線監控裝置和遠程監控中心兩部分組成[7]。

2.1　水源井液位在線監控裝置

水源井液位在線監控裝置如圖2所示，包括： 水源井液位、出水壓力、出水流量、潛水泵三相電參數監控部分，軟啟動器啟動潛水泵部分，遠程控制終端RTU采集數據上傳數據部分[8]。

圖2　水源井液位在線監控裝置構成示意

2.2　水源井液位監測工作原理

水源井液位從幾十米到幾百米不等，各個采油廠水源井目前現狀差不多。傳統的測水位方法大都是將擴散硅壓阻芯體或陶瓷壓阻芯體壓力傳感器投入到水底，通過壓力變化間接測量水位，最深只能測到150 m水位；水位再深時壓力傳感器的隔膜容易損壞不能使用，傳感器的密封也難以解決漏失，并且測量水位誤差越來越大，用這種方法顯然不能滿足測量水源井深水位的要求。

其他測水位方法用雷達只能測到25 m水位，用射頻電容最深才能測20 m水位，遠不能滿足監測水源井深水位的要求。針對上述情況設計出了一種水源井液位監測裝置，安裝方法簡單、性能可靠，測量水位可達914 m深，誤差小于1‰。工作原理如圖3所示。

射頻導納傳感器探頭與射頻導納變送器探頭用電纜連接，參比電纜和井口地面出水管線一端相連接地，平行安裝在和潛水泵連接的出水管線管壁上的射頻導納傳感器探頭與電潛泵出水管線構成電解電容，其中射頻導納傳感器探頭為電解電容的正極，電潛泵連接的出水泵管線為電解電容的負極，水作為電解質。當電解質水的高度發生變化時，即水源井的水位發生變化時，電容值也發生變化。

射頻導納裝置測液位的工作過程：

1) 標準正弦信號發生電路發出100 kHz的射頻信號，經濾波電路將干擾成分濾掉，獲得較純凈的100 kHz的射頻信號，電容驅動電路用于提高水位的測量范圍。

2) 變壓器電橋測量電路將水位信號轉化為電壓信號，測量的電壓信號分成2路： 包含水位信號和掛水在射頻導納傳感器信號；提供采樣時刻的同步信號。

3) 同步信號經過處理，給出采樣時刻，在該時刻對測量信號進行采樣，即可獲得純凈的水位信號，從而消除射頻導納傳感器探頭掛水的影響。

4) 檢測到的水位信號經過低通濾波電路，消除一些干擾，然后送入可編程序控制系統進行A/D轉換、數據處理，并通過顯示電路顯示實際水位，實際水位與設定的水位上下值進行比較，給出控制潛水泵信號。

水源井液位監測實現了低液位預警、高液位自動啟泵目的，避免了水源井空抽、干燒等現象[9]。

圖3　水源井液位監測工作原理示意

2.3　遠程監控中心設計

液位在線監控裝置中RTU模塊通過PLC將水源井射頻導納傳感器采集的液位信號、壓力表采集的出水壓力信號、流量計采集的出水流量信號、多功能電能表采集的潛水泵電參數信號以及啟停信號通過油田專網上傳至數字化網絡中[10]，經過防火墻加工處理后送到監控交換機，監控交換機進一步將處理好的數據經過網線送入監控中心的計算機和工程師站上位機，實現水源井液位在線遠程監控和數據存儲、網絡發布[11]。

3　現場應用

2014年6月至2016年12月，水源井液位遠程在線監測系統已在長慶油田采油廠成功應用于28口井，提高了水源井生產數據實時監控的準確性，實現了水源井液位、出水壓力、出水流量和潛水泵電參數遠程實時監控，起到了低液位預警、高液位自動啟泵作用，解決了水源井空抽、干燒等現象，提升了水源井管理效率，優化了工作制度，保障了水源井正常運行，從源頭上保障了油田注水充分[12]。目前，長慶油田和延長油田有5 000多口水源井，應用市場前景十分廣闊，將會產生巨大的經濟效益和社會效益。

4　結束語

1) 從性價比看，射頻導納傳感器測水源井液位具有成本低、性能可靠、測量水位范圍大、誤差小，安裝方法簡單的優勢，安裝時只需和出水管線平行下入水中。

2) 射頻導納傳感器測水源井液位，在變送器電路中應用了動力載波技術和抗擾動技術，采集的數據準確、可靠。

3) 結合數字化管理，實現了水源井液位、產水量、出口壓力、井筒液面、潛水泵三相電等參數必要生產數據的統一精細化管理與分析判斷，優化了水源井的運行工作制度，保障了水源井正常運行和節能降耗。

參考文獻：

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