摘要：為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)應用油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統（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(chǎng)研發(fā)了注水井自動(dòng)監控系統。該系統采用在井口加裝流量自控儀和在干線(xiàn)兩端分別加裝兩個(gè)壓力變送器的改造方案，利用Ａ１１現有油井ＲＴＵ，使加裝儀表能與工區中控室的工控機進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，實(shí)現了注水井水量自動(dòng)計量及遠程調節、油壓泵壓遠傳及異常報警、生產(chǎn)報表自動(dòng)生成等功能�？墒箚尉畬�(shí)現實(shí)時(shí)精準注入，提高了注水效果和計量精度。
０引言
為加快業(yè)務(wù)領(lǐng)域的數字化、信息化建設，全面提升企業(yè)的整體管理水平，中國石油天然氣集團有限公司在《中國石油“十二五信息技術(shù)總體規劃”》中提出了建設油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統（Ａ１１）項目，并立項開(kāi)展試點(diǎn)和推廣工作。大慶油田某采油廠(chǎng)作為Ａ１１示范工程試點(diǎn)單位之一，在２０１６年底實(shí)現了系統的整體上線(xiàn)運行。隨著(zhù)系統逐步深入推廣使用，已經(jīng)實(shí)現了對油井、計量間、聯(lián)合站生產(chǎn)數據的自動(dòng)采集、遠程獲取和生產(chǎn)預警等各項功能，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)有納入項目建設之中。在以往的注水井管理模式中，采油工需要每天巡檢兩次，人工調控水量，不僅耗時(shí)費力，還存在調控誤差，而且在兩次巡檢之間，如果壓力水量發(fā)生變化，甚至會(huì )發(fā)生注水表“卡表”的現象，不能及時(shí)發(fā)現并調控。所以，為實(shí)現生產(chǎn)數據及時(shí)、準確、全面采集，為建設數字化油田打下堅實(shí)基礎，技術(shù)人員以問(wèn)題為導向，研發(fā)了一套注水井自動(dòng)監控系統。該系統依托Ａ１１現有遠程終端單元（ＲＴＵ）、通信網(wǎng)絡(luò )、工控機，對注水井配水間工藝流程和Ａ１１組態(tài)系統進(jìn)行了功能性改造。同時(shí)，結合注水井日常管理模式，編制了預警分析軟件。建立起一套可實(shí)現注水井水量積算及遠程調節、油壓泵壓遠傳及異常壓力報警、生產(chǎn)報表自動(dòng)生成的注水井自動(dòng)監控系統。
１系統簡(jiǎn)介
如圖１所示，Ａ１１油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統建設可分為數據采集與控制層、數據傳輸層、生產(chǎn)監控與管理層共三層模型架構。
注水井自動(dòng)監控系統依托Ａ１１系統的三層模型架構，著(zhù)重對數據采集與控制層和生產(chǎn)監控與管理層進(jìn)行功能性改造，利用數據傳輸層支持遠程數據發(fā)送，實(shí)現了注水井自動(dòng)配水和遠程監控管理的總體目標［１］。
在數據采集與控制層，該系統選擇了在注水井井口加裝帶有電動(dòng)執行機構的流量控制器，以及在干線(xiàn)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)現了日注水量、瞬時(shí)水量、壓力的自動(dòng)計量和瞬時(shí)水量調節的功能。同時(shí)，各加裝儀表通過(guò)４８５通信電纜與Ａ１１現有油井ＲＴＵ相連，使ＲＴＵ能讓采集和控制命令進(jìn)行上傳下達，將注水井自動(dòng)配注體系嵌入進(jìn)數據采集與控制層之中。
在數據傳輸層，ＲＴＵ利用心跳機制通過(guò)已經(jīng)組網(wǎng)的ＭＩＣＷＩＬＬ通信網(wǎng)絡(luò )，將數據發(fā)送至采油工區中控室的工控機上，并接收工控機下發(fā)的控制指令，實(shí)現整套系統的無(wú)線(xiàn)遠程控制功能。
在生產(chǎn)監控與管理層，工控機先將ＲＴＵ上傳的數據存儲在實(shí)時(shí)數據庫，并通過(guò)工控機上配置的組態(tài)系統實(shí)現監測、展示、控制與分析等功能；并將數據傳遞至油氣水井生產(chǎn)數據管理系統（Ａ２）和采油與地面工程運行管理系統（Ａ５）的關(guān)系數據庫，實(shí)現自動(dòng)生成報表的功能［２］。
２系統組成
注水井自動(dòng)監控系統的組成對應上文提到的三層模型架構，也分現場(chǎng)井口裝置部分、ＲＴＵ部分、組態(tài)和預警系統部分。
２．１現場(chǎng)井口裝置部分
現場(chǎng)井口裝置部分通過(guò)在井口加裝流量控制器，在干線(xiàn)來(lái)水口和去井口兩端分別加裝兩個(gè)高壓
壓力變送器，達到采集累計流量、瞬時(shí)流量、泵壓、油壓等各項生產(chǎn)參數的目的。改造前后示意圖如圖２所示。
２．１．１流量控制器
針對注水井現場(chǎng)自動(dòng)計量、自動(dòng)配水的目標，所選的流量控制器必須配備電動(dòng)執行機構用來(lái)根據設定值自行調節水量。方案選取的流量控制器———ＧＬＺ型電磁自控儀分為電動(dòng)執行機構和電磁流量計兩部分。其中電動(dòng)執行機構由２２０Ｖ電源供電，向電磁流量計輸出２４Ｖ電壓，接受反饋回的流量模擬信號，并將水量數據通過(guò)ＲＳ４８５通信電纜向ＲＴＵ發(fā)送。兩部分由法蘭連接，電磁流量計可單好拆下，方便校驗。
同時(shí)考慮到可能存在的通信故障、臨時(shí)斷電、水質(zhì)差造成測量管徑結構、卡住等實(shí)際生產(chǎn)情況。對流量控制器進(jìn)行了定制改裝。改裝后的控制器可在通信故障時(shí)，存儲保存上一通信節點(diǎn)的設定值，從而進(jìn)行水量調節。電磁流量計部分加裝蓄電池，可在停電時(shí)保存累計流量，具備“通信故障時(shí)不影響正常恒量配水、停電不影響正常計量”的優(yōu)點(diǎn)。測量管通過(guò)電磁感應原理進(jìn)行測量，管內無(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。
當流量控制器通過(guò)就地人工設置或遠程設置某一個(gè)流量值后。執行機構會(huì )根據設定的流量自動(dòng)通過(guò)電機的旋轉調節閥門(mén)的開(kāi)啟度（ＰＩＤ控制），周期性地將所測量到的瞬時(shí)流量值與該設定流量值相比較。當前瞬時(shí)流量大于設定值并超出規定范圍時(shí)，流量控制器會(huì )發(fā)出指令，啟動(dòng)電機將流量閥關(guān)��；當前瞬時(shí)流量小于設定值并超出規定范圍，流量控制器會(huì )發(fā)出開(kāi)大流量閥的指令，直至瞬時(shí)流量接近或等于設定數值為止，如圖３所示。流量的比較和流量閥的調整周期為５ｓ。為了避免流量頻繁波動(dòng)，不進(jìn)行流量調整的死區范圍為０．１ｄｅｇ／ｈ。從而自動(dòng)調整高壓注水流量，達到自動(dòng)控制的目的。
執行機構是經(jīng)過(guò)減速裝置的電機驅動(dòng)裝置，包括電機和閥門(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、機械限位、手動(dòng)調節功能。在手動(dòng)狀態(tài)調節閥門(mén)時(shí)，由于減速裝置和閥門(mén)壓力自平衡系統的作用，手輪很輕，易于準確調節，省時(shí)省力。
２．１．２壓力變送器
在注水井自動(dòng)監控系統中，兩塊壓力變送器安裝在干線(xiàn)來(lái)水口和去井口兩端，負責采集泵壓和油壓數據，數據傳輸與流量控制器共同采用ＲＳ４８５通信模式，利用總線(xiàn)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，節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)足操作人員現場(chǎng)觀(guān)察壓力變化的需要。儀表自身的電源、通信與被測介質(zhì)全部隔離，具有計量準確、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
２．２ＲＴＵ部分
注水井自動(dòng)監控系統選擇改造的ＹＣＫ－４井場(chǎng)ＲＴＵ（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ＲＴＵ）是大慶油田某采油廠(chǎng)井場(chǎng)控制系統的核心，主要實(shí)現對整個(gè)系統的控制和管理，把各測試單元采集到的數據傳輸到上位機，并根據上位機要求對各個(gè)測控單元發(fā)送控制命令，通過(guò)有線(xiàn)通信電纜和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )采集油井井場(chǎng)測試設備的數據，實(shí)現單井數據采集和控制管理的功能。ＲＴＵ具有３２位１００ＭＨｚ的ＣＰＵ處理系統，豐富的通信和信號采集接口，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)監控系統與井口儀表基于ＲＳ４８５有線(xiàn)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，新增寄存器區域用來(lái)存貯注水井數據的辦法。通信電纜的接線(xiàn)則采用跟井口儀表供電的動(dòng)力電纜同溝敷設，與之前用ＲＳ４８５有線(xiàn)通信電纜串聯(lián)接入的方案。這樣沒(méi)有額外增加工程量，節省了投資。方案示意圖如圖４所示。
２．３組態(tài)和預警系統部分
由于大慶油田Ａ１１建設采用ＩＰＶ６無(wú)狀態(tài)獲取機制，設備上線(xiàn)必須依賴(lài)油井心跳機制建立上位機的組態(tài)系統與油井ＩＰ的映射關(guān)系，ＲＴＵ再通過(guò)ＭＩＣＷＩＬＬ無(wú)線(xiàn)通信將心跳數據包發(fā)送至工控機。正如前文所述，注水井自動(dòng)監控系統依托Ａ１１現有油井ＲＴＵ，所以注水井數據也必須依賴(lài)油井心跳機制建立ＩＰ映射關(guān)系［４］。
所以對依托現有油井ＲＴＵ的注水井系統來(lái)說(shuō)，就是將注水井井號與地衣口油井的ＩＤ綁定，當該油井登錄后，就可以通過(guò)該油井的ＩＰ訪(fǎng)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�，将注水井与空油井ＩＤ绑定。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�，藩勯犻态系统新杂z桑轄詰恪?/div>
具體綁定心跳系統的做法為：shou先需要將ＲＴＵ的設備ＭＡＣ地址，通信方式、工控機的ＩＰ地址、端口號在工控機的組態(tài)系統上注冊。然后將注水井井號和油井井號用設備ＭＡＣ地址加以綁定，設置工控機讀�。遥裕沾尜A注水井數據的寄存器地址。#后添加需要展示的注水井井口壓力、流量數據、報警信息等項目和遠程設置瞬時(shí)水量的指令窗口［５］。
同時(shí)，在組態(tài)系統展示的基礎上，利用工控機實(shí)時(shí)數據庫推送至數據中心關(guān)系數據庫的大數據，我們對各生產(chǎn)數據進(jìn)行了深度開(kāi)發(fā)。新建的注水井實(shí)時(shí)監測系統，含有詳細的報表統計、圖形分析和數據導出功能，便于進(jìn)行日報統計、工況分析和異常報警，滿(mǎn)足各級管理、技術(shù)人員對生產(chǎn)數據的需求，提高了管理和分析水平。
３系統應用及效果
２０１７年９—１２月，注水井自動(dòng)監控系統在大慶油田某采油廠(chǎng)油礦采油工區所轄的８０口注水井進(jìn)行了試運行。其應用效果良好，受到了各單位的認可。該系統主要的應用效果如下：
（１）實(shí)現了注水井水量積算及遠程調節、油壓泵壓遠傳及異常壓力報警、生產(chǎn)報表自動(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％，遠小于要求，在提高注入和計量精度的同時(shí)，降低了注水能耗損失，節能效果明顯。
（３）員工在中控室的工控機上就可以遠程實(shí)現資料的錄取和水量的調節，在大幅降低勞動(dòng)強度的同時(shí)，減少了高壓操作的安全隱患。
（４）預警系統對高壓及時(shí)報警減少了對地層和套管的損害，對低壓報警減少了管線(xiàn)穿孔造成的安全環(huán)保問(wèn)題。管理人員可以根據報警情況及時(shí)采取相應措施，提高生產(chǎn)效率。
（５）生產(chǎn)曲線(xiàn)自動(dòng)繪制以及工況診斷分析等智能分析系統運行，能有效幫助基層人員提高分析水平。
４結語(yǔ)
注水井自動(dòng)監控系統在大慶油田某采油廠(chǎng)油礦試點(diǎn)的成功運行，證明了該系統實(shí)現了注水井水量積算及遠程水量設定調節、油壓泵壓力遠傳及異常壓力報警、生產(chǎn)報表自動(dòng)生成等功能，改寫(xiě)了員工必須野外抄表、調節水量的歷史，也使管理人員、技術(shù)人員在電腦上可實(shí)時(shí)監控、分析生產(chǎn)情況。在減輕員工勞動(dòng)強度的同時(shí)，實(shí)現了精準注入。并且改造過(guò)程依托Ａ１１系統現有ＲＴＵ設備，可節約改造投資費用，降低施工成本，對已開(kāi)發(fā)建設和預計開(kāi)發(fā)建設Ａ１１系統工程的采油工區來(lái)說(shuō)，具有推廣、應用價(jià)值。
當然，在系統運行過(guò)程中還發(fā)現一些不足，需要進(jìn)一步完善：
（１）大慶油田地處東北，冬季#低溫度可達－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)有在井口加裝測量注水井套壓的高壓壓力變送器，對工況分析造成一定的限制，將在后續工作中加以改進(jìn)。
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