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(chǎng)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(xiàn)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(chǎng)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(xiàn)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(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(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(xiàn)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(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(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)小；當(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(xiàn)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(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(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(guān)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(chǎng)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(xiàn)通信電纜和無(wú)線(xiàn)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(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(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(xiàn)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(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(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(xiàn)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(xiàn)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(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@己螅涂梢醞ü糜途模桑蟹夢(mèng)shou⑺藎扌敫謀渥樘絳蠔褪菘飩峁�，藩�(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(chǎng)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(xiàn)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(xiàn)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(chǎng)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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