注水井井口工藝適配數(shù)字化改造優(yōu)化設(shè)計

曾黎

大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠

高壓注水驅(qū)油是油田保持地層能量、維持高效經(jīng)濟(jì)開發(fā)最有效的手段。近年來，注水井?dāng)?shù)字化技術(shù)改造成為了地面建設(shè)重點工作，由初期單一井口抄表逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)程精細(xì)調(diào)控注水量，通過加裝變送器、流量計等傳感器自動采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對生產(chǎn)狀態(tài)的全面感知以及對各種設(shè)備的自動控制[1]。為此，結(jié)合注水井井口數(shù)字化建設(shè)經(jīng)驗及特點，開展了深入性的設(shè)計優(yōu)化研究。

1 注水井?dāng)?shù)字化技術(shù)改造現(xiàn)狀

大慶油田北部某區(qū)塊作為數(shù)字化建設(shè)示范區(qū)，自2014 年開始，全面實施了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化改造項目，地面改造范圍涵蓋機(jī)采井828 口、注水井289口、計量間42 座、注入站10 座、大中型站場6座，其中部分注水井可對注水壓力、瞬時注入量、累計注入量等參數(shù)采集及數(shù)據(jù)上傳，實現(xiàn)對注水壓力、流量的監(jiān)測及調(diào)控功能[2]。歷經(jīng)了兩個階段的數(shù)字化改造。

第一階段：注水井井口加裝無線壓力變送器（24 V 電池供電），采集油壓、泵壓，通過通信協(xié)議以無線方式傳至井口RTU，借助通信基站上傳至上級生產(chǎn)指揮監(jiān)控中心，初步實現(xiàn)注水井遠(yuǎn)程監(jiān)控模式[3]。

第二階段，為實現(xiàn)高效精細(xì)化注水，在注水井井口加裝常規(guī)流量控制器（220 V 直埋電纜供電），經(jīng)控制電纜（井場直埋）傳至井口RTU 進(jìn)行上傳，實現(xiàn)了注水量瞬時、累計量的顯示及遠(yuǎn)程調(diào)控的功能，減輕了前線員工的勞動強(qiáng)度，管理模式由常規(guī)巡檢方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤鞍葱柩簿薄８脑焓疽鈭D如圖1 所示。

圖1 井口改造前后示意圖Fig.1 Schematic diagram of wellhead before and after reconstruction

流量控制單元主要由電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電磁流量計兩部分組成，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)需由220 V 電源供電，向電磁流量計輸出24 V 電壓，接受反饋回的流量模擬信號，并將水量數(shù)據(jù)通過RS485 通信電纜向RTU 發(fā)送[4]。當(dāng)流量控制器通過就地設(shè)置或遠(yuǎn)傳設(shè)置流量值后，可周期性地將測量瞬時流量值與設(shè)定值比較，超出規(guī)定范圍，則發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過電動機(jī)自動旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥門的開啟度（PID 控制），直至瞬時流量接近或等于設(shè)定數(shù)值為止[5]?？刂圃韴D如圖2 所示。

圖2 注水井?dāng)?shù)字化控制原理Fig.2 Digital control principle of water injection well

2 實際生產(chǎn)中存在的問題

注水井實施了遠(yuǎn)程調(diào)控改造之后，運行初期效果明顯，但仍存在以下兩方面問題：

（1）井口工藝存在安全隱患。注水井井口加裝的流量控制單元質(zhì)量過于集中，為滿足流量儀表直管段要求，井口工藝橫管延長，高壓水流經(jīng)流量控制器，使其產(chǎn)生震顫，易造成焊接處疲勞損壞。同時，在經(jīng)過冷暖季節(jié)交替后，部分井場土壤受潮松軟，導(dǎo)致直管段重心高、穩(wěn)定性差，易出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象。

（2）電纜供電工藝管理難度較大。每口注水井新建自控設(shè)備通過配水間內(nèi)模數(shù)化配電箱供電，電源引自就近采油井柱上變配電箱，電力電纜直埋敷設(shè)。該地區(qū)井網(wǎng)密度高達(dá)120 km-2，地面管道、電力線路交叉縱橫，井場及附近作業(yè)或者處理管線穿孔時，易將電纜挖斷，中斷數(shù)據(jù)上傳，影響生產(chǎn)運行。

3 改造優(yōu)化措施

為解決實際生產(chǎn)問題，優(yōu)化數(shù)字化改造設(shè)計，開展了現(xiàn)場技術(shù)改造試驗。

3.1 分體、簡易的流量測控單元

注水井干式注水表具有流通能力大、量程范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單和安裝維修方便等優(yōu)點[6]。根據(jù)已建工藝現(xiàn)狀，嘗試不再重新建設(shè)笨重的水平成組式流量控制器，將流量控制單元拆分為角式調(diào)節(jié)閥和基于已建干式注水表加裝的電子信號采集器，用以縮短檢測和調(diào)控部分，降低井口尺寸、分散重量，有效解決井口震顫。

試驗井在原角式高壓干式注水表殼體內(nèi)增加一個數(shù)據(jù)傳感器作為遠(yuǎn)程表頭，同時在原工藝直角彎頭處安裝角式電動調(diào)節(jié)閥，將注水表采集的流量信號通過RS485 通信線傳輸?shù)诫妱涌刂破鬟M(jìn)行水量調(diào)節(jié)，并在電動控制器通信模塊上依照現(xiàn)有RTU 通信協(xié)議進(jìn)行編程，以達(dá)到電動控制器與RTU 間進(jìn)行數(shù)據(jù)、指令傳輸?shù)哪康摹?/p>

改造完成后，對試驗效果進(jìn)行了三項驗證：按原有接線方式，不對RTU 進(jìn)行重新調(diào)試，RTU 即可實現(xiàn)對新裝控制器的流量信號采集和上傳，證明新裝控制器按照原有RTU 通信協(xié)議編寫可直接與RTU 進(jìn)行通信，簡單易用；對RTU 采集并上傳至工區(qū)監(jiān)控中心試驗井的累積流量、瞬時流量、泵壓、油壓與現(xiàn)場儀表顯示的數(shù)值進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明并無誤差，證明流量數(shù)據(jù)傳輸可靠；在工區(qū)監(jiān)控中心下發(fā)配水調(diào)節(jié)指令，井口電動器可瞬間接收指令，就地顯示下發(fā)的新瞬時流量，控制器改變閥門開度進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，控制精度0.1 m3/h。日常生產(chǎn)中的累計流量和改變后的瞬時流量也可通過RTU與工控機(jī)的通信反饋回工區(qū)，并在A11 生產(chǎn)管理子系統(tǒng)中進(jìn)行顯示，證明流量遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)功能效果良好。

此種設(shè)計安裝工藝緊湊、施工方便，流量測控設(shè)備質(zhì)量作用于井口立管管段，其下部有基礎(chǔ)支墩，安全可靠。取消電磁流量計，單井?dāng)?shù)字化改造投資降低20%。現(xiàn)場試驗井井口工藝改造如圖3所示。

圖3 井口工藝改造示意圖Fig.3 Schematic diagram of wellhead process transformation

3.2 適用、節(jié)能的供電單元

根據(jù)東北地區(qū)環(huán)境特點，嘗試應(yīng)用電源儲能裝置為流量測控單元供電，取消柱上變電纜供電設(shè)計。試驗兩種供電模式：直接使用可更換蓄電池組供電及使用光伏太陽能板+電池組供電。

（1）蓄電池組供電試驗。供電設(shè)備主要由恒溫鋰電池儲能包、逆變系統(tǒng)、充電附件構(gòu)成。恒溫鋰電池儲能包為智能可充電鋰電池，鋰電池容量2.2 kWh，輸入電壓20～29 V，輸入電流0～30 A，輸出電壓25.9 V，輸出電流0～30 A。儲能包包含冬季保溫措施以控制低溫環(huán)境下的電池?fù)p耗，確保電池在低溫環(huán)境下正常工作。能源管理控制模塊對電量進(jìn)行監(jiān)控，電量低于電池容量的30%進(jìn)行報警，將報警信號傳入A11 管理平臺。在前期試驗階段，電池供電周期平均可達(dá)到7～8 天，考慮低溫影響及電池?fù)p壞維修量，電池包數(shù)量宜按60%備用。

現(xiàn)場試驗階段蓄電池組供電數(shù)據(jù)見表1，供電工藝如圖4 所示。

表1 注水井井口蓄電池組供電試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of storage battery power supply at wellhead of water injection well

圖4 注水井井口蓄電池組供電示意圖Fig.4 Power supply diagram of storage battery at wellhead of water injection well

（2）光伏太陽能板+電池組供電試驗。設(shè)備主要由恒溫鋰電池儲能包、光伏控制器、逆變系統(tǒng)、光伏供電和充電附件構(gòu)成[7]。在蓄電池組供電基礎(chǔ)上增加光伏控制器，主要起到連接光伏電源輸入，通過處理后給電池包充電；在需要供電的時候，電池包放電，通過逆變系統(tǒng)把直流電變換成穩(wěn)定的交流電輸出到負(fù)載端[8]。光伏配件單片設(shè)備發(fā)電額定電壓36.7 V，理論發(fā)電量1.7 kWh/d。在前期試驗階段，光伏供電不需要單獨對電池充電，考慮光伏板及電池?fù)p壞維修量，電池包數(shù)量宜按10%備用。供電工藝如圖5 所示，工作流程圖見圖6，現(xiàn)場試驗設(shè)備運行參數(shù)統(tǒng)計見表2。

表2 光伏太陽能設(shè)備參數(shù)Tab.2 Photovoltaic solar equipment parameter

圖5 注水井井口光伏太陽能+蓄電池組供電示意圖Fig.5 Schematic diagram of photovoltaic solar energy+storage battery supply for wellhead of water injection well

圖6 光伏太陽能板+電池組供電系統(tǒng)工作流程Fig.6 Flow chart of photovoltaic solar panel+battery power supply system

鋰電池和光伏發(fā)電、直流逆變等多個過程都通過CPU 統(tǒng)一智能化管理[9]，太陽能供電系統(tǒng)現(xiàn)場適應(yīng)性良好，基建施工和生產(chǎn)管理便利。

4 結(jié)語

（1）對注水井進(jìn)行數(shù)字化改造設(shè)計優(yōu)化，采集井口數(shù)據(jù)就地指示并遠(yuǎn)傳，實現(xiàn)注水瞬時流量顯示、累積流量積算，流量通過電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行工區(qū)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。將流量控制器拆分為角式的檢測和調(diào)控部分，已建井口尺寸無需更改，井口工藝穩(wěn)定安全?；谝呀ǜ墒阶⑺砑友b電子信號采集器，實現(xiàn)靈活校驗，無需拆裝高壓工藝，單井改造投資降低20%以上。

（2）將注水井由就近采油井直埋敷設(shè)電纜配電改為光伏太陽能板及蓄電池供電方式，可節(jié)省單井配電綜合費用1.5 萬元。可根據(jù)油田環(huán)境條件、管理便宜性，選擇注水井就地供電模式，光伏太陽能板+蓄電池供電方案較蓄電池組供電方案造價略高，但通過現(xiàn)場運行驗證，供電穩(wěn)定性、可靠性較優(yōu)。

立足于滿足安全生產(chǎn)需求、節(jié)省建設(shè)投資而開展的注水井井口數(shù)字化改造設(shè)計優(yōu)化，實現(xiàn)了油田生產(chǎn)動態(tài)的實時把握，提高了精細(xì)化管理水平[10]，減輕了前線員工勞動強(qiáng)度，為老區(qū)油田數(shù)字化建設(shè)推廣提供了設(shè)計經(jīng)驗。