远程注水控制监测系统在油田应用的研究

2017-02-09张波中国石油长庆油田分公司第一采油厂

石油石化节能 2017年1期

张波（中国石油长庆油田分公司第一采油厂）

远程注水控制监测系统在油田应用的研究

张波（中国石油长庆油田分公司第一采油厂）

针对油田注水泵机泵运行效率不能连续监测，为了提高供电系统的功率因数，节约能源，常常调高高压同步电动机的励磁电流，易造成能耗严重损失，影响正常生产。因此，需对大型机泵的运行状态进行监测。根据现场监测分析，采用远程油田注水控制监测系统可实现注水泵的运行状态的实时监测、诊断和控制，实现恒压注水功能以及机泵效率实时自动计算，大大提升了油田注水的管理水平。

远程控制；注水监测；电参数

目前国内油田开发时间长，地层渗透率低，注水压力高，存在注水设备老化、机泵效率低等问题，为了加强对注水工艺的量化、精细化管理要求，进一步分析注水泵在运行过程中由于压力波动、流量波动、回流量等因素影响的能耗变化原因，有针对性地提高机泵运行效率，在注水站采用远程油田注水控制监测系统的现场应用。

1 系统特点

远程油田注水控制监测系统（简称系统）是借助于现代计算机技术与传感器技术，通过对工频、变频注水泵电参数的超高速采集分析，实时监测输入流量、输入压力、输出流量、输出压力，对注水泵运行状况进行综合评估的系统。

系统特点：基于键相的高速电参数采集系统，能以每秒12 800组数据的速度采集计算电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数。高速的采集能力解决以往变频器输出无法测量的难题，使注水系统的能耗和效率计算更加准确；高速采集的电参数曲线，可显示电动机、皮带、皮带轮、曲柄连杆系统、柱塞、阀门工作中存在的不平衡，这往往显示是泵效下降、运行寿命缩短。高速的电参数据和键相数据，可用于计算分析泵的理论排量、电动机效率、泵效率，以及泵的体积效率和压力效率，这对于分析泵组能耗构成非常重要。

2 系统工作原理

传感器的布控与注水机组工作环境有紧密关系，应确保传感器可以准确传递参数信号，传感器的主灵敏轴应该与被测对象的测量方向一致；注水机组由注水泵与电动机两部分构成，轴承部分、地基、泵体等部位可以选择压电式传感器。系统应满足检测油田注水信号，并且结合时域与频率分析，探测机组运行状态与故障发生位置，为机组故障诊断与维护提供技术依据。

2.1 系统总体设计

系统主要用于注水站注水泵进行系统能耗监测，计量电量、监测泵组系统效率，用于全天实时测试电动机相关参数的无人值守自动监测系统（简称自动监测系统）。该系统由多个数据采集点组成无线传感器网络，数据通过GPRS网关传输到远程监控主机上，整个监测系统架构如图1所示。

2.2 系统工作模块

监测系统由现场传感器及数据采集器、通讯链路和监控服务器三大部分构成：服务器安装于作业区机房，运行Windows Server系统SQL数据库，服务器运行的系统专用数据接口驱动程序，对所有监测的泵运行数据进行收集，存储至数据库中；可随时通过客户端程序，远程查看数据库中的实时数据、报警信息以及历史趋势数据，从而实现对注水泵的运行状态和运行效率的监测和控制。

图1 监测系统架构

网关具有GPRS功能，可以把该网关内所有数据实时传输到远程监控主机，传感器节点根据设置指令定时开始采集温度、扭矩、振动等参数的数字信号以及电动机扭矩信号并储存，同时也可以实时通过网关传输到远程监控主机上，由监测软件进行转换、分析，进而实现单井产液量分析、工况诊断及电动机扭矩等功能。根据系统的工作环境，按宽温型（－40～85℃）设计，提高数据采集存储的可靠性，内置精密时钟芯片，在每10 min至1天采集一次数据（可按需求设置采样时长）。系统监测模块见表1。

表1 系统主要模块

3 现场应用研究

现场传感器配置情况主要是对各个控制单元的节点实施数字信号的变送（图2），同时系统可以设定一种或几种工作模式：周期采集，设定采样间隔及每次采样长度；事件触发，设定事件触发的门限值，达到门限值开始采集；连续采集，持续采集并实时传输到监控中心。

1）对注水泵运行状态的实时监控，现场可通过触摸屏查询三相电压、电流、有功功率、无功功率等电参量，并能实时显示温度、压力、流量及泵组效率等状态参数及趋势线，为现场工作人员及时监测机泵的运行状态提供了条件。

2）利用服务器对现场监控数据进行存储和发布，实时提供设备工况信息，在油田局域网络范围内可远程监控注水机泵工作状态。

3）预警保护。基于键相高速采集的数据，可用于分析机泵运行过程中的各类异常信息，在设备出现故障前进行预警。

图2 系统现场传感器配置情况

4）电参数监控（图3）。现场传感器主要采用智能型三相电参数数据综合采集模块；三表法准确测量三相三线制或三相四线制交流电路中的三相电流、有功功率、无功功率、功率因数、正反向无功电度等电参数。

图3 现场电参数测试监控

通过使注水系统的压力维持在较低的压力上，则可有效地节约能源，提高效率。针对变频器驱动的注水泵，实现了恒压注水，可以利用PID控制器，通过设定注水压力，关闭注水回流，有效降低了能耗。

整个系统可以远程控制，有两种采集模式：按时采集，设定的采样时间段及采集的间隔；手动控制采集，根据需求，用户发送采集命令开始采集。对各项测得的曲线，利用计算机进行分析，自动计算注水泵的管线损失率、阀组损失率、注水泵效率、注水机组效率、注水站效率等参数、网管损失率等参数[1]。与此同时，利用IPTS注水能耗监测系统对注水泵运行参数的实时监控，可对注水泵的运行状态作以评估，对于运行中出现的测量参数超过上、下限的工况，立即以报警形式通知注水泵管理员，由管理员进行异常工况的处理。三撬注水站一号泵启用恒压注水技术后，与之前相比，注水系统效率从41.06%上升到52.41%，注水单耗下降了1.69 kWh/m3，日节电达到1968 kWh。