基于物联网技术的油田注水系统节能降耗技术

2023-10-27焦卫华张秋陌张栋财黄学锋

化工机械 2023年5期

韩瑞焦卫华张秋陌张栋财黄学锋

（1.延长油田股份有限公司定边采油厂；2.西安国仪测控股份有限公司）

注水开发属于油田开发的重要方式，该方式相对简单，应用较为方便，但也存在诸多缺点，例如能耗大、开发效率低等［1，2］。对于定边采油厂五兴庄卜掌注水区，其配水间7 个，注水井45 口，配水间的间距约25 km，由于配水间的间距较远，且注水设备较为陈旧，因此对注水开发进行管理的难度较大，无效注水量较高，导致注水开发过程中的能耗相对较大。目前，定边采油厂的注水开发工作已经无法满足低成本、高效益的基本要求，因此，对注水系统节能降耗工作的研究迫在眉睫。

目前，国内外众多学者对注水系统的节能降耗问题进行了研究［3，4］。严艳玲针对江汉油田注水开发的能耗问题，对注水开发中存在的问题以及系统优化措施分别进行了研究，结果表明，设备不匹配、管网压力损失高和阀控损失大是影响注水开发能耗的重要因素，因此，需要对注水泵、地面管网等分别进行合理优化，进而降低注水能耗，但是文中并没有对提出的技术措施进行验证［5］；马庆龙针对扶余油田的注水开发问题，对站内和站外注水系统的节能降耗问题分别进行了研究，结果表明，泵站效率对注水开发能耗具有重要影响，因此，需要对泵站进行合理的优化设计，对泵站的能力进行扩充，进而降低注水能耗，但是文中提出的措施仅停留在泵站单一方面［6］；刘靖瑞针对吉林油田的注水开发问题，引入了注水系统模拟仿真方式，对分区分压注水措施进行了研究，结果表明，根据油田区块的实际情况采用分区分压注水措施可以降低注水能耗，同时，在进行注水开发的过程中，还需要对泵站进行优化以及对注水管网进行定期清洗，进而使得注水能耗进一步降低，但是文中对能耗的影响因素考虑并不全面［7］。

秉持分布式系统无法同时兼顾一致性、可用性与分区容忍性（CAP）原理[8]，中本聪设计了PoW共识机制。现阶段常见共识算法其中一类为证明类共识，即Proof of X共识方案，是在PoW共识方案之上的变种，将PoW改换为其余证明。PoW算法现阶段依然盛行，使用PoW共识的代表货币比特币依然占据最大市值。

综上所述，虽然研究学者们针对注水系统的能耗问题进行了研究，但是研究过程中都存在一定的问题。笔者引入物联网技术，提出了一种基于物联网技术的油田注水系统节能降耗技术，并将该技术应用于我国定边采油厂，以验证该技术的可行性和先进性，从而为我国推广和使用该节能降耗技术奠定基础。

1 节能降耗技术的提出

在实际工程中，注水泵的能量消耗和注水系统的无效注水量均属于整个注水系统的重要能耗指标，对这两项指标进行合理优化十分关键［8，9］。注水系统的采集指标主要包括注配间中的注水量数据、注水管网压力数据、注水管网温度数据及节流损失数据等；注水泵的采集指标主要包括连续运行时间、运行功率信息及运行效率信息等。采集数据后，通过对监测数据进行传输，系统根据能耗监测指标，对注水过程中的相关环节进行合理优化，以实现节能降耗的目标。为了全面实现节能降耗，首先需要对注水泵和注水系统进行改进。

1.1 注水泵改进

应用层中的GSM 信息传输装置主要负责接收流量传感器和注水泵运行传感器获取的信息，并将相关信息传输到ARM 处理器中。 ARM 处理器中的主线程处于持续监控端口的基本状态，如果端口位置处有相关数据信息到达，则系统将会启动接收信息的线程，并在端口位置处写入AT+CMGL 基本命令，进而对相关信息内容进行读取［22］。读取的数据信息将会通过GSM 无线传输协议进行分析和处理，并将异常信息传输到OFD服务器中，应用层中的相关软件可以对信息进行管理和维护。具体流程如图4 所示。

1.2 注水系统改进

注水量是实现节能降耗的重要参数，为了降低无效注水量，引入自动化注水系统。自动化注水系统的工原理如图1 所示。其中，智能流量计和数字压力变送器可将现场的模拟信号转换为DDZ-Ⅲ标准信号，且可以在现场仪表上进行显示。现场控制器可将仪表中的模拟信号转换为RS485 协议信号，该类型信号可在控制端中使用。同时，系统中还增加了智能电动调节阀，以此实现注水流量控制调节的目标［11，12］。采集信号和控制信号经现场协议转换器转换后成为TCP/IP 协议信号，通过使用交换机和无线传输网络，可将信号传输到主控室中，主控室得到各站点的数据后，通过交换机将数据传输到主控计算机中，主控计算机以图形界面的方式反映注水系统的各项参数，并可对各项参数进行简单分析，同时通过使用WAN，可将相关数据传输到分厂网络中。

图1 自动化注水系统工作原理

2 基于物联网技术的油田注水系统节能降耗系统组成与架构

2.1 系统组成

党的十九大报告提出要全面实施绩效管理，为各部门加强绩效管理指明了方向。本文将预算的编制、执行和监督同绩效管理的目标设定、执行跟踪、绩效评价和结果应用相结合，以内部控制为保障机制，将预算绩效管理过程细化至具体的流程、明确的岗位，探讨如何构建预算绩效管理内部控制机制以及其能达到的效果。

图2 基于物联网技术的油田注水系统节能降耗系统

该系统由两组GSM 信息发送和接收装置组成，其中一组GSM 信息发送和接收装置被嵌入到注水井注水流量采集装置中，另一组GSM 信息发送和接收装置被嵌入到OFD 服务器中［15］。

2.2 系统架构

在使用物联网技术的过程中，无线传输技术属于一项重要的基础，在使用GMS 模块后，可将感知层和应用层相互连接，进而实现信息交互的基本功能。同时，系统采用PDU 的基本模式，对短信息进行发送和接收。PDU 数据格式主要由中心地址、目的地址、有效期、数据长度及协议标识等多种类型的信息共同组成，在使用PDU 数据格式的过程中，通常选择Unicode-7 位编码方式。

图3 基于物联网技术的油田注水系统节能降耗系统架构

引入基于物联网技术的油田注水系统节能降耗技术后，通过对定边采油厂28 口注水井进行监测发现，其注水量可以控制在0.205 ～0.220 m3/h 之间，注水量的误差率仅为2.3%，注水精度提升了25.7%，注水泵的故障率降低了58%，运行效率提升了8.6%，注水井的日均无效注水量降低约1.4 t，注水井的日节约电量约5.6 kW·h。

传输层的主要作用是将各系统相互连接。在油田生产作业过程中，其周围环境相对较为恶劣，如果采用有线传输网络，则成本费用高。由于无线传输技术已经逐渐成熟，因此，笔者采用较为成熟的无线传输网络GSM 网络［18］。 GSM 传输网络盲区少且信号强，通过在数据传输装置中嵌入GSM 模块，依据GSM07.05 的AT 指令集要求，可以使用GSM 短信息的方式对采集的相关参数进行传输。

物联网中存在多个独立的节点，通过在节点中植入嵌入式芯片，可以使得每个独立节点的数据处理能力和信息传输能力都得到提升。感知层中的信息采集点嵌入了ARM9 处理器，该处理器价格相对较低，通过使用该处理器，可以将信息采集装置和信息传输装置相互连接；信息采集装置可以对采集的数据进行编码处理，并依据信息采集的时间使用GSM 模块，进而将注水系统信息和注水泵运行信息传递到应用层中。同时，信息采集装置还可以对应用层传输回来的信息进行解码处理［20，21］。

3 基于物联网技术的油田注水系统节能降耗系统关键技术

3.1 嵌入式技术

应用层主要由系统硬件和应用软件两部分组成，其提供了多种类型的应用服务。其中，系统硬件主要由信息传输部分、外部网络、服务器和PC 设备构成；应用软件主要由信息传输软件、服务器支持软件和监控软件3 部分构成［19］。对于信息传输软件和监控软件而言，其主要是依靠服务器进行信息传输，通过分析感知层得到的注水系统信息和注水泵运行信息，可以发现注水开发过程中的异常问题，同时，服务器还可以储存每个监控点位置处的数据。

在油田生产作业过程中，注水井和注水泵的数量相对较多，为了使应用层可以同时对多个监控点的信息进行有效处理，需要在应用层中嵌入ARM11 处理器，该处理器性能好，可将GSM 模块和OFD 服务器相互连接，对感知层得到的信息进行解码处理，同时可以在OFD 服务器中保存解码后的信息，或者对用户发出的指令进行编码处理并发送到感知层中。

3.2 GSM 无线传输协议

基于物联网技术的油田注水系统节能降耗系统由感知层、传输层和应用层3 层架构组成（图3）。

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3.3 数据传输存储

通过分析注水系统能耗发现，注水泵属于能量消耗的主要设备，为此引入恒压变频调速注水泵，通过使用该类型注水泵，不但可以降低注水过程中的压力损耗，还可以保障注水系统能量消耗优化方案得以成功实施。使用恒压变频调速注水泵可以达到恒压控制的基本效果，通过使用变频调速技术，可以平衡注水管网中的压力，对电机的转速进行合理控制，最终实现对注水流量的控制［10］。在注水泵电机速度相对较快时，注水流量会提升，在注水泵电机速度相对较慢时，注水流量会降低，注水泵可以根据注水的实际需求对供水量进行调节，以防止注水泵长期处于高负荷运行状态。

整个下午，梨花就坐在门前的屋檐下，呆呆地望着发白的天空。她感到无比沉重，整个人木搭搭的，脑袋里像灌满了铅。黄方永在院门口玩，跑来跑去的；梨花对此压根儿就没往脑子里去，直到他拖着一只鱼篓跑进院子来，当她看到鱼篓里零零星星地掉出来的东西时，脑袋像是被硬物猛地撞了一下，顿时生痛生痛的。她清楚那是什么。梨花突然站起来身来，朝小家伙走去，将他抱起来，从他手中夺下鱼篓。黄方永不知道她要干什么，就尖叫起来；桃花突然从里屋冲出来，大声吆喝道：“你别碰他！”她冲过来一把从梨花怀里夺过儿子，细细地掸了一遍他身上；随即扬手朝院门口一指，对梨花吼道：“你走，你还赖在这儿干什么？！”梨花惊愕地望着姐姐桃花。

图4 信息传输流程

4 应用实例

为了达到节能降耗的目标，对注水系统和注水泵相关参数进行敏感性分析，其中，注水系统的分析参数为注水量数据、注水管网压力数据、注水管网温度数据和节流损失数据，注水泵的分析参数为连续运行时间、运行功率信息和运行效率信息。将注水单耗作为能耗评价指标，通过分析各种参数与单耗之间的关系，可以为制定节能降耗措施奠定基础。在我国定边采油厂中，各种类型参数均采集50 组，将相关参数与单耗之间进行相关性分析，部分结果如图5～7 所示，各参数与单耗之间的相关系数见表1。通过分析发现，注水量、注水压力、注水泵运行效率与单耗之间的关系相对较为密切，节流损失、注水泵运行时间与单耗之间的关系次之，注水温度、注水泵运行效率与单耗之间基本不相关，其中，注水泵运行时间与运行效率之间具有一定联系，当连续运行时间增加时，注水泵的运行效率会随之降低。综合分析发现，主要需要从注水量、注水压力、注水泵维护管理及节流损失等角度提出合理的节能降耗措施。

图5 注水量与单耗的关系曲线

图6 注水压力与单耗的关系曲线

图7 注水温度与单耗的关系曲线

根据单耗分析结果，定边采油厂需要采取4方面的措施实现节能降耗。为了对注水量进行准确把控，引入PID 闭环算法控制调节注水量，在注水过程中，将目标注水量与流量仪表的检测数据进行全面对比，如果实际注水量与目标注水量之间出现偏差，则使用ACU 组件，由PID 算法发出相应指令，当指令到达配水调节组件后，对阀门开度进行合理调节，以此实现闭环流量自动调节控制的目标。在定边采油厂未来的发展中，供水量可能会持续提升，因此，采用大排量的高压水泵进行注水，同时为了防止出现压力过高的问题，需将注水泵的出口均开回流口，获得能量的多余水资源将会回流到大罐中，在此过程中产生的能量消耗相对较低，因此可以忽略降低供水压力的影响。对注水泵进行梯级配置，以防止管道内憋压引发能耗问题，对离心泵和注水泵分别进行减级改造，降低节流损失，同时可以避免出现回流问题，定期对注水管网进行除垢处理，以降低管道内的压力损失。定期对注水泵进行检查和维护，对注水水质进行治理，提高水资源的质量，防止水资源内的杂质对注水泵的运行效率产生影响。

基于物联网技术的油田注水系统节能降耗系统（图2）主要由注水流量采集装置、注水泵运行信息采集装置、GSM 信息传输装置、OFD 服务器和数据信息管理子系统5 部分组成，通过物联网技术和无线传输技术可将这5 部分相互连接。对于每个注水井口，都配备了专门的注水流量采集装置和注水泵信息采集装置，对注水量信息和注水泵的运行信息进行全面采集，根据协议要求对数据进行编码处理［13］。通过使用GSM 信息传输装置，可将采集的相关数据信息传输到OFD服务器中，实现数据储存［14］。对于数据信息管理子系统，其主要利用Internet 技术对OFD 服务器进行访问，同时，该系统具备用户管理、注水量查询、注水量信息采集时间查询、注水泵运行信息查询及注水泵故障信息查询等功能。

感知层中，对油田区块注水井和注水泵分别进行编号，通过注水流量采集装置和注水泵运行信息采集装置，对每个注水井和注水泵的信息进行采集，对采集的信息和编号信息进行编码处理，利用信息传输装置对编码信息进行高效传输。注水流量采集装置使用的是智能超声波流量传感器，其具有精度高、智能化程度高、响应速度快等优点，在使用过程中不会对注水管道产生阻力干扰。注水泵采用的是恒压变频调速注水泵，其运行情况稳定，可降低流量控制阀的压损。当注水流量出现较大波动、注水泵运行异常时，相关数据采集装置可以快速感应流量的波动情况和注水泵的异常，并将相关信息传输到应用层中，以便对异常原因进行分析［16，17］。

经产蛋白酶活性筛选，共有7株菌有产蛋白酶能力，其中有2株乳酸菌，2株真菌，3株芽孢杆菌，分别编号为R1，R2，Z1，Z2，Y1，Y2，Y3；经产淀粉酶活性筛选，共有3株菌有产淀粉酶能力，且均为具有产蛋白酶能力的芽孢杆菌，即为Y1，Y2，Y3，详细结果见表1。

综上所述，引入基于物联网技术的油田注水系统节能降耗技术后，定边采油厂实现了节能降耗的目标。