某区块数字化注水系统应用分析及问题对策

2023-12-04李殷海李沫田大志母春晖

石油石化节能 2023年11期

李殷海李沫田大志母春晖

（1.大庆油田有限责任公司第八采油厂；2.大庆油田有限责任公司第五采油厂；3.吉林油田分公司新木采油厂）

注水驱油是国内外油田开发的主要方式，用注水来保持和提高地层能量或地层压力以提高油气采收率。近年来原油的开发难度逐渐增大，注水系统能耗日益增高，“十四五”实现“数字中国石油”是提质增效的重要途径之一[1]，为此各大石油公司在智能油田建设方面也加大了探索力度，同时取得了显著成效[2]。油田注水推进数字化转型，可达到科学注水，实现提高采收率、提高单井产量、降低递减率[3]的目的。但数字化系统在实际生产中经常出现故障，导致不能正常工作。需通过分析研究解决这一问题，确保数字化注水系统安全、稳定运行。

1 某数字化区块注水现状

某区块一期工程投产于2017 年6 月，共有注水井46 口，其中24 口注水井在配水间内，22 口注水井属于单干管注水，分布于10 个平台，每个平台1～3 口井不等。二期工程于2020 年6 月投产，共有注水井35 口。到目前为止，该区块共有配水间6座，注水井81 口，由某注水站统一供水。

1.1 数字化注水水量控制方式

注水井的注水量调控装置使用的是GLK 型高压流量自控仪。对标设备主要有电磁流量计和智能控制阀。通过电磁流量计检测瞬时流量，瞬时流量与设定流量相比较，根据比较结果驱动智能控制阀开关适时调控水量，形成闭环控制策略。注水量调控装置功能见图1。该区块水井调控流量为0.42～1.5 m3/h，高压流量自控仪调节流量为0.6～6 m3/h，可以完全满足生产需求。此流量控制装置可实现平稳、定量、精确注水功能，从而为高效注水提供技术保障。

图1 注水量调控装置功能Fig.1 Function of water injection control device

1.2 数字化注水信号传输方式

该数字化区块注水井主要分布在配水间和油井平台。配水间内的水井信号通过有线的方式传输到计量间内的RTU 控制柜[4]。高压流量自控仪内置标准485 通讯接口，通过Profibus 总线控制系统与RTU 柜内的PLC 通讯，高压流量自控仪通过总线分配器并联，在末端通过485 转Profibus 模块实现与PLC 的硬件连接，具有通讯稳定的优点。

单干管水井使用的高压流量自控仪由现场油井变压器供电，数据信号采用无线传输。单干管注水井数据通过一组zigebee 无线模块传输至油井平台，油井平台上面的zigebee 模块把无线信号转换成标准485 信号传给油井RTU，再通过Mcwill 无线传输模块传输至1#混输增压间，最终通过光纤传输至中控室[5]，实现可视化监测和调控管理。

1.3 数字化注水系统运行效果

注水井数字化运行依托数字化管理系统，由班组统一管理，水井工作量按管理难度折算，占班组总工作量比例的25%。从运行效果上看，注水效率提高十分明显，不需要再进行人工调控水井注水量，配水间实现了无人值守；从工作时长来分析，常规水井每口井调控一次水量需要3 min，该区块每天调一次水量节约工时4 h。从常规注水井和数字化注水井中随机抽取10 口井进行配注量对比，对比结果见表1。从表中记录的数据可以看出：常规注水井有5 口井配注误差超过配注管理指标要求的20%。因此数字化注水系统在人力消耗和注水质量上都有较大的优势。

表1 数字化注水井与常规注水井配注对比Tab.1 Annotation comparison between digital injection well and conventional injection well

2 数字化注水系统存在的问题及分析

该数字化区块目前已连续运转2 100 余天，设备逐渐老化，数字化注水系统在运行过程中出现了一些问题（表2）需要及时解决。

表2 2022 年注水数字化设备故障次数统计Tab.2 Fault statistics of water injection digital equipment in 2022

1）电磁流量计面板不显示数据。在仪表供电正常的情况下，仪表面板没有任何数据显示，无法读取当时的瞬时流量和累积流量，自动控制阀不动作，上位机的数据不能及时更新。

通过多次检修分析发现，该故障的主要原因是电磁流量计的电源保险、中间接线板烧蚀造成的。中间接线板烧蚀故障的表现形式比较直观，肉眼可见烧蚀位置，处理起来也比较简单，清除烧蚀部位，再用跳线重新焊接即可。电磁流量计还设有压敏电阻和自恢复保险，这些设计的基本功能都是保护流量计内部电路，它们出现故障也会带来仪表面板不显示数据现象。

2）自动控制阀不能根据流量计指令调节水量。自动控制阀的工作原理是根据电磁流量计指令驱动控制板，当控制板接到指令后输出信号开关阀门。自动控制阀不能根据流量计指令调节水量故障的表现形式为：当流量计的瞬时流量与设定流量相差0.05 m3/h 以上时，自动控制阀不动作；当注水系统生产参数改变时，该井不能自动调节水量，此时虽然瞬时流量与设定流量出现差值，但阀门没有开关动作。

通过对故障原因的研究总结发现，引起自动控制阀不调节的主要原因是控制板变压器损坏。控制板的主要作用是接收电磁流量计的信号，根据电磁流量计信号指令来驱动自动调节阀电动机控制电路，通过电动机正反转，来实现阀门开关。

3）单干管注水井数据不能传输。当油井数据传输正常，水井数据无更新，即可判定单干管水井无线通讯出现故障，此时中控室不能对该井进行控制和监测。

从单干管注水井数据传输方式上来分析，首先要确定该水井数据依托的油井数据能否正常传输，该水井电磁流量计自身通讯功能是否正常。确定方法是用电脑读取流量计内部数据，如果上述数据均正常，再检查zigebee 无线数传模块，往往zigebee无线数传模块损坏是导致单干管注水井数据不能传输的主要原因。配注间内的有线数据也会出现不能传输的故障，如果单独一台高压流量自控仪不能进行数据通讯一般是总线分配器故障[6]。

4）电磁流量计不能正常检测水量。数字化注水系统通过几年的运行，设备及零部件逐渐老化，故障率开始上升。在2021 年底逐渐开始出现正常注水时瞬时水量显示为零的情况。故障现象是注水井正常注水，面板显示瞬时水量为零，累积流量无变化，自动控制阀处于全开状态，人为关小后立即自动打开。这种流量计面板显示瞬时流量为零，自控阀门全开的现象即为电磁流量计不能正常检测水量故障，此时该井注水量严重超注，破坏注水系统平衡，浪费大量水资源。

电磁流量计不能检测水量的原因有很多，比如流量计内部主板电路故障，显示面板故障等等。通过大量的维修实践发现，引起该故障最主要原因有两个：①电磁流量计内部电极严重结垢，当电极结垢后，仪表检测不到水流切割磁力线产生的感应电动势，仪表即判定当前流量为零；②流量计内部电极导线腐蚀断路，仪表同样检测不到电动势，致使面板显示瞬时水量为零。

3 应对措施

注水系统数字化运行在油田生产中虽然取得了一些效果，节省了人力，提高了注水效率，但是也暴露出一些问题。在实际生产过程中，并根据经验制定了应对措施：

1）电磁流量计无显示应对措施。依托工作室对于简单故障自行维修，电磁流量计无显示或显示数据为零的问题，通过简单的判断即可找到原因。例如：先后处理多起电磁流量计中间接线板烧蚀、自恢复保险失灵等故障：其中中间接线板烧蚀故障较为直观，处理也比较容易，可以焊接或跳线连接即可；对于压敏电阻、自恢复保险损坏等故障处理起来相对复杂，需要具备一定的电子知识，用万用表测量判断是否损坏，对于损坏的及时更换。配水间电磁流量计不显示，用接线板跳线连接，重新焊接后恢复正常显示功能。

2）自动控制阀不能根据流量计指令调节水量的应对措施。出现该故障后首先判断板变压器是否损坏，用万用表测量V1-、V1+，V2-、V2+两对端子是否带相应电压，即可判断变压器是否完好[7]，如果变压器损坏需要更换同型号变压器；如果变压器完好则需要继续判断电动机驱动电路是否损坏，驱动电路板的判断方法可采用换件法，即直接更换完好的同型号电动机驱动电路板；如果还不能排除故障则直接更换控制板。通过以上三种方法即可排除该故障。

3）单干管注水井数据不能传输应对措施。针对某注水出现的单干管水井数据不能传输的问题，首先用电脑读取流量计内部数据，结果显示正常，再检查zigebee 无线数传模块，zigebee 模块损坏，重新选用配件。为此，淘汰了厂家配备的无生产厂家、无性能参数、无组网软件的模块，重新选用了资料齐全、能自行组网的zigebee 无线数传模块，方便后期购买更新配件，摆脱了完全依赖厂家的现状，保证注水系统平稳运行。

4）电磁流量计自控仪故障应对措施。及时清理电磁流量计内部电极结垢，防止电极导线腐蚀断路，对于导线腐蚀断路的及时更换，如4#配水间流量计电极导线腐蚀，更换导线后，正常显示数据。对于自动控制阀门失灵问题，如3#配水间自动控制阀门不工作，用万用表测量控制板变压器两对端子，无电压显示说明变压器损坏，更换变压器后自动控制阀门正常工作。

流量自控仪在维修后需要校准，所以研制了高压流量自控仪线下模拟运行装置。该装置可以模拟水井生产工艺，对维修后的自控仪表进行模拟运行，再通过人机界面查看连续一段时间内水流运行曲线来判断维修后效果，确保每台设备维修后都能正常运转后，再投入现场生产使用。