施海青，井 丹，黨延輝，敬興龍

(1.新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000;2.中石油新疆油田公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

油田使用能源的方式和種類(lèi)主要是機(jī)采、注汽、注水、集輸、供水等工藝過(guò)程中所消耗的電、天然氣、煤等[1]。在油田生產(chǎn)過(guò)程中存在能耗較大、效率較低等問(wèn)題，如中國(guó)石油天然氣股份有限公司2016年15家油氣田企業(yè)注水系統(tǒng)平均效率48.2%、泵機(jī)組效率74.9%、注水單耗8.29 kWh/m3。按照2015年工業(yè)與信息化部發(fā)布的《石油和化工企業(yè)能源管理中心建設(shè)實(shí)施方案》，明確了各類(lèi)型企業(yè)的能源管理中心通用建設(shè)內(nèi)容和專(zhuān)項(xiàng)建設(shè)內(nèi)容，并提出了軟硬件建設(shè)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[2]。文中以油田節(jié)能監(jiān)測(cè)平臺(tái)搭建入手，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)油田生產(chǎn)工藝過(guò)程中主要能耗數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、掌握能耗設(shè)備運(yùn)行狀況、分析能耗效率、及時(shí)制定節(jié)能降耗措施、提升油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理及智能化水平[3]。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田節(jié)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)傳感層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、系統(tǒng)應(yīng)用層構(gòu)成，基于物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)監(jiān)控油田生產(chǎn)過(guò)程的主要能耗數(shù)據(jù)，其中包括機(jī)械采油過(guò)程的電機(jī)電流、電壓、功率、動(dòng)液面、產(chǎn)液量等數(shù)據(jù)，注汽鍋爐燃燒過(guò)程中的鍋爐表面溫度、排煙溫度、煙氣含氧量、CO2量等數(shù)據(jù)，注水及集輸過(guò)程中的注配間三相電流、三相電壓、水井瞬時(shí)注水量、集油環(huán)摻水量、回油溫度、回油壓力等、加熱爐表面溫度、加熱爐煙氣含氧量、加熱爐排煙溫度等數(shù)據(jù)，泵機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的輸油泵耗電量、注水泵耗電量、單相電流、節(jié)流損失率等數(shù)據(jù)[4]。同時(shí)利用有線、無(wú)線混合組網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸采集數(shù)據(jù)，從而完成對(duì)能耗狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外，對(duì)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析優(yōu)化，制定相應(yīng)的節(jié)能降耗方案，并跟蹤整改實(shí)施情況及措施有效率。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)主要能耗評(píng)價(jià)參數(shù)

能耗評(píng)價(jià)參數(shù)主要包括產(chǎn)液?jiǎn)魏?、產(chǎn)油單耗、產(chǎn)氣單耗、注水單耗、產(chǎn)汽單耗、節(jié)能量、節(jié)水量等。對(duì)單耗影響較大的重點(diǎn)耗能設(shè)備運(yùn)行參數(shù)包括注汽過(guò)程的鍋爐熱效率、注汽管網(wǎng)熱流密度、鍋爐排煙溫度、鍋爐過(guò)?？諝庀禂?shù)和非井注用汽比例等5項(xiàng)；注水工程主要有注水泵效率、節(jié)流損失率、功率因素、機(jī)組效率、注聚泵效率、注聚系統(tǒng)效率等6項(xiàng)；機(jī)械采油系統(tǒng)主要有機(jī)采系統(tǒng)效率、螺桿泵井系統(tǒng)效率、潛油電泵井系統(tǒng)效率、電機(jī)功率因素抽油泵效、電機(jī)功率利用率和平衡度等6項(xiàng)；集輸工程有燃?xì)饧訜釥t熱效率、燃油加熱爐熱效率、輸油泵效率、加熱爐表面溫度、加熱爐煙氣含氧量和加熱爐排煙溫度等6項(xiàng)指標(biāo)；供電系統(tǒng)主要有功率因素和供電半徑等2項(xiàng)指標(biāo)；共25項(xiàng)指標(biāo)[5]。

現(xiàn)場(chǎng)傳感層核心組成部分為各類(lèi)儀表及RTU設(shè)備，其中現(xiàn)場(chǎng)傳感器的選取結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)傳感層的特點(diǎn)可選擇各種新型的無(wú)線傳感器，突出物聯(lián)網(wǎng)傳感層研究在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的具體實(shí)踐，且相關(guān)設(shè)備均需要支持IPV6通訊協(xié)議[6]。

3 傳輸層系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)傳輸層網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用了LTE網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)橋、電臺(tái)等無(wú)線通訊以及現(xiàn)場(chǎng)的RS232、光釬等有線通訊，主要根據(jù)站點(diǎn)已有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸距離、障礙物等因素靈活選擇組網(wǎng)方式，構(gòu)建穩(wěn)定的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[7]。以機(jī)采系統(tǒng)為例，其網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示。

圖2 機(jī)采系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

3.1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

3.1.1 結(jié)合LTE的多層次混合物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)協(xié)議

LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施與物聯(lián)網(wǎng)固定匯聚節(jié)點(diǎn)融合確保網(wǎng)絡(luò)中的傳感器在任一時(shí)間與LTE網(wǎng)絡(luò)的連通性[8]。

支持LTE的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議?？蚣埽瑢?shí)現(xiàn)基于LTE網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理協(xié)議、多終端自適應(yīng)接入?yún)f(xié)議及自適應(yīng)組網(wǎng)協(xié)議等；

適合LTE網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)專(zhuān)用軟件架構(gòu)(底層協(xié)議棧、驅(qū)動(dòng)、操作系統(tǒng)及中間件等)；

結(jié)合路由刷新間隔、傳感終端所負(fù)責(zé)采集的物聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍、匯聚節(jié)點(diǎn)周?chē)钠款i效應(yīng)及網(wǎng)絡(luò)壽命等因素，分析和設(shè)計(jì)適用于混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[9]。

3.1.2 LTE與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)技術(shù)的研究

需要考慮網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)、無(wú)線媒質(zhì)的丟失特性以及移動(dòng)業(yè)務(wù)特性，要求多個(gè)傳感終端之間支持快速接入與可靠通信，支持自適應(yīng)快速切換；設(shè)計(jì)基于LTE的物聯(lián)網(wǎng)查詢(xún)與匯報(bào)機(jī)制，包括LTE網(wǎng)絡(luò)基站發(fā)現(xiàn)機(jī)制、作為采集節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)路由選擇方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)匯報(bào)機(jī)制和協(xié)議設(shè)計(jì)；中高層節(jié)點(diǎn)采用雙模制式，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換，利用基站間的有線鏈接實(shí)現(xiàn)中高層節(jié)點(diǎn)—基站—基站—中高層節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)互通[10]。

3.1.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與LTE電磁兼容性

為滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需要，需靈活采用不同的無(wú)線通信技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的通信手段，如在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸量較小時(shí)，采用如Zigbee等無(wú)線通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)；而在視頻安全監(jiān)控上，所要求的數(shù)據(jù)傳輸量較大時(shí)，采用如Wi-Fi等無(wú)線通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)；并且，在同一個(gè)融合網(wǎng)絡(luò)中，將同時(shí)存在低速、中高速的物聯(lián)網(wǎng)與LTE網(wǎng)絡(luò)[11]。

3.2 LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建

LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括LTE基站、LTE核心網(wǎng)、CPE終端設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選擇均達(dá)到IP66標(biāo)準(zhǔn)要求[12]。網(wǎng)絡(luò)搭建過(guò)程需考慮帶寬因素，如該研究在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)計(jì)為機(jī)采系統(tǒng)每口井傳感器需要的帶寬小于15 kbps，一個(gè)攝像頭需要提供的帶寬為2 Mbps，一組井(6口井)總帶寬需求大概為2.1 Mbps。網(wǎng)絡(luò)峰值速率能夠達(dá)到上行36.54 Mbit/s,下行71 Mbit/s，并支持多種帶寬分配，頻譜分配更加靈活，系統(tǒng)容量和覆蓋顯著提升。其他注汽、注水、集輸、供水節(jié)能監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方式與機(jī)采方式相似。

4 系統(tǒng)應(yīng)用及節(jié)能降耗措施研究

將所有數(shù)據(jù)引入節(jié)能監(jiān)測(cè)平臺(tái)并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，取代了以往靠統(tǒng)計(jì)人員通過(guò)大量的數(shù)據(jù)錄入與分析的方式，能快捷全面地統(tǒng)計(jì)分析各種生產(chǎn)報(bào)表信息及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，從而制定相應(yīng)的節(jié)能降耗措施[13]。

4.1 機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能降耗

根據(jù)油田油井間抽制度選井原則，沉沒(méi)度長(zhǎng)期(超過(guò)2個(gè)月)小于90米、日產(chǎn)液量長(zhǎng)期小于1.2 噸/天，滿(mǎn)足任何一個(gè)條件則間抽。系統(tǒng)可遠(yuǎn)程操控實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)啟停，實(shí)現(xiàn)間抽管理。

結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對(duì)比分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)耗電量上升大于15%的油井，結(jié)合電參、力參數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)造成高能耗原因，及時(shí)制定調(diào)參、加藥熱洗等解決措施，并利用實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控措施流程是否規(guī)范。

利用電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高平衡管理水平，在線分析油井平衡情況，通過(guò)軟件統(tǒng)計(jì)分析，篩選連續(xù)10天不達(dá)標(biāo)井。

通過(guò)載荷實(shí)時(shí)采集，優(yōu)化油井降粘工作，在線采集載荷數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算油井載荷比，篩選超出合理載荷比范圍的油井。

依托單井電量計(jì)量，強(qiáng)化機(jī)采能耗管理，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對(duì)比分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)5～7天內(nèi)耗電量上升大于15%的油井，結(jié)合電參、力參數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)造成高能耗原因，并及時(shí)制定調(diào)參、加藥熱洗等解決措施，做到“日跟蹤、周分析、旬落實(shí)”。

4.2 集輸系統(tǒng)節(jié)能降耗

通過(guò)恒流遠(yuǎn)程控制，保證平穩(wěn)合格注水，安裝恒流注水裝置，在后臺(tái)可實(shí)現(xiàn)單井注水量遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，分層注水合格率提升。

分析耗氣量數(shù)據(jù)，總結(jié)不同搭配方式氣量變化規(guī)律，優(yōu)化使用最少耗氣量加熱爐組合，結(jié)合氣溫及生產(chǎn)情況，及時(shí)停運(yùn)采暖爐及摻水爐，減少氣量消耗。

通過(guò)輸送溫度控制，降低原油輸送和處理的加熱耗電耗氣。通過(guò)優(yōu)化集輸溫度、加熱爐提效單耗大幅下降。以某油田區(qū)塊為例，通過(guò)該措施集輸噸液?jiǎn)魏挠?1.23 kgce/t下降到7.14 kgce/t，下降了36.69%。

4.3 注水系統(tǒng)節(jié)能降耗

注水系統(tǒng)參量敏感性分析，通過(guò)對(duì)注水系統(tǒng)相關(guān)的注水壓力、機(jī)泵效率、管網(wǎng)效率、電機(jī)負(fù)載率、注水量、日用電量、注水井流量、平均注水油壓等生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出影響系統(tǒng)效率、注水標(biāo)耗等各種因素之間的關(guān)聯(lián)度，制定出相應(yīng)的技術(shù)方案，并對(duì)實(shí)施后的注水能效利用率及節(jié)能效果開(kāi)展分析與預(yù)測(cè)。以某油田為例，通過(guò)分析得出注水單耗與注水系統(tǒng)壓力擬合程度為0.91，如圖3所示；機(jī)泵效率與注水壓力相關(guān)性較低，關(guān)聯(lián)程度為0.19，如圖4所示；機(jī)泵效率與單耗基本不相關(guān)，如圖5所示。

圖3 注水壓力-單耗擬合曲線

優(yōu)化注水泵梯級(jí)配置，有效減少因管線憋壓造成的能耗損失，提升注水系統(tǒng)效率。通過(guò)對(duì)離心泵和柱塞泵的減級(jí)改造，減少節(jié)流損失，并杜絕了回流。如某注水泵原泵參數(shù)為DF80-150×12，流量Q=80 m3/h，揚(yáng)程H=1 860 m，現(xiàn)改參數(shù)為DF90-150×10，流量Q=90 m3/h，揚(yáng)程H=1 500 m，實(shí)施后機(jī)組效率為70.2%，運(yùn)行功率降低19.2%，注水單耗由原來(lái)的7.8 kWh/m3降到6.3 kWh/m3，年節(jié)電118.2×104kWh。

圖4 注水壓力-機(jī)泵效率擬合曲線

圖5 機(jī)泵效率-單耗擬合曲線

采取酸化增注等措施，降低壓力上升較快的單井注水壓力，開(kāi)展水質(zhì)治理工作，從源頭改善因水質(zhì)不配伍造成的管柱、地層結(jié)垢問(wèn)題。

在逐步提高注水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率的前提下，對(duì)局部分散注水的區(qū)塊，實(shí)施局部聚垢除垢措施，減少管網(wǎng)壓力損失，降低注水單耗。

針對(duì)部分油藏非均質(zhì)性嚴(yán)重，層間儲(chǔ)層物性差異大、剖面動(dòng)用差異大、動(dòng)用程度低、易水淹水竄的特點(diǎn)，采用分注井輪注、周期注水和分層注水。如某油田齊古組油藏實(shí)施層間周期間注35井次、分層輪注13井次，累積增油0.8萬(wàn)噸，累積減少無(wú)效注水9萬(wàn)方，節(jié)約電量約60.66×104kwh。

4.4 注汽鍋爐節(jié)能降耗

加強(qiáng)稠油注汽井分類(lèi)分治工作，加大對(duì)吞吐效益井優(yōu)化注汽力度，減少低效注汽；加強(qiáng)節(jié)能數(shù)據(jù)監(jiān)督，通過(guò)月通報(bào)制度，使得煙氣含氧降低、鍋爐熱效率提高。通過(guò)節(jié)能監(jiān)測(cè)對(duì)煙冷鍋爐實(shí)施技術(shù)改造，以某注汽站7臺(tái)鍋爐為例，平均單耗降低3.6 m3/t；平均過(guò)熱度從8 ℃降至7 ℃，平均干度值降低0.39。

5 結(jié)束語(yǔ)

智能油田的建設(shè)為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提供了廣闊的平臺(tái)。文中以油田節(jié)能監(jiān)測(cè)入手，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能耗數(shù)據(jù)、準(zhǔn)確掌握能耗設(shè)備運(yùn)行狀況、高效分析能耗效率、及時(shí)制定節(jié)能降耗措施、提升油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理及智能化水平以及最大限度降低能耗成本為目的，綜合運(yùn)用多項(xiàng)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，搭建了一套集中的系統(tǒng)化管理平臺(tái)。該平臺(tái)還可以結(jié)合到現(xiàn)有的油田生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、專(zhuān)家診斷技術(shù)等開(kāi)展更多具體的節(jié)能降耗措施及方案研究[14]。

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