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海洋石油平台混配注水实时监控系统设计 摘要 本文在对埕岛中心二号平台生产现状、水处理工艺及注水工艺研究的基础 上，开发了埕岛中心二号平台混配注水实时监控系统。 首先介绍了埕岛油田进行混配注水的必要性和可行性，提出了污水优先，海 水为补充的混配注水策略。采用现代流行的p l c 控制技术和s c a d a 软件，构建了 设备层一控制层一管理层的三层网络结构的混配注水实时监控系统。该系统基于 可编程控制器及d h + 网络，实现了对混配注水全流程的实时监控。系统以可编 程控制器作为核一心控制器件，对各种流程工程量( 压力、流量、液位等) 进行采 集和处理，对流程设备进行控制。应用组态软件设计了上位机监控系统，上位机 监控系统通过d h + 网络与p l c 连接，使操控员在中央控制室就可以监控整个混 配注水系统的运行状况。 混配注水实时监控系统涉及多种检测仪表和执行机构，控制环节较多，控制 逻辑复杂，根据各环节的特性和联动关系，将整个系统划分为污水处理子系统、 海水处理子系统和注水子系统。结合每个子系统的特点，提出了相应的控制思路 和控制方案。 本文中，采用r o c k 、v e l l 公司的r s l i n xp r o f e s s i o n a l 、r s l o g i x 5 0 0 、r s v i e w 3 2 等软件编制了p l c 监控程序和监控主机监控程序，将控制思路和控制算法具体 化，实现了混配注水工艺流程的实时监控，确保了注水水质，保障了系统的安全、 经济、稳定运行。 针对混配注水实时监控系统现场调试不便的问题，在实验室构建了一个能对 海洋石油平台混配注水工艺流程信号进行模拟，对控制算法进行测试的模拟测试 系统。该模拟测试系统可以模拟现场仪表( 变送器、执行机构等) 的输入输出接 口信号，可以模拟流程中被控设备自身的规律和控制特性，可以模拟流程中被控 设备问的互动连锁关系。借助于该模拟测试系统，在实验室中实现了控制逻辑和 工艺流程控制的测试，控制算法的验证以及控制参数的整定，完成了p l c 控制程 序和监控主机监控程序的调试，解决了现场在线调试不便的问题。 最后对海洋石油平台混配注水实时监控系统的研究和设计作了总结和展望。 关键词：混配注水： p l c ：r o c k i | ；实时监控； 模拟测试系统 d e s i g no fr e a l t i m es u p e r v is o r yc o n tr o i s y s t e mf o r a d m i x in gw a t e rf i o o d i n go no ii p i a t f o r m a b s tr a c t t h em a i nc o n t e n to ft h ist h e s is ist h ed e s i g no ft h er e a i t i m e s u p e r v is o r yc o n t r o ls y s t e mf o ra d m ；x in gw a t e rf l o o d in gd nt h eo i p ia t f o r m t h ed e sjg nisb a s e do nc a r e f ui fys t u d yo fp r o d u c tjo ns t a t u so fc h e n g d a o o ilf i e l da n dw a t ert r e a t m e n tt e c h n i q u e sa sw e ila sw a t e r f l o o d ；n g t e c h n i q u e so fc h e n g d a oc e n t e r20 ifp ia t f o r m i nt h et h e s is ， a d m jx i n g w a t e rr e f e rt oam ix t u r eo fo il yw a t e ra n ds e a w a t e r 0 il yw a t e ri sak i n d o fl iq ui dt h a ts e p a r a t e da s ab y p r o d u c tf r o mc r u d eoi f a ti t sb e g in n i n g t h et h e s isa n a i y z e st h en e c e s s i t ya n df e a s j b 1i t y o fa d m ix i n gw a t e rf i o o d i n ga tc h e n g d a oo ilf i e l d t h e ni tr a is e sas tr a t e g y o fw a t e rf i o o d i n g ，t h a tis ， t h eo i yw a t e rh a st h ei n ；t i a t i v e ，a n dt h e s e a w a t e rg o e st o g e t h e rw i t hi ta sc o m p l e m e n to ft h ea d m ix i n gw a t e r b y p l ec o n t r o lt e c h n i q u e sa n ds c a n d as o f t w a r e ，ar e a l t ；m es u p e r v is o r y c o n t r o la d m i in gw a t e rf l o o d i n gs y s t e mi n t r i p i e xi a y e rn e t w o r ks tr u c t ur e ( d e vic en e t ，c o n t r oln e t ， m a n a g en e t ) isd e sig n e dt h es y s t e mb a s e su p o n p l ca n dd h + ( d a t ah i g hw a yp iu s ) n e t w o r k ，a n di tc a ns u p e r v is ea n dc o n t r o l t h ew h o i ef i o wo fa d m i x l n gw a t e rf i o o d l n g a st h e 口ri m a r yd e v i c ei nt h e s y s t e m ，p r o g r a m m a b i ec o n t r o ii e ri m p l e m e n t st h ef l e x o g i cc o n t r o lf o rt h e f i o wa n dc a nc o ii e c tt h ed a t ai nt h ef i o w 1 nt h et h e s is t h eh m i ( h u m a n m a c h in ei n t e r f a c e )d e s i g n e db yc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ec a nd is p la yt h e s t a t u so ft h ee q uip m e n t so nt h ec o m p u t e r3 c r e e n ，s ot h eo p e r a t o rc a n s u p e r v is ea n dc o n t r o it h ef l o wint h ec o n tr o ic e n t e rr o o m t h es u p e r v is e c o m p u t e rc o m m u nic a t e swit hp l cb yd h + n e t w o r k t h es y s t e mis v e r yc o m p ie x ith a sm a n yd e t e c tin gin s t r u m e n t sa n d a c t u a t i n gd e v i c ea n di t sc o n t r o li o g i c sa r ec o m p li c a t e dt h e r e f o r e ，t h e s y s t e 们isd iv id e di n t ot h r e es u b s y s t e m sa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r is t i c s a n dii n k a g er e fa t i o no fc o n t r o if e do b j e c t s t h e ya r es e a w a t e rd is p o s a l s u b s y s t e m ，o | yw a t e rds p o s al s u b s y s t e ma n dw a t e rfio o dn gs u b s y s t e m ， w it he a c hs u b s y s t e m ，s t rc tc o n tr olt h o u g h ta n dd e t aile dc o n t r ois c h e m e sr a is e d i nt h et h e s i s ， p l cm o n ；t o r in gp r o g r a ma n ds u p e r v is ec o n t r o ih m i pr o g r a misw r i t t e nw i t hr o c k w e i is o f t w a r e ：r s l i n xp r o f e 8 宕i o n a ir s l o g i 5 0 0 a n dr s ve w 3 2 t h epr o g r a m se 丌1 b o d yt h ec o n t r oi t h o u g h t sa n dc o n tr os c h e m e s a n dr e a iz et h es u p e r v is ea n dc o n t r o ff u n c t i o nt ot h ew h o l ef i o wo f a d m ix in gw a t e rf i o o d i 门g f no r d e rt oa v o i dt h ei n c o n v e n i e n c eo fd e b u g g i n gp r o g r a m so ns p o t ， as i m u i a t i o na n dt e s ts y 8 t e misb u ii tint h ela b o r a t o r y t h es i m u ia t i o n a n dt e s ts y s t e mw o r k sa s ac o m pj e t ev ir t u a la d m i i n gw a t e rfj o o d i n gf i o w o no i p la t f o r mw h e ni t sr u n n in g ，i tisa b l et os e n do u ts i g n a isa s t h er e a la d m ix in gw a t e rf i o o d in gf l o ws e n d s ，a n di tsa b l et or e s p o n d s c o rr e c t l ya st h er e a if i o wr e s p o n d snc a s eo fr e c e i v in gc o m m a n d sf r o m p l c r e c u r r i n gt ot h es i m u l a t i o na n dt e s ts y s t e m ， t h ep l cm o n i t o r i n g p r o g r a ma n ds u p e r v is ec o n tr o ih m j p r o g r a mc a nb ee x a c t lyd e b u g g e d ，w h j c h c o m p i e t e l yr e s o i v e st h ed i f f i c u i t i e so f o ns p o t d e b u gd i f f i c u l t i e s a n ds a v e sai o to ft i m ea n dm a n p o w e r 1 nt h ee n d ，t h et h e s iss u m m a r i e st h ee n t ir ed e s i g nw o r ka n df o r e c a s t t h ef u t u r ea p p ii c a t i o nf o rt h er e a l t i m es u p e r v is o r yc o n tr o fa d m ix in g w a t e rf i o o d i n gs y s t e m k e y - o r d s ：a d m i x i n gw a t e ri n j e c t i o n r e a l t l m e8 u p e r v i s o r yc o n t r o is i m u i a t i o na n dt e s ts y s t 鲫 海洋石油平台混配注水实时监控系统设计 1引言 1 1 工业自动化过程控制发展现状 自上个世纪7 0 年代以来，自动化技术获得了惊人的成就，已在工业生产和 科学发展中起着关键的作用。当前，自动化装置已成为大型设备不可分割的重要 组成部分。可以说，如果不配置合适的自动控制系统，大型生产过程是根本无法 运行的。实际上，生产过程自动化的程度已成为衡量工业企业现代化水平的一个 重要标志。 工业自动化涉及的范围极广，过程控制是其中最重要的一个分支。它主要针 对所谓六大参数，即温度、压力、流量、液位( 或物位) 、成分和物性等参数的 控制问题。它能覆盖许多工业部门，诸如石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织 等等，因而，过程控制在国民经济中占有极其重要的地位。 工业生产对过程控制的要求是多方面的，其中最基本的三项要求为：安全性、 经济性、和稳定性。目前，国内先进的大、中型过程控制系统基本上以采用p l c 和d c s 为主，下面简要分析了一下p l c 、d c s 及f c s 在生产过程控制中的不同 应用特点。各种控制系统的特点：n 1 ( 1 ) p l c 系统主要特点是：工作可靠，运行速度快；积木式结构，组合灵活； 良好的兼容性；程序编制及生成简单、丰富；网络功能强。p l c 系统能很好地完 成工业实时顺序控制、条件控制、计数控制、步进控制等功能；能够完成模数 ( d ) 、数模( d a ) 转换、数据处理、通讯联网、实时监控等功能。 ( 2 ) d c s 具有以下主要特点：功能全；采用网络通信技术；完备的开放系 统：可靠性高；具有综合性和专业性；实现了人机对话技术；系统扩展灵活； 管理能力强。 ( 3 ) f c s 主要有以下特点：系统结构的高度分散性；可互操作性强；数据的 有效性和完整性：可控制性强：安全性高；扩展灵活。 现场总线f c s 系统在我国仍处于发展阶段，标准未统一，现有总线标准的智 能设备价格明显偏高，普遍应用现场总线的条件还不成熟。对于石油行业，目前 现场总线f c s 控制系统应用相对较少。 1 2 混配注水的必要性和可行性 石油是工业的血液，随着我国经济持续发展和人民生活水平的提高，对石油 的需求量更是曰益增加。在原油开采过程中，初次采油一般依靠地底压力、止原油 自喷而出：此后由于地下压力减小，不得不往地下注水将油驱出，称为二次采油。 经过上述两次采油，我国平均原油采收率约提高到3 0 多一些。1 海洋石油平台混配注水实时监控系统设计 埕岛油田是近年来在我国浅海地区发现的最大海上油田，埕岛中心二号平台 是迄今为止我国自行设计的最大海洋石油平台。埕岛油田馆上段上报i i i 类探明 含油面积7 4 o k m 2 ，石油地质储量2 1 9 3 8 1 0 4 t ，占胜利油田上报探明储量的 9 2 4 ，其中主体北部上报i i i 类探明含油面积2 1 7 k m 2 ，石油地质储量8 3 7 4 1 0 4 t ， 占油田馆上段探明储量的3 8 2 。但馆上段油藏地饱压差小，加之储层砂体分布 零散、连续性差，不存在大面积连通的活跃的边底水，天然能量明显不足，因此 油田开发必须立足于注水补充能量。 埕岛油田开发初期由于没有足够的油污水作为注水水源，只能采取注海水的 方式。但由于埕岛油田地处黄河入海口附近，海水中淡水比例大，水质复杂，与 采出污水相比，对地层的伤害大，对系统的腐蚀性强，经济效益差，尤其重要的 是长期注入冷海水会对埕岛油田的采收率产生直接的负面影响。因此，选择适当 的注入时机及时注入污水，以替代海水，是很有意义的。” 埕岛油田开发现已近中期，采出液含水率已达到4 0 并将逐年上升。由于 来液分离出的油污水与地层配伍性好，水处理费用低，因此选用污水作为注入水 的时机已到。但由于目前污水量尚不足以满足整个油田的注水需求，且海水和油 污水两种水质受海上油田注水配套管线的限制不能分注，因而在注水采油生产期 内还需采用以注污水为主，注海水为补充的混注形式。 前期埕岛油田开发中期油藏注入水及注水方式的评价研究结果已经证明 海水和油污水混注可行，其驱油效果好于单注海水，注水费用低于单注海水。混 配注水项目的实旌将大大改善埕岛油田的驱油效果，提高采收率，从而提高整体 开发效果和水平。“l 1 3 基于p l c 控制的混配注水技术 随着微电子技术尤其是个人计算机技术的飞速发展，p l c 性能有了极大的改 进，大大提高了数据处理功能和通讯与监控功能，在向微型化、网络化、p c 化 和开放性方向发展。p l c 已经从开始时的单纯逻辑控制转向成为具有逻辑控制功 能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的的多功能控 制器。 p l c 把三电( 电控、电仪、电传) 集于一体，在装置一级实现了三电。体化。 它的高度可靠性、组态灵活性及便于维护性使其与工业p c 、d c s 系统相比较，也 具有很强的竞争力。在工业过程控制中尤其是一些对干扰和控制要求极高的现场 系统中得到了广泛的应用。 海洋石油平台混配注水实时监控系统是要通过对注水工艺流程的实时监控， 来确保注水水质达到规定指标，系统能够安全、平稳运行。按照混配注水过程控 海洋石油平台混配注水实时监控系统设计 制系统的控制规模及复杂程度，按投资规模和项强经济效益合理选择，考虑系统 连续性、兼容性及通讯性能等，我们选择p l c 系统对混配注水进行过程控制。 这不仅能傈涯混配注水过程控制的安全性、可靠瞧，大大提高控制混配注水l ：艺 流程的自动化水平，而且对降低工程造价有着十分重要的意义。 1 4 论文主要研究内容 ( 1 ) 确定海水和油污水的混配注水策略 在对埕岛中心二号海洋石油平台生产过程的总体分析以及埕岛油田开发中 期油藏注入水及注水方式的评价研究的基础上提出了污水优先、海水补充的混 配注水策略。 ( 2 ) 确定混配注水系统中各子系统的控制方案 混配注水系统中，根据各子系统及其设备在石油生产工艺流程中所处的地位 以及自身特点的不同，分别设计了相应的控制方案，以确保注水水质，保障系统 安全、平稳运行。 ( 3 ) 构建三层网络结构的混配注水实时监控系统 以现场的各种监控仪表、传感器、被控设备等为基础构建三层网络结构的底 层( 设备层) ；以p l c 可编程逻辑控制器为基础构建三层网络结构的中间层( 控 制层) ；以运行有监控软件的管理计算机为基础构建三层网络结构的顶层( 管理 层) 。 ( 4 ) 软件设计 编制p l c 梯形图逻辑控制程序，对设备层各种参量( 温度、压力、流量、 液位等) 实时监控，对采集到的数据进行快速传递和数据共享，实现对流程的控 制。编制上位机监控软件使管理层计算机通过d h + 网络对控制层进行管理，实 现系统参数的检测、显示、记录、调节、控制、报警等功能。 ( 5 ) 系统的模拟调试 困系统中海永处理、注水罐、注水泵组等部分关联设备已在生产运行中。为 保障生产的顺利进行，减少因系统安装调试而停机、停产带来的经济损失，应尽 可能减少不必要和菲爨须的现场调试。为此在实验室中掏建一个能对海洋石油平 台混配注水工艺流程信号进行模拟，对控制算法进行测试的模拟测试系统( 以下 简称“仿真系统”) 。该仿真系统可以在实验室实现仅器仪表接口信号的模拟， 被控对象特性的模拟，以及工艺流程的模拟，避免了现场在线调试对正常生产带 来的影响，为实际现场注水工艺流程运行的稳定、可靠提供了有效保障。 1 5 论文的主要价值 根据埕岛油田生产现状，首次提出了海水和油污水的混配注水策略并采用 海洋石油平台混配注水实时监控系统设计 p l c 系统对混配注水进行过程控制，构建三层网络结构予咀实现。对于确保注水 水质达标，保障注水平稳、平衡的运行，保持油层能量，提高采油率，减少原油 外输海管工作压力，减轻陆地油水分离工作负担，降低油污水对陆地环境的污染 具有十分重要的意义。本课题的实施将创造十分显著经济效益和社会效益。 本章小结 本章叙述了我国工业自动化过程控制的发展现状，介绍了混配注水的必要性 和可行性，选择p 1 c 控制系统来对混配注水进行过程控制，构建三层网络结构的 海洋石油平台混配注水实时监控系统，最后介绍了论文的主要工作及价值。 海洋石油平台混配注水宴时龉往系统设训 p l c 系统对混配注水进行过程控制，构建三层网络结构予咀实现。对于确保注水 水质达标，保障注水平稳、平衡的运行，保持油层能量，提高采油率，减少原油 外输海管工作压力，减轻陆地油水分离工作负担，降低油污水对陆地环境的污染 具有十分重要的意义。本课题的实施将创造十分显著经济效益和社会效益。 本章小结 本章叙述了我国工业自动化过程控制的发展现状，介绍了混配注水的必要性 和可行性，选择p i ，c 控制系统来对混配注水进行过程控制，构建三层网络结构的 海洋石油平台混配注水实时监控系统，最后介绍了论文的主要工作及价值。 海洋石油平俞掘配注水实时监控系统，最后介绍了论文的主要工作及价值。 海洋石油平台混配注水实时监控系统设计 2 海洋石油平台混配注水实时监控系统控制方案 埕岛中心二号平台是迄今为止我国自行设计的浅海区域最大的海洋石油平 台，是集水处理与注水、油气处理与外输、变配电供给、热媒换热、通讯、海上 监控、生活保障于一体的大型综合性海上中心平台，它的混配注水系统要担负着 几乎整个埕岛油田的注水任务。图2 1 为埕岛中心二号平台总貌图。 2 1 海洋石油平台混配注水工艺流程简介 埕岛中心二号平台混配注水工艺流程( 示意图如图2 2 所示) 在功能上大致 可划分为海水处理、污水处理以及注水三大部分。海水处理的主要功能就是滤除 海水中的悬浮颗粒和微生物，对海水进行脱氧处理，使处理后的海水水质达到注 水质量要求。污水处理的主要功能是分离油污水中的原油，滤除机械杂质，使处 理后的油污水达到注水质量要求。注水的主要功能是保持注水干线压力，提高采 * m ( 亟叵) _ ( 逦 一h 亟塑乎+ 塑二h 至亟习 = 墨五i 五面h 誊 m ( 查，( 堕) - 匝h j 照h 醉塑h 攀 座窿 图2 2 海洋石油平台混配注水工艺流程示意图 海洋石油平台混配注水实时监控系统设计 海水处理的主要设备包括海水提升泵、粗滤器、压力斜管沉降罐、海水细滤 器、超重力脱氧机、一级气水分离器、二级气水分离器、注水罐等。污水处理的 主要设备包括三相分离器、污水接收罐、污水提升泵、水力旋流器、核桃壳过滤 器、反冲洗水罐等。注水的主要设备包括注水罐、注水泵组等。注水泵组出7 台 大型注水泵组成。 海水处理流程属原有注海水系统，在此从略。 在污水处理流程投产时，首先打开各生产装置上所有就地指示压力表的关断 阀及各生产装置的放气阀，关断所有排污泵，关断所有调节阀的旁通阀，然后采 取以下步骤操作：”1 ( 1 ) 开注水罐进水阀门 ( 2 ) 开核桃壳过滤器出水阀门 开核桃壳过滤器进水阀门 ( 3 ) 开水力旋流器出水阀门 开水力旋流器进水阀门 开水力旋流器出油阀门 ( 4 ) 开污水提升泵进水阀门 ( 5 ) 开污水接收罐出水阀门 开污水接收罐进水阀门 上述操作完成后，开启三相分离器出水阀门，使污水进入污水接收罐，罐内 液位不断提高，当液位达到3 7 m 时，开启所选择的污水提升泵，当泵达到正常 转速，出水管上压力表显示适当的压力后，逐渐打开所选择泵的出水阀，泵出水 进入水力旋流器进行油、水分离，此时水力旋流器出水含油5m g l ，再进入过 滤器进行过滤，出水达标后进入注水罐，在系统运行稳定后，打开水力旋流器回 流调节阀前后控制阀门，启动自动控制系统的电源、气源。 经污水处理流程处理后滤后污水与经海水处理流程脱氧后的净化海水按一 定量的关系进入注水罐，形成混合水，然后经注水泵组注入各采油井组。 2 1 1 工艺流程主要设备 海水处理流程 1 海水提升泵3 台 2 粗滤器 3 台 3 压力斜管降罐2 台 4 细滤罐5 个 1 2 0 k w 台，2 0 0 m 3 h 台 2 5 0m 。h 台 2 3 0m 。h 台 海洋石油平台混配注水实时监控系统设计 5 药罐5 个 6 。超重力脱氧机2 台 污水处理流程 1 三相分离器2 台 2 污水接收罐1 个 3 污水提升泵4 台 4 。水力旋流器4 台 5 核桃壳过滤器4 台 6 反冲洗水罐 注水流程 1 注水罐 2 注水泵 1 座 1 座 7 台 2 5 0m 3 h 台，出水含氧量0 0 5 啦g l 1 1 0m 3 ，直径6 6 m ，高度d 5 m 4 5 k w 台，1 0 8 1 8 0m 3 h 台 8 2 。7 1 4 3m 3 h 台净化水含油5 0j 】g 儿 1 1 5m 3 h 台，出水含油l om g l 悬浮物含量5m g l 颗粒粒径4 ，” 3 5 f f l 3 ，直径3 6 m ，高度4 5 m l o o o 吸。 8 0 0 k w 台，1 2 0 疗h 台，额定扬程1 4 6 0 m 2 1 2 流程中被控对象特性 在污水处理工艺流程中，水力旋流器作为主要设备之一其工作原理是离心沉 降。当含油污水在污水提升泵泵压的作用下，从旋流切口沿切线方向进入旋流管 形成旋流，进入缩径旋流段后逐渐加速，旋流产生的离心力也逐渐加大。由于油、 水的密度不同，其离心力不同，密度小的液相( 油) 向旋流器的中心移动，形成 油芯。由于溢流压力低于出水口压力，因此，中心油芯与密度大的液相呈反向流， 并从排油口排出。面密度大的液相从排水口排出。为保证水力旋流器取得较佳的 除油效果，其进、出口工作压差应在o 1 0 3 m p a 的范围内，并且进水压力达到 水力旋流器要求的最低压力( o 6 8 m p a ) 。 核桃壳过滤器以核桃壳为过滤介质( 将核桃壳于燥、炭化和高温水蒸气活化 后精制加工生成高吸附性能活性炭作为滤料，具有表面积大、吸附性能强、机械 强度高等特点) 的过滤设备，经水力旋流器分离后的污水进入核桃壳过滤器后流 经滤层，滤层吸附并截留油污和机械杂质后，通过出水口排出符合标准的滤后水。 核桃壳过滤器要求入口流量比较平稳，以防止滤料的冲击流失，保证过滤器出水 水质达标。 污水接收罐罐高4 5 米，直径6 6 m ，有效容积1 1 0 m 3 ，其作用是对三相分离 海洋石油平台混配注水实时监控系统设计 器分离出的油污水进行缓冲。在生产过程中，三相分离器水出口流量是实时变化 的，具有较大的波动性。为保证水力旋流器进、出口工作压差在规定的范围内， 保障核桃壳过滤器入口流量的平稳性，要求污水提升泵的出口汇管流量能较为平 稳的变化，需充分发挥污水接收罐的缓冲作用，允许污水接收罐的液位在2 4 m 的范围内波动，缓解三相分离器出水口流量的波动对后续设备的冲击。 2 1 。3 系统的划分 按照流程中各设备的联动性和相关性，将系统划分成三个子系统：海水处理 子系统、污水处理子系统、注水予系统。各子系统之间的关系示意图如图2 3 所 不。 污水处理子系统 检测执行 污水处理工艺设备 海水处理子系统 枪测执行 海水处理r 艺设备 混配鞫二水策略 注水于系统 检测执行 沣水泵群 往水井群 图2 3 子系统关系示意图 污水处理子系统和海水处理子系统分别完成油污水和海水的净化功能，满足 按需定量平衡注水对水处理量的基本要求，并使系统运行综合指标最好。 混配注水策略就是根据地层能量的变化趋势、来液量等参数来确定注采比、 总注水量以及污水和海水在总注水量中所占的比重等。 注水子系统由于线注水泵群组成。为实现按需定量平衡注水，干线注水泵群 应能够实时平稳调整干线压力，实时监测注水总量，保证注采比的实现。 2 2 海洋石油平台混配注水控制思路 2 2 1 混配注水策略 从来液量、注水量及水处理量三者之间的以及水处理量中海水和油污水的分 配关系等讲述混配注水策略。 ( 1 ) 来液量与注水量的关系 来液量是指在石油生产中的一段时间内从地下油藏中采出的含水原油量，注 水量是指这段时间内为恢复地层能量，提高产量，而需要向地下注入的水量。注 海洋石油平台混配注水实时监控系统设计 水量的大小与来液量、井口压力以及油层地质结构等其它影响因素有关。因此， 这种关系应该根据地层结构特征、来液趋势、采油原理和专家经验等因素确定， 如果我们将这种关系写成函数，可以用下面的式子来粗略的描述： q = 厂( 呸，e ，g ，) 其中： q ，来液总量，由生产任务或生产能力决定 q 注水总量，由不同时期注采比决定 只井口压力，由油层地质结构和生产状况决定 吼油井吸水量，由油层地质结构决定 可见，q 是蜴等的某种函数关系，其中比值q z 绞称作注采比。考虑到埕 岛油田地层压降大的现实情况，为控制水线平稳推进，达到最好的驱油效果，避 免水线突进、锥进，通常注采比取如下值： 试注期注采比 。o 8 恢复期注采比 1 1 1 2 正常压力后注采比。1 o 目前，埕岛油田处于注水试注期，也就是说每从地下采出1 0 0 0 m 3 原油量，需 向地f 注水约8 0 0 m 3 的水量。 ( 2 ) 注水量与水处理量的关系 注水量定要与水处理量平衡。因为对水处理及注水系统来说是一封闭系 统，系统进水必须等于出水，否则为事故，即平衡注水。这要求主要环节提升泵 群加变频器，实现流量微调，保证定量配水的需要。 ( 3 ) 水处理中污水量与海水量关系 实验分析表明，污水与地层有着天然良好的配伍性，并且经济指标优于注海 水，另外全部回注还可减少对环境的污染。因此，水处理系统原则如下： 1 ) 污水优先原则。无论污水量多或少，必须优先处理，全部回注入地层。 2 ) 海水为补水原则。无论需要量为多大，均处于补充地位，要由总注水量 和污水量决定。设污水量为岛，海水量为鳓，则鳊= q z 一鳓。 海洋石油平台混配注水实时监控系统设计 2 2 2 控制思路 2 2 2 1 总体控制思路 根据混配注水策略，确定混配注水总体控制思路如下： 1 ) 统计来液总量，q ，= q ，f _ l ，2 ，一聊，总计m 口采油井 2 ) 确定注采比和总注水量，q z = 厂( g ，) 3 ) 分配各井口注水量，q = q ，f - 1 ，2 ，m ，总计n 口注水井 4 ) 监测污水量，鲸= 尼q j ，后为含水率 5 ) 确定海水补注量，翰= q z 一鳓 6 ) 分配污水、海水及注水子系统的水处理量，监视协调子系统之间的运行 厂j 五； 瓯，：l 2 。共，棚油井 一。1 。一 i i _ 一_ i 鬲磊k 厂i 蠢； 包：敬 陆地存储 污水流垫 i 乱= ol 确定门庳量1 岛。，蛆- 海水嚣蕃水量i 。= q 一 ； 鸣甚i 登粱警 。一i r 一- ，z m ，“注水井 i ! ! ：竺! ! 一 图2 4 混配注水总体控制思路 2 2 22 污水处理控制思路 ( 1 ) 控制思路 污水量由来液量、来液含水率以及油水分离效果等决定。污水处理予系统必 需有足够能力可靠的处理产出污水，使之输往注水罐，防止外溢造成污染。因此， 污水处理子系统应能够自动适配处理污水量。 考虑到来液中含水( 污水) 量随生产过程的进行而变化，目前来液中含水率 海洋石油平台混配注水实时监控系统设计 已达到4 0 ，并上升趋势较快，以及污水处理予系统连续运行条件下存在最低经 济处理流量g 。等因素，污水处理子系统应能够根据污水量与最小连续运行经 济处理流量之间的大小变化关系，并依靠污水罐的缓冲作用进行自动调整，达到 连续平稳运行。 1 ) 目前污水产出水平已达2 1 0 0 卅3 d ，单台污水提升泵己可满负荷运行。 2 ) 污水产量大于污水处理最低经济流量鳓。时，启动变频器保证连续一【作 方式。 3 ) 确定3 台污水提升泵和一台变频提升泵的分割点及控制策略。 4 ) 任何工况下污水罐控制液位，毛必须满足条件 k 绋。时，即f ， 乞，系统工作在连续运行方式。污水产水量大于系 统连续运行最低经济处理流量( 嘞= q 七 锄) ，污水处理子系统可以在大 于缘的处理能力上连续运行。理论上，使污水处理量鲰2 q 女( 大于 k 。) ，可达到平衡处理。因此，在满足连续处理条件时，应通过污水提升泵电 机变频器精细调节污水提升量为鲸，且保持污水罐水位，一3 m ，否则减小 岛。，使水位回升到3 珊。 另外还需保证污水罐控制液位，条件：日。 w h ；m 2 ) 旦0 岛。间歇运行方式 当鲸q 。时，即啊，系统工作在间歇运行方式。污水产水量小于系 统连续运行最低经济处理流量( 吼= 9 女q 0 一) 污水处理子系统不能在大 海洋石油平台混配注水实时监控系统设计 于绋m m 的处理能力上连续运行。理论上，使污水处理量g = 鳊，即将污水 处理子系统最低经济处理流量作为污水处理子系统流量设定值，控制污水提升泵 的污水提升量。 若污水接收罐的液位q ，低于液位下限。，则停止污水处理，停止污水提 升泵的运行，等待污水接收罐液位的升高。当污水接收罐的液位升高到上限时， 则立即启动污水处理，开启污水提升泵。因为此时污水产水量小于系统连续工作 最低经济处理流量( q l 女 吼m m ) ，污水罐液位必将逐渐下降，当再次低于下 限时，又一次停止污水处理，停止污水提升泵的运行。 污水处理子系统控制流程图如图2 5 所示： 图2 5 污水处理子系统控制流程 注：虢，污水产量 q f 1 。污水处理子系统最低经济处理流量 旦k 污水处理子系统流量设定值，控制污水提升泵污水提升量 。污水罐液位，控制液位h ，一3 m 海洋石油平台混配注水实时监控系统设计 h 。污水罐最低控制水位( 2 ) ，为设备工艺要求 q 。污水罐最高控制水位( 4 聊) ，为设备工艺要求 “，污水罐储水量，= f ，瓯m m 或= ，。q ，a ( 办污水处理子系统连续工作最小经济处理流量。由实际污水处理 子系统确定该值。 岛以岛处理能力来处理体积污水所需时间 如以q ，七为污水流量，注满污水罐所需时间 幺含水原油产量 女含水原油的含水率 2 2 2 3 海水处理控制思路 ( 1 ) 控制思路 考虑到随着采油过程的进行，含水原油中含油量趋于减少，污水量增加。或 者说，采油前期含水量少，即能够补注的污水少。所以，前期以注海水为主，而 采油后期含水量高，补注海水量则相应减少。因此，在采油后期海水处理予系统 同样存在一个经济运行的问题。其控制思路与污水处理子系统基本相同。 1 ) 当海水补水量鳊小于海水处理子系统连续运行条件下最低经济处理流量 垂_ 。时，系统以翰m 卅为处理量，采用问歇工作方式。 2 ) 当海水补水量q 0 大于海水处理子系统连续运行条件下最低经济处理流量 翰。时，系统以翰为处理量，采用连续工作方式。 3 ) 注水罐作为海水补水的缓冲罐，其水位上限之一为海水缓冲控制限。该 水位限之上应给污水缓冲留有足够空间，以防污水上溢流出造成污染。 ( 2 ) 控制流程 1 ) 海水补水景的确定 海水补水量：g _ = 厂( q ，) ，由混配注水策略确定： q ，= q 一绋 海洋石油平台混配注水实时监控系统设计 2 ) 连续运行方式 q ，9 。时，海水处理子系统为连续运行方式。此时，通过混配注水策略 得出需补注的海水量大于系统连续运行的最低经济处理流量，海水处理子系统可 以在大于( _ 。的处理能力上连续运行。将鳊作为海水处理子系统水处理量设定 值( q ，。= q ，) ，通过变频器调节海水提升泵的提升量使提升量等于设定值，保 证海水处理子系统平稳的运行。 在运行中要实时监视注水罐的液位，确保液位低于注水罐海水缓冲控制上 限，给污水缓冲留出足够的空间，以防止因污水量的波动而造成污水上溢导致环 境污染。连续运行时，注水罐控制水位变化反馈回海水处理子系统，影响如以 保证注水罐控制水位稳定。通过海水泵电机变频器支持实现。 若注水罐液位已经高于注水罐海水缓冲控制上限，则立即关闭海水提升泵、 停止海水处理子系统的运行。 3 ) 间歇运行方式 翰cq 。时，海水处理子系统为间歇工作方式。此时，通过混配注水策略 得出需补注的海水量小于系统连续运行的最低经济处理流量，海水处理子系统只 能以鲔m m 作为海水处理予系统水处理量设定值( q k = 鳊。) 来控制污水提升 泵的运行。 当h ：h 。时，即注水罐液位高于注水罐海水缓冲控制上限时，关闭海水 提升泵，停止海水处理子系统的运行。此时经济指标好。 当日：s 日。时，即注水罐液位低于注水罐海水缓冲控制下限时，海水提升 泵必须启动，海水处理子系统开始运行。 海水处理子系统控制流程图如图2 6 所示： 塞进互塑! 鱼塑墼兰查塞堕些丝墨堕塑盐 注：q 七 函 绞 蜴 蜴。 q h s h z h 口i h z i 。 图2 6 海水处理子系统控制流程 含水原油总量 含水原油含水率 污水产量 总注水量 需补海水水量 最低经济处理流量( 受处理系统耗电等经济指标影响) 海水处理子系统水处理量设定值，控制海水提升泵 注水罐水位 注水罐海水缓冲控制上限，即海水控制最赢水位 注水罐海水缓冲控制下限 海洋石油平台混配注水实时髓控系统设计 2 2 2 4 注水控制思路 注水系统由注水泵群和注水井群两部分组成。注水泵群由7 台8 0 0 鼢r 电机 控制，提供注水干线管道所需压力和流量。注水井群实现分布式、分层定量注水 功能。 ( 1 ) 控制思路 1 ) 注水泵群可根据注水量要求，能够按照水泵启停操作规程自动调节水泵 的投入和切除数目。 2 ) 为保证平衡注水，应将泵增加变频调控能力，以满足平衡注水对精细调 节供水量的要求，节约能耗，提高经济效益。 3 ) 注水井群接收井口的注水分配量，实现定量注水。q = 厂( 骁，) q z = q 。 f = 1 ，2 ，n ( 2 ) 控制流程 1 ) 注水泵投入切除控制 ”= q ( b 图2 7 注水泵投入切除控制流程图 注：如单台注水泵注水能力 q z 注水总量 ”投入注水泵台数园整取大值 海洋石油平台混配注水实时监控系统设计 2 ) 注水干线压力控制 图2 8 注水干线压力控制流程图 注：只干线压力 最。允许干线最低压力 最允许干线最高压力 通过变频调速控制干线压力恒定。 3 ) 水井口注水控青0 图2 9 水井口注水控制流程图 注：弧第j 口注水井注水流量设定值 q l z ，第j 口注水井分配注水流量 海洋石油平台混配注水实时监控系统设计 2 3 海洋石油平台混配注水控制方案 根据2 1 3 节系统的划分办法，将海洋石油平台混配注水控制方案亦划分成 污水处理子系统控制方案、海水处理子系统控制方案、注水子系统控制方案。 2 ，3 1 污水处理子系统控制方案 污水处理子系统控制由4 部分组成：污水罐液位控制、污水提升泵群控制、 水力漩流器群控制和核桃壳过滤器控制等。 ( 1 ) 污水罐液位及污水提升泵群控制 1 ) 控制原理 在保证污水罐液位( 凰，“3 用) 大体上恒定的前提下，根据所需处理的污水 量自动调节污水变频提升泵的提升量、投入和切除，以及工作制式，使进污水量 ( g ) 等于处理量。 根据流程要求和对象的特点，控制系统结构如图2 1 0 所示，为串级调节系 统结构，附加泵群分配控制和变频调速功能。”7 图2 1 0 污水接收罐液位及污水提升泵群控制 注：l z 液位变送器 三c 液位控制器 刀流量变送器 f c 流量控制器 q ，污水产量 鳖互迪兰鱼望墼鎏查塞堕些堡墨堕望茎 q 。污水处理子系统流量设定值 吼m m 污水处理子系统连续工作最小经济处理流量。 9 ，污水污水提升泵提升流量。 日，污水罐液位，控制液位皿，一3 m 日。污水罐最低控制水位( 2 m ) ，为设备工艺要求 日。污水罐最高控制水位( 4 删) ，为设备工艺要求 2 ) 控制要求及参量如下 控制水位：取= 3 m 。高水位。= 4 ，低水位= 2 m 污水来水等于排出污水，即鲸= “， m 堋时，系统要保证h ，= 3 m 情况下，连