基于无线传感器网络及GPRS的水质监测系统设计

李军 李刚 李斌 徐海亮 赵永杰

（胜利油田有限公司河口采油厂 山东省东营市 257200）

油田注水开采是采油生产的一种重要方式，是油田开发稳产的基础，确保注水水质达到规定要求是保证油田注水顺利实施的前提。研究注入水的水质指标是否适合所开发的油藏地质特点关系到油气正常生产，是降低运行成本，提高经济效益的重要内容之一。

1 注水水质对油田注水的影响

目前国内油田开发大多处于二次采油开发阶段，地层的能量主要依靠注水进行补充，注水质量直接原油产量。油田注入水指标是否达标是影响注水质量重要因素，注入水指标主要包括含油量、悬浮物、垢离子、有机物、微生物、溶解气体等因素，其中悬浮物浓度对油田注水影响最大，尤其是对低渗透油田。油田注水水质对于有严格的指标控制，注入层渗透率不同要求的悬浮物浓度也相应不同，注入层渗透率越低对水质的要求越高，对于渗透率0.01μm2～0.05μm2的，要求悬浮物浓度低于2mg/L，对于渗透率低于0.01μm2的注入层，要求悬浮物浓度低于1mg/L。

悬浮固体通常是指在水中不溶解而又存在于水中不能通过过滤器的物质。其对油田注水的影响主要在以下几个方面：油田注水中悬浮物主要包括有机物、粘土、化学沉淀或微生物等物质，易在井筒表面形成滤饼，使井筒变窄。悬浮物浓度过高时会堵塞井下渗流孔道，影响注水井井底的吸水能力。固体颗粒进入油层造成孔喉堵塞，造成油层伤害。固体悬浮物沉积在射孔孔眼内，堵塞注水或出油通道。在重力作用下沉积在井底，产层厚度减小。

低渗透油田区块在采油厂占有较大的比例，因此急需提高注水水质，对悬浮物颗粒进行过滤，降低固体悬浮物的浓度及粒径保障注水质量，进行注水水质监测是保障注水质量的有效手段。

2 现阶段油田注水水质检测现状

水质处理主要经过重力沉降，粗滤（石英砂），精细滤（金属膜），缓冲后进行外输。通过滤器不同级配，满足不同水质要求。以天然气密闭，综合投加化学药剂为主的水质稳定工艺。目前采油厂水质检测采用人工检测方法，其中悬浮物浓度检测主要采用常规水质检测仪器称重法。该检测方法取样周期长，监测不及时，人工化验有误差，悬浮物浓度人工化验一个水样耗时2 小时，工作量大、耗时长。

通过对油田现场多个站点采集的水样进行分析，部分站点存在悬浮物固体达标稳定性较差（图1），究其原因主要是水质检测采用人工取样检测，时效性、稳定性较差，不能及时指导改变工艺参数，导致水质指标稳定性较差，因此需要实时跟踪检测固体悬浮物浓度，研究并应用水质在线监测技术，提高水质检测的连续性与准确性。

图1：油田现场部分站点悬浮物浓度指标情况

图2：水质在线监测采集工作原理图

图3：仪表检测数据与人工化验数据对比

3 水质在线监测技术原理

水质在线监测采用光散射及光障碍原理，传感器上发射器发送的红外光在传输过程中经过被测物的吸收、反射和散射后仅有一小部分光线能照射到检测器上，透射光的透射率与被测污水的浓度有一定的关系，因此通过测量透射光的透射率就可以计算出污水的浓度。传感器发送光波被悬浮物颗粒吸收、反射和散射，部分投射光线能照射到180°方向的检测器上，部分散射光散射到90°方向的检测器上。在180°和90°方向检测器上接收到的光线强度与被测污水的浊度有一定的关系，通过测量投射光和散射光的强度可以计算出悬浮物浓度。

传感器通过连接管连续获取管道或储罐内注入水样品，采用光散射及光障碍原理将注入水中悬浮物浓度以光强度信号体现，并将光强度信号转换为电信号信息传送给变送器。传感器采用取样方式测量管道或储罐内注入水悬浮物浓度，不受样品流速和压力的影响，并补偿环境产生的影响，可以实现连续测量，精度符合计量要求，易于搭建在线测试平台。

为适应油田注水现场需求，开发了多种类型的水质在线监测系统安装方式。传感器通过不同的设计可以应用在不同的现场中测试悬浮物浓度，流通式悬浮物浓度计适合应用在流通管汇上，将传感器安装在取样闸门后端，通过控制闸门开度控制通过传感器的注入式流速；投入式浓度计适用用于水池、水罐等流体静止的场所；便携式浓度计适用于采集室外多个样点数据。通过多种形式的传感器安装方式，适应了油田现场各类注水场所的需求。变送器与传感器采用分体式安装，变送器安装在控制室或现场的控制柜内，与传感器之间采用信号线连接。变送器处理采集到的电信号，同时显示测量值、输出电流、时间、浊度百分比等多参数，采用两点标定法，可纠正传感器误差，并设置4-20mA 变送输出、继电器高、低报警控制输出、RS485 通信输出等各种变量输出，系统智能控制。

4 基于GPRS的水质在线监测数据采集及传输

采用RS485 通信将变送器信号采集到控制室内的RTU 或PLC内，并在站内上位机显示悬浮物浓度信息，方便现场操作人员实时了解注入水水质情况。最终采用GPRS 无线连接方式，将PLC 内的悬浮物浓度数据上传至控制中心后台服务器。后台服务器存储获取的现场仪表数据，进行组态编程并发布到网络。后台服务器搭建水质在线监测平台，实时监视现场水质变化情况，并设置趋势及预警系统，方便工作人员及时发现水质异常状况，提高油田现场注入水水质。水质在线监测采集工作原理图如图2 所示。

5 水质在线监测系统的运行效果

为验证水质在线监测技术应用效果，在渤南油田注水站点应该技术进行水质监测，传感器采用流通式悬浮物浓度计安装方式，将传感器安装在注水罐出口管线上，并将变送器安装在现场控制柜内，测量的悬浮物浓度信息通过网络信号实现远程传输。经过一年多的现场跟踪应用，该水质在线监测仪表运行稳定，获得了稳定、连续的悬浮物浓度数据。通过仪表与人工取样进行数据对比，最大相对误差17.3%，平均相对误差1.2%，化验数据与在线监测数据误差在允许范围内，达到了实时水质实时在线监测的目的。仪表检测数据与人工化验数据对比如图3 所示。

6 总结

水质在线监测技术与常规水质化验方法相比具有操作简单、测量精度高、适用于现场检测等特点。实现了水质实时监测、实时预警预报。为工作人员提供了准确的、实时的生产依据，有效提高了注水水质，减少了注水对油层的伤害。水质在线监测技术的应用创造了巨大的经济效益及良好的社会效益。