罗家寨、滚子坪气田工程废水回注工艺方案设计原则为：集气站的气田废水闪蒸后用罐车拉运至天然气处理厂内的废水处理装置集中处理后回注，天然气处理厂的生产废水及检修废水通过废水处理装置处置达标后, 泵入废水回注管线回注到回注井地层[1-3]。已选定的两口废水回注井场分别为黄龙3井与F井场, 分别距离天然气处理厂6.5 km和10.2 km。
废水回注井井口的设计压力范围在3.2 MPa到6.9 MPa之间，因此回注泵的最大设计压力为12.5 MPa, 设计的回注流量为50 m3/h。考虑到废水回注井口的压力是变化的，同时废水中可能含有H2S有毒气体，为了保证回注泵的正常工作，确保回注泵的最大回注压力大于回注井口压力，使废水顺利回注，需要对废水回注井口的压力进行实时监测并上传到天然气处理厂控制中心。同时，为了对环境保护及生产提供废水回注数据，以及确保在回注过程中不发生泄漏，并在废水回注过程中意外事故发生时能够得到及时的预警，在废水回注井口设置废水流量计对废水回注地层的量进行实时监测并上传到天然气处理厂控制中心。
每口回注井都有两个(回注井压力、回注井废水注入流量)实时监测数据需要上传到天然气处理厂控制中心。由于F井场的回注井口与采气井场处于同一地理区域，该井场设置了一套过程控制系统，并通过光纤与天然气处理厂的控制中心连接。因此F井场的回注井口数据传输可以通过已经敷设的光纤传输到天然气处理厂的控制中心。
黄龙3井废水回注井距离天然气处理厂有6.5 km，黄龙3井仅有回注井口的压力及废水流量信号需要进行实时数据传输，同时黄龙3井无任何电源、光纤通讯设备可以依托，因此黄龙3井废水回注数据传输设计方案的选择成了技术的难点。
在设计方案选择开始，首先想到的是光纤数据传输方案，从天然气处理厂控制中心敷设光纤到黄龙3井，同时设置仪表间，配置RTU进行数据采集及上传，配置光纤通信设备，敷设220 V供电线路为光纤通信设备及现场压力、流量变送器等进行供电(见图 1)。
光纤传输方案的优点在于数据传输可靠稳定，但其不足之处在于采用光纤传输方案需要完成6.5 km的光纤敷设，同时需要对RTU及光纤转换接收的通信设备进行供电，因此需要同时敷设从天然气处理厂到黄龙3井的6.5 km供电线路。
考虑到黄龙3井到天然气处理厂的地理环境复杂，高差起伏较大，增加了线路施工的难度及成本。由于该方案投资成本较高(见成本分析表 1)，施工难度较大，同时需传输的监测信号少，因此在设计过程中并没有推荐该方案。
数传电台数据传输技术已经广泛地应用于工业控制及数据传输领域。该方案需要配置无线压力及流量变送器共2台、1420无线网关1台、数传电台2台，其中主数传电台放置于天然气处理厂控制中心内，远程数传电台放置于黄龙3井，通过申请的电台频段进行通信。黄龙3井采用太阳能板及蓄电池对黄龙3井数传电台及无线网关进行供电(见图 2)。
数传电台优点在于该传输技术已经广泛应用于工业控制及远程数据传输领域，尤其在油气田工业控制数据传输方面已经有很多成功的项目业绩。
数传电台数据传输的稳定性及可靠性易受当地地形及气候影响，实际起伏的地表面和地面上的各种障碍物都会对数传电台的信号传播造成很大影响，但是这种影响却又难以进行理论上的计算，一般只能通过试验进行论证。为了能确定黄龙3井无线数传电台传输的可靠性及稳定性，根据黄龙3井到天然气处理厂的地形地貌进行了一个模拟测试。
从测试结果图 3可以看到黄龙3井海拔高度约为490 m，天然气处理厂的海拔高度约为385 m，黄龙3井距天然气厂直线距离为6.5 km，但在两点之间距离黄龙3井3.5 km处有一海拔高度为580 m的山脉在中间阻挡(如图 3所示)。数传电台的工业数据传输一般采用低频220 ~240 MHz，数传信号靠波长进行传播，波长为1 m的数传电波无法绕过海拔高度为580 m的绵延山脉。数传电台的电波无法从黄龙3井穿越山脉到达天然气处理厂，需要增加数传电台中继站，在高点处方能实现数传电台数据传输功能。
通过和测试厂家详细的技术讨论，由于黄龙3井与天然气处理厂之间有高山阻挡，必须在高山的顶点建立一个中继站来实现其功能。建立中继站就需要征地，施工也会带来较大难度并增加成本(见成本估算表 2)。虽然该方案的成本比光纤传输方案成本有所降低，但考虑到数传电波信号通过中继站中转后会产生信号衰弱及传输上的延迟。因此, 认为数传电台数据传输方案对于黄龙3井废水信号数据传输不是一个最佳方案。
GPRS(General Packet Radio Service，通用无线分组业务)是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS是一项高速数据处理的技术，方法是以“分组”的形式传送资料到用户手上。数据被分成一定长度的包(分组)，每个包的前面有一个分组头(其中的地址标志指明该分组发往何处)。
GPRS无线数据传输技术已经广泛地应用于智能手机及个人PC之中，技术成熟。在黄龙3井GPRS无线数据传输设计方案中，需要在黄龙3井配置无线压力及流量变送器共2台、1420无线网关1台，配置了固定IP地址GPRS Modem 1台，并在天然气处理厂控制中心内配置带有开放的IP地址及能够转换来自于GPRS数据的软件的PC机，通过Modbus RTU协议将采集的数据传输到控制中心DCS系统。黄龙3井采用太阳能板及蓄电池对GPRS Modem及无线网关进行供电(见图 4)。
GPRS无线数据传输设计方案的实施关键在于要对黄龙3井到天然气处理厂之间的GPRS网络进行测试，判断处于当地的GPRS网络信号是否满足黄龙3井废水回注数据传输的工业要求。
为了解决这一关键技术问题，在黄龙3井现场进行了一次模拟测试(见图 5)。测试的流程为：以黄龙3井井场大门为无线数据发送点，以南坝前河宾馆为无线数据接收点，模拟压力及流量信号通过GPRS网络向前河宾馆无线数据接收主机发送数据流量，本次测试内容包括对GPRS网络数据变化率、可靠性、通讯速率等进行测试。
通过现场测试，在客户端(前河宾馆数据接收主机)的采集频率为1 s的情况下，网络数据采集变化率大约在1.92 ~4.65 Item/s，其平均数据变化率大约在9次/60 s。如图 6所示，黄龙3井的GPRS无线网络数据变化率满足黄龙3井废水回注数据传输的工业要求。
通过现场对温度数据进行测试，在客户端(前河宾馆数据接收主机)的采集频率为1 s的情况下，所采集的83 min的温度变化曲线如图 7所示。从图 7可以看出数据采集是连续的，并且稳定。
通过现场对差压数据进行测试，在客户端(前河宾馆数据接收主机)的采集频率为1 s的情况下，所采集的83 min的差压变化曲线如图 8所示。从图 8可以看出数据采集是连续的，并且稳定。
通过上述一系列的现场无线数据采集速率的测试，从测试的结果图中可以得出以下结论：GPRS无线数据传输方案在测试过程中可靠稳定，满足废水回注井数据传输工业要求。GPRS无线数据传输依托中国移动的GPRS网络进行通信，并按流量收费，因此采用该方案可以节省建设投资与施工费用(见成本估算表 3)，并节省工期。
通过上述3种数据传输方案的可行性分析、测试结果以及成本估算分析结果来看，由于光纤数据传输方案对于仅传输压力及流量的两个信号而言投资成本高，施工难度大，故不推荐。数传电台数据传输方案受到地理条件高山阻挡的限制，电台信号无法穿越，因此该方案并不是最佳方案。依托于中国移动通信公司的GPRS网络服务的数据传输方案通过现场测试表明该无线传输方案的可靠性及传输速率满足废水回注井数据传输的工业要求，因此本文推荐GPRS无线数据传输作为黄龙3井废水回注井数据传输的最佳方案。
由于GPRS无线数据传输设计方案依托于当地移动通讯公司的GPRS网络服务，通过现场测试结果在该方案实施中应参考以下建议：
(1) 通过测试现场数据变化率约为9次/60 s，考虑到废水回注井数据仅用于监测，不用于控制。因此，建议主机数据采集的速率设置应大于16 s，这样既不影响对数据的监测，同时又能保证数据的实时性。
(2) 在天然气处理厂控制中心内用于采集来自废水回注井数据的主机带有开放的IP地址及能够转换来自于GPRS数据软件的PC机，因此建议在主机上设置软件及硬件防火墙及实时杀毒软件，以确保PC主机的安全。
2013, Vol. 42 Issue (2): 196-200
2013, Vol. 42 Issue (2): 196-200