無線傳感器在數(shù)字化油田的應用

北京安控科技股份有限公司 韓衛(wèi)國

井口數(shù)字化建設是油田地面工程數(shù)字化建設最底層、范圍最廣、最關鍵的現(xiàn)場部分，主要完成對現(xiàn)場井口、站點的數(shù)據(jù)采集和控制。包括：抽油機油井、螺桿泵油井、電潛泵油井、注水井等。在數(shù)字化油田井口建設中，使用無線傳感器可以減少建設周期、維護方便，適合于規(guī)模施工，全面建設數(shù)字化油田。下面以中石油青海油田為例，介紹無線傳感器在油田中的應用。

1 背景介紹

中石油青海油田公司是集油氣勘探、開發(fā)、研究、生產(chǎn)、銷售為一體的大型石油公司。作業(yè)區(qū)域在素有“聚寶盆”之稱的柴達木盆地。石油資源量達21.5多億噸，天然氣資源量近25000億立方米，目前油氣勘探程度較低，具有廣闊的發(fā)展前景。

自2000年以來，青海油田在部分區(qū)塊已經(jīng)建立了井網(wǎng)自動化系統(tǒng)，典型系統(tǒng)如尕斯區(qū)塊、躍進區(qū)塊、七個泉區(qū)塊，覆蓋約500多口油井。但是原有系統(tǒng)的覆蓋面小，對于整個油田而言，仍有一半以上的井口、站點尚未實現(xiàn)自動化監(jiān)控；另一方面，隨著電子技術、通信技術的發(fā)展，在已有系統(tǒng)中，早期建成的部分系統(tǒng)采用的產(chǎn)品和技術已經(jīng)逐漸失去了先進性，在使用維護過程中暴露出一些問題。

2011年青海油田的數(shù)字化油田項目，完成對現(xiàn)場的抽油機油井、螺桿泵油井、電潛泵油井、注水井的數(shù)字化建設。最終要在2011年底建立起覆蓋整個油田的、技術先進、質(zhì)量可靠、便于使用維護的基于物聯(lián)網(wǎng)的油田數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)字化油田的建設目標。

在實時監(jiān)控方面，實現(xiàn)對油井的遠程示功圖、電流圖、功率圖采集，三相電參數(shù)采集和中控室遠程啟停控制；在生產(chǎn)管理方面，通過抽油機示功圖對油井工況進行診斷分析，通過電量數(shù)據(jù)掌握油井耗電情況和采取節(jié)能措施，通過功圖計產(chǎn)分析制定油井管理措施；在生產(chǎn)信息方面，在鉆采院室設置數(shù)據(jù)庫服務器和WEB發(fā)布服務器，實現(xiàn)油田生產(chǎn)信息在油田范圍內(nèi)的信息共享。

數(shù)字化油田項目既包括新建區(qū)塊（對原來沒有實現(xiàn)自動化的區(qū)塊進行自動化建設），也包括老區(qū)塊改造（對實現(xiàn)自動化的區(qū)塊進行改造和完善）。其中新建區(qū)塊的抽油機井約1000口、螺桿泵井約100口、電潛泵井約20口，此外還包括600多口注水井；老區(qū)塊改造的油水井總數(shù)約數(shù)百口。這些油水井隸屬于3個采油廠12個區(qū)塊。

各種井口要實現(xiàn)的功能見表1。

2 數(shù)字化油田的總體結(jié)構(gòu)設計和產(chǎn)品選型

井口數(shù)字化建設主要由井口控制終端(RTU)、現(xiàn)場檢測設備、通訊鏈路組成的一套（SCADA）數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。如何選用功能完備的RTU和檢測儀表、如何選用可靠的通訊方式進行井口數(shù)據(jù)通訊以及如何使數(shù)據(jù)穩(wěn)定準確及時的傳輸?shù)街锌厥?，都決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實用性和可靠性。

在2011年的新系統(tǒng)建設和老區(qū)塊改造項目中，盡管各種油水井的功能同以前建設的已有系統(tǒng)類似，但是在井站系統(tǒng)的通信系統(tǒng)設計和產(chǎn)品、技術選型方面，卻發(fā)生了本質(zhì)的變化。

在產(chǎn)品選型方面，選用北京安控科技股份有限公司最新生產(chǎn)的高性能一體化無線RTU產(chǎn)品和無線傳感器，安控產(chǎn)品既保留了其傳統(tǒng)的高性能、高可靠性等特點，同時又全面支持最新的ZigBee無線技術。對于該油田已有系統(tǒng)的老RTU，也采用北京安控公司的ZigBee無線通信模塊進行改造，擴充出無線通信接口。

在井站系統(tǒng)通信設計方面，井口儀表與井口RTU之間采用先進的ZigBee無線技術，具備大容量、低功耗、高可靠性、高安全性的優(yōu)點，代表了短距離無線通信技術的發(fā)展趨勢，并由此帶來施工簡化、調(diào)試維護簡單、建設周期短等優(yōu)點。井口RTU與上級監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)通信，則采用了CDMA通信網(wǎng)絡。

表1

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 井站自動化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

在高標準、高性能、高穩(wěn)定性的原則指導下，青海油田數(shù)字化油田系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括數(shù)據(jù)采集部分、網(wǎng)絡通訊部分和采集驅(qū)動WEB發(fā)布三大部分。

每個井口通過無線傳感器采集所需數(shù)據(jù)；

充分利用ZigBee網(wǎng)絡特點，一個平臺井口的所有無線儀表接入到同一個無線RTU，組成Mesh網(wǎng)絡，提高通訊可靠性；每個RTU可以帶64塊儀表；

所有無線儀表和無線RTU支持手操器調(diào)試，方便現(xiàn)場維護；

無線RTU采集到的無線傳感器數(shù)據(jù)，通過CDMA 1X網(wǎng)絡上傳到監(jiān)控中心，并在本地存儲歷史數(shù)據(jù)，支持數(shù)據(jù)補傳功能；

監(jiān)控中心搭建油氣水井數(shù)字化生產(chǎn)信息平臺，通過WEB方式發(fā)布井口實時數(shù)據(jù)。

2.2 網(wǎng)絡通信設計

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1可以看出，通信設計采取了ZigBee+CDMA 1X方式，達到實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、遠程控制等效果，并將相應數(shù)據(jù)傳輸至后臺網(wǎng)絡，實現(xiàn)后臺信息共享、信息管理等應用。

2.2.1 ZigBee無線應用部分

每個叢式井場，一般有3、4口井相對比較集中，采用短距離無線技術可以節(jié)省成本同時也降低了施工強度。無線技術采用的是ZigBee的無線網(wǎng)絡協(xié)議，ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915MHz(美國流行)3個頻段上，分別具有最高250Kbit/s、20Kbit/s和40Kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10～250m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。

2.2.2 CDMA應用部分

井站是分散的且與作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心的距離相對較遠。井口采集數(shù)據(jù)要統(tǒng)一傳送到中控室，采取了抗干擾能力強、傳輸距離遠的CDMA作為媒介，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性和穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

數(shù)據(jù)采集包括井口數(shù)據(jù)采集、作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心。

3.1 井口數(shù)據(jù)采集部分

（1) 功圖法量油

在井場配套無線功圖傳感器SZ902N，實現(xiàn)油井功圖全天候采集。在作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心則安裝專門的示功圖量油診斷軟件，及時掌握油井產(chǎn)量情況和分析故障原因。

（2）電流圖、功率圖采集

無線電量模塊與無線功圖傳感器配合，實現(xiàn)油井電流圖、功率圖全天候采集。在作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心則安裝專門的分析診斷軟件，及時掌握油井電機運行情況和分析故障原因。

（3）電參采集、油井壓力、溫度采集

在抽油機控制箱配套無線電量模塊SZ308，監(jiān)測抽油機上下行過程中三相電流和三相電壓的變化情況；監(jiān)視抽油機運行狀態(tài)，對電機缺相、過載、空轉(zhuǎn)等故障實現(xiàn)自動報警，并能根據(jù)控制中心命令實現(xiàn)啟?？刂?。

在油井上安裝無線數(shù)字壓力表SZ903D，實時監(jiān)測油壓和套壓的變化。

在油井上安裝無線數(shù)字溫度表SZ905D，實時監(jiān)測井口出油溫度的變化。

（4）螺桿泵井

在螺桿泵井井口安裝無線扭矩傳感器，實時采集光桿的扭矩、負荷、轉(zhuǎn)速。在作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心則安裝專門的螺桿泵量油診斷軟件，及時掌握螺桿泵井產(chǎn)品情況。

無線RTU SZ932提供了標準的RS485接口，能夠與螺桿泵控制變頻進行通訊。采集變頻實時數(shù)據(jù)，了解三相電壓、三相電流、電功率、功率因數(shù)和電能等參數(shù)，并據(jù)此制定節(jié)能降耗措施。

（5）電潛泵井

在電潛泵井控制箱內(nèi)配套無線電量模塊SZ308，通過電流互感器對電泵井的三相電流進行實時監(jiān)控。

（6）注水井

在注水井安裝無線數(shù)字壓力表SZ903D，實時監(jiān)測注水井壓力的變化。

3.2 監(jiān)控中心部分

建立油氣水井數(shù)字化生產(chǎn)信息平臺，通過WEB方式實現(xiàn)流程監(jiān)控、功圖分析、生產(chǎn)曲線、報表生成、操作日志和報警等功能。有著信息完整、提高工作效率、正確掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢。提高了油田油井系統(tǒng)運行可靠性、安全性與經(jīng)濟效益，減輕了調(diào)度員的負擔，實現(xiàn)了油田調(diào)度自動化與現(xiàn)代化，在提高調(diào)度人員的工作效率和操作水平方面有著不可替代的作用。

4 無線傳感器在油氣田數(shù)字化建設中的優(yōu)點、效益分析

與傳統(tǒng)的產(chǎn)品選型和系統(tǒng)設計相比，無線傳感器在油氣田數(shù)字化建設和使用中均顯示出了獨特的優(yōu)點：

（1）施工簡便、低成本，節(jié)省材料和人工

油田傳統(tǒng)的井站自動化系統(tǒng)的建設方式，以某油田原有的老區(qū)塊為例，采用的是模擬儀表和有線通信傳輸。模擬儀表傳輸和有線通信方式，在施工安裝過程中不可避免地需要敷設信號電纜、通信電纜（如RS485電纜），涉及到在井場挖溝和安裝電纜護管等。人工費用和材料費用造成施工成本高。

而在無線傳感器應用的系統(tǒng)中，這一部分的施工費用不存在了，信號傳輸和通信傳輸均簡化為無線通信的調(diào)試，施工成本被降到了最低。

（2）施工快捷，建設周期短，便于后期維護

由于新系統(tǒng)的建設省略了在井場動土挖溝、動火電焊等施工，因此施工速度提高了數(shù)倍。

以安控科技生產(chǎn)的無線功圖傳感器的安裝為例，傳統(tǒng)的信號電纜敷設和傳感器安裝需要至少半小時以上，而該傳感器減少了安裝抽油機光桿卡子和電纜敷設的時間，因此正常的安裝時間縮短到了10分鐘以內(nèi)。

井場內(nèi)自動化設備的安裝施工中，都需要對油井停機停電，而停機就意味著油井減產(chǎn)。因此從這個意義而言，施工速度的提高就等于是生產(chǎn)效益的提高。

在系統(tǒng)的后期維護方面，某油田老區(qū)塊原有的信號和通信電纜，在修井作業(yè)中經(jīng)常被重型車輛軋斷和遭到人為破壞。而無線傳感器則避免了這一問題。

（3） 適合于規(guī)模施工，全面建設數(shù)字化油田

隨著電子技術、計算機技術的進步，特別是國產(chǎn)設備的推陳出新，油田專用的RTU、PLC產(chǎn)品的采購成本已經(jīng)逐漸降低；而無線技術的應用，則帶來了施工費用的大大降低。

僅僅在數(shù)年以前，油田數(shù)字化建設的投資還只能針對重點區(qū)塊、建設重點工程。而目前最新的技術和產(chǎn)品，則為全面建設數(shù)字化油田創(chuàng)造了條件。