采油廠采油生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)探討

新疆油田數(shù)據(jù)公司 蘇偉

華北油田公司 肖兵

北京亞控科技發(fā)展有限公司 郝鵬宇 張彥國 蘇家海

1 引言

分布在廣闊地域上的采油井需要大量的人員跑現(xiàn)場、抄表，現(xiàn)場惡劣的環(huán)境不但增加了員工的工作負(fù)擔(dān)，降低了工作效率，更導(dǎo)致了石油公司運(yùn)營成本的增加。怎樣優(yōu)化現(xiàn)有工藝，降低公司運(yùn)營成本，是石油公司面臨的一大挑戰(zhàn)。

在互聯(lián)網(wǎng)不斷深化應(yīng)用的今天，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)隨著智能感知芯片、移動(dòng)嵌入式系統(tǒng)、云計(jì)算等理念和技術(shù)的研究和發(fā)展日趨成熟。2010年10月18日在國務(wù)院正式下發(fā)的《關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》中，將物聯(lián)網(wǎng)作為我國七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，將“以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化，推動(dòng)工業(yè)化與信息化有機(jī)融合，促進(jìn)工業(yè)由大變強(qiáng)”的“兩化融合”政策變?yōu)閲覒?zhàn)略。在這一大背景下，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字化油田與智能油田的概念逐步發(fā)展起來。

2 平臺(tái)概述

采油廠采用的采油物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器、變送器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)采油井工作狀態(tài)的自動(dòng)化監(jiān)視和數(shù)據(jù)采集；基于GPRS、WiFi等遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布在廣闊地域上的采油生產(chǎn)工藝流程中的工作數(shù)據(jù)的集成；基于工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)海量生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)管理與歷史存儲(chǔ)；基于功圖、宏觀信息圖等技術(shù)完成產(chǎn)油預(yù)測、統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)挖潛增產(chǎn)計(jì)劃安排；最終基于組態(tài)技術(shù)將生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)以流程、圖表、聲光報(bào)警、Web頁面等形式可視化呈現(xiàn)，輔助采油廠進(jìn)行生產(chǎn)經(jīng)營調(diào)度管理以及決策分析。北京亞控科技的整套采油物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)軟件平臺(tái)采用SOA技術(shù)開發(fā)，模塊化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)井組、管線、站（庫）等基本生產(chǎn)單元的管控一體化。

3 平臺(tái)架構(gòu)

采油生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)由軟件和硬件設(shè)備及設(shè)施兩個(gè)大部分組成。軟件部分采用了北京亞控科技提供的采油生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺(tái)。該軟件平臺(tái)采用了先進(jìn)的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)采集層，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，數(shù)據(jù)展示應(yīng)用層。得利于SOA技術(shù)，三個(gè)功能層相互獨(dú)立而又相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)整個(gè)平臺(tái)應(yīng)用功能。平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

硬件部分包括通訊鏈路層和現(xiàn)場設(shè)備層。平臺(tái)通訊鏈路全面支持有線及現(xiàn)行主流各類無線傳輸方式。邊遠(yuǎn)地區(qū)井場數(shù)據(jù)、信息通過數(shù)傳電臺(tái)，無線網(wǎng)橋，RTU等無線傳輸設(shè)備，匯聚到上層向數(shù)據(jù)中心發(fā)送。各級(jí)通訊鏈路均采用冗余機(jī)制，為數(shù)據(jù)的安全傳遞創(chuàng)建了穩(wěn)健的渠道。

現(xiàn)場設(shè)備：井場各變送器及RTU等設(shè)備都配置獨(dú)立的64位RFID射頻識(shí)別碼，通過手抄器的方式錄入到數(shù)據(jù)庫中做操作。

圖2 功圖功能組件在平臺(tái)中的應(yīng)用方式

軟件平臺(tái)通過行業(yè)功能組件的方式，針對(duì)采油行業(yè)提供其專門的行業(yè)組件，使平臺(tái)滿足行業(yè)特殊需求。強(qiáng)化行業(yè)功能，圖2所示是功圖功能組件在平臺(tái)中的應(yīng)用方式。

4 平臺(tái)功能

圖3 軟件平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

軟件平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。平臺(tái)通過各個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集

實(shí)時(shí)采集油氣水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)、計(jì)量間生產(chǎn)數(shù)據(jù)、站庫生產(chǎn)數(shù)據(jù)、集輸管網(wǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及其它各類相關(guān)信息。

（2）生產(chǎn)過程自動(dòng)控制

實(shí)現(xiàn)單井、注采計(jì)量站、油氣處理站（廠）的生產(chǎn)過程閉環(huán)控制，以及單井的自動(dòng)量油，提高生產(chǎn)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

（3）生產(chǎn)異常自動(dòng)報(bào)警

生產(chǎn)異常時(shí)，預(yù)警信息自動(dòng)彈出，聲音提示、報(bào)警通知相關(guān)人員及時(shí)處理。并可對(duì)歷史報(bào)警記錄進(jìn)行回放、查看。

（4）生產(chǎn)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測

通過傳感器信息與視頻采集信息相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境中可燃?xì)怏w、有毒有害氣體的監(jiān)測以及重點(diǎn)井、高危井、偏遠(yuǎn)井的全方位監(jiān)控。

（5）生產(chǎn)報(bào)表自動(dòng)生成

可自動(dòng)生成井、站、作業(yè)區(qū)的相關(guān)生產(chǎn)報(bào)表，自動(dòng)繪制相應(yīng)曲線，同時(shí)完成存儲(chǔ)、查詢。

（6）系統(tǒng)自檢自動(dòng)進(jìn)行

支持設(shè)備的在線更新?？蓪?duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、現(xiàn)場儀表等數(shù)字化設(shè)備定時(shí)自動(dòng)巡檢，對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行報(bào)警提示。

5 平臺(tái)特色

5.1 宏觀信息圖

系統(tǒng)采用宏觀信息圖，把GIS地理信息系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)OCX控件嵌入到平臺(tái)中，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)交互，能有效的使用GIS的圖形縮放功能，展示不同的圖層單元。這樣完整分析油田生產(chǎn)潛力，為增產(chǎn)措施的科學(xué)管理與實(shí)施提供技術(shù)知識(shí)和信息保障，為實(shí)現(xiàn)采油生產(chǎn)最佳實(shí)踐分析提供有力工具。

并且宏觀圖能根據(jù)平臺(tái)采集的油井?dāng)?shù)據(jù)做相關(guān)動(dòng)態(tài)展示。把一個(gè)油田的地面圖用地層界線分開，地面布置相應(yīng)的站庫圖標(biāo)和單井圖標(biāo)，開井用綠色，關(guān)井用紅色。

在該頁面可以一目了然的了解到當(dāng)前管理單元的下屬油井：總井?dāng)?shù)、實(shí)時(shí)開機(jī)數(shù)量、實(shí)時(shí)停機(jī)數(shù)量、未巡檢地址停機(jī)數(shù)量、油井地理分布運(yùn)行情況，以及油井的日生產(chǎn)信息和油井開機(jī)時(shí)率信息。

5.2 行業(yè)組件應(yīng)用

我國抽油機(jī)井的井?dāng)?shù)占生產(chǎn)井?dāng)?shù)的90%左右。而示功圖是反映有桿泵抽油機(jī)工作狀態(tài)最直觀有效的分析手段。通過示功圖自動(dòng)識(shí)別，工作人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)抽油機(jī)砂卡、脫桿、凡爾漏失等工作狀態(tài)的變化和供液不足、氣體影響等油藏的動(dòng)態(tài)變化，并排除抽油機(jī)工作故障。采油生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的功圖控件可以實(shí)現(xiàn)多功圖的疊加顯示，以作功圖比較之用。提供人工修正油井工況的操作?？梢宰詣?dòng)將對(duì)應(yīng)油井的最新功圖刷新顯示。整個(gè)功圖控件主要實(shí)現(xiàn)識(shí)別與計(jì)產(chǎn)兩個(gè)功能。

5.2.1功圖識(shí)別

利用模型分析，能快速對(duì)每一口油井的實(shí)時(shí)功圖進(jìn)行智能識(shí)別分析，從而得出抽油機(jī)狀態(tài)，并根據(jù)功圖數(shù)據(jù)得出抽油機(jī)故障報(bào)警，按照故障的嚴(yán)重程度，抽油機(jī)工況分成三級(jí)報(bào)警。一級(jí)報(bào)警（抽油桿斷脫、嚴(yán)重供液不足等）會(huì)在監(jiān)控室立刻彈出報(bào)警窗并進(jìn)行聲光報(bào)警提醒相關(guān)人員快速處理；二級(jí)報(bào)警會(huì)進(jìn)行聲音提示；三級(jí)報(bào)警短促聲音提示后自動(dòng)存入報(bào)警庫。

5.2.2 功圖計(jì)產(chǎn)

功圖計(jì)產(chǎn)是通過識(shí)別示功圖取得有效沖程，結(jié)合抽油泵徑、沖數(shù)和原油物性參數(shù)計(jì)算出油井產(chǎn)液量。充分考慮油層物性、井筒復(fù)雜狀況的影響，每天對(duì)多個(gè)實(shí)測示功圖計(jì)算，求出油井平均產(chǎn)量，從而較為精確地實(shí)現(xiàn)功圖噸液計(jì)產(chǎn)。計(jì)量結(jié)果可以以棒圖、餅圖、折線圖等多種方式做直觀展示。

5.2.3 平衡度分析

平臺(tái)系統(tǒng)通過對(duì)示功圖以及動(dòng)液面曲線等相關(guān)數(shù)據(jù)的的分析實(shí)現(xiàn)對(duì)采油機(jī)的平衡度及效率分析，為能耗管理提供數(shù)據(jù)支持。

5.3 海量數(shù)據(jù)快速存取

生產(chǎn)數(shù)據(jù)都是時(shí)序數(shù)據(jù)，使用一般的關(guān)系庫進(jìn)行處理既浪費(fèi)空間又效率低下。在采用平臺(tái)內(nèi)部的工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫對(duì)功圖數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)后，數(shù)據(jù)壓縮到了原始數(shù)據(jù)大小的10%。系統(tǒng)在積累長時(shí)間的數(shù)據(jù)后，節(jié)省磁盤空間效果特別突出。工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用不僅在節(jié)省數(shù)據(jù)容量上效果突出，而且數(shù)據(jù)存取速度極快，即使是從10年的海量數(shù)據(jù)庫中讀取大規(guī)模的功圖信息，查詢反應(yīng)時(shí)間均小于2秒。工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用比較如表1所示。

表1 工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用比較

5.4 全方位安全感知

在平臺(tái)內(nèi)部SCADA技術(shù)與視頻監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，形成了更加安全的防范系統(tǒng)。對(duì)需要進(jìn)行監(jiān)控的井場、站（廠）和建筑物內(nèi)（外）的主要公共活動(dòng)場所及通道、重要部位和區(qū)域等進(jìn)行有效的視頻監(jiān)視，達(dá)到一個(gè)全面監(jiān)視控制的程度。

正常狀態(tài)下攝像頭按照常規(guī)進(jìn)行存檔刪除，而對(duì)于非正常的記錄，把系統(tǒng)報(bào)警前后的一段時(shí)間的視頻記錄單獨(dú)保存下來，這樣便于事故視頻的調(diào)出和事故的事件管理。為使用者提供了智能分析入侵者、自動(dòng)判斷煙情、火情、物品看管、遺留物檢測、目標(biāo)種類識(shí)別、人體行為檢測、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)智能錄像等系列的智能自動(dòng)化視頻監(jiān)控系統(tǒng)，確保油田的各種重要場所的安防工作。

5.5 設(shè)備在線運(yùn)維

平臺(tái)能夠自動(dòng)響應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備的變化：如設(shè)備更換、新設(shè)備加入、舊設(shè)備刪除等；自動(dòng)的適應(yīng)設(shè)備變化后的數(shù)據(jù)采集，不需要中斷當(dāng)前平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)。

經(jīng)手持器掃碼設(shè)備的RFID后，KingExchange軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)響應(yīng)硬件更新。無論是變送器的替換，還是新油井的投產(chǎn)，該軟件平臺(tái)能夠自動(dòng)的識(shí)別新的硬件，并將該硬件的信息創(chuàng)建到解決方案數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心之上的數(shù)據(jù)分析與展示軟件同樣能夠在線自動(dòng)的識(shí)別硬件數(shù)據(jù)更新，能夠自動(dòng)的管理、展示硬件更新。變送器、傳感器等現(xiàn)場設(shè)備異?；螂娏坎蛔銜r(shí)自動(dòng)向系統(tǒng)上報(bào)，系統(tǒng)可快速定位到具體的站點(diǎn)、設(shè)備，無需再進(jìn)行拉網(wǎng)式的檢修排查。

5.6 平臺(tái)無關(guān)性

整套平臺(tái)適用于Windows，Linux，Unix等各種環(huán)境。在軟件上實(shí)現(xiàn)了對(duì)IPv6的支持。

5.7 移動(dòng)終端應(yīng)用

全面支持移動(dòng)平臺(tái)訪問。支持基于Mac iOS，Android，以及Windows Phone等系統(tǒng)的移動(dòng)終端，為更加自由、方便的進(jìn)行工作提供了條件。

6 總結(jié)

整個(gè)采油生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過建立一套覆蓋采油廠生產(chǎn)全過程的系統(tǒng)，構(gòu)建了生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、關(guān)鍵過程聯(lián)鎖控制、工藝流程可視化展示、生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)測的綜合信息平臺(tái)。達(dá)到了強(qiáng)化安全管理、突出過程監(jiān)控、優(yōu)化管理模式，優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)、提高效益的目標(biāo)。