物聯網在延長油田數字油田中的應用

【摘要】物聯網是新一代信息技術的重要組成部分。隨著信息技術的不斷發(fā)展，物聯網正在從一個初始的概念符號通過各種途徑，逐步深入應用到數字油田、智能電網、環(huán)境監(jiān)測等技術領域。石油行業(yè)是物聯網應用的重要行業(yè)，尤其是數字油田的應用推廣給全球物聯網應用帶來了契機。延長油田是中國陸上發(fā)現和開發(fā)最早的油田，目前延長油田數字化尚處于初步建設與發(fā)展的階段。數字油田地面物聯網系統(tǒng)的應用可實現延長油田的生產數字化和管理智能化，可為延長油田數字化信息化的深入發(fā)展奠定基礎。

【關鍵詞】物聯網；數字油田；井場監(jiān)測；數據傳輸

1.延長油田物聯網系統(tǒng)體系結構

對于延長油田來說，主要是在油田生產過程數字化、企業(yè)管理智能化等方面開展數字油田物聯網系統(tǒng)建設。依據物聯網體系結構，延長油田數字油田物聯網系統(tǒng)可設計為以下三層：井場感知層、數據傳輸層、管理服務層。

1） 井場感知層

井場感知層主要通過各采集模塊對井場油井各項參數諸如抽油機示功圖數據、井口套壓回壓、電參數、井場視頻數據等進行采集，以及部分設防井場人車物標簽信息通過RFID終端進行感知識別；

2） 數據傳輸層

數據傳輸層擔負著將井場各采集模塊采集壓縮后的數據通過無線網橋和無線傳感網等傳輸到生產調度中心及，進而接入現有的企業(yè)內網，通過有線無線相結合的方式，完成生產數據及視頻數據的傳輸過程；

3） 管理服務層

管理服務層主要是指生產調度中心對井場傳送來的數據進行分析、處理、顯示，并提供上層應用服務接口，提供給采油廠綜合服務平臺。

根據實現功能的不同，該物聯網系統(tǒng)可分為3個子系統(tǒng)。

1）井場物聯網監(jiān)測子系統(tǒng)；

2）數據傳輸子系統(tǒng)；

3）采油廠物聯網綜合服務子系統(tǒng)；

2、井場物聯網監(jiān)測子系統(tǒng)

2.1井場物聯網監(jiān)測子系統(tǒng)概述

延長油田物聯網系統(tǒng)需要實現的最基本的功能和最核心的功能就是生產過程的數字化和自動化，實現電子巡井、井場實時監(jiān)控等功能。

1）電子巡井，通過遠程訪問的方式對每一口井的各項參數（溫度、壓力、流量、生產運行狀態(tài)、現場人車物信息等）進行讀取采集稱之為電子巡井，電子巡井可實現遠程工況診斷、抽油機遠程啟停等。

2）遠程實時監(jiān)視，井場現場安裝攝像機、視頻服務器實時采集井場視頻數據，傳輸至生產調度中心，通過視頻軟件進行輸出顯示，可實時監(jiān)控井場內工作人員的操作是否規(guī)范，井場進出車輛是否合法等

3）智能安防，智能檢測井場是否存在入侵人員及車輛，對入侵者進行智能識別，如果合法則允許進入，如果非法則智能報警，直到非法人員離開才接觸報警。從而防止盜油事件的發(fā)生，確保井場人員人身及財產安全。

井場物聯網監(jiān)測子系統(tǒng)由數據采集、數據傳輸、應用服務三層組成。

第一層是數據采集層，主要完成對油井各項參量數據諸如：電參數、油壓、套壓、注水量及環(huán)境溫濕度的采集以及井場視頻的實時采集；

第二層是數據傳輸層，它是連接井場與生產調度數據中心的橋梁，通過各種網絡傳輸設備（如網絡交換機、無線網橋等）為數據采集層感知的各項數據到生產調度中心的傳輸搭建通道。

第三層是應用服務層，完成對各類數據的處理、查詢，以及對井場的遠程視頻監(jiān)控、井場生產過程監(jiān)控、視頻回放等功能。

2.2 井場數據采集

各個物聯網設備如傳感器、RFID終端等相當于整個井場監(jiān)測子系統(tǒng)的“眼睛”，用來感知采集地面示功圖、井場視頻、井口回壓、電流和電壓等各類數據參數。

1）地面示功圖采集：反映抽油機懸點載荷隨其位移變化規(guī)律的圖形稱為光桿（地面）示功圖。它是示功儀在抽油機一個抽吸周期內測取的封閉曲線。示功圖的采集是通過一體化示功圖傳感器來完成的。同時還可以判斷井下是否滿溢等狀況。

2）井場視頻采集：在井場現場安裝網絡攝像機，對井場現場情況進行實時錄像采集，井場前端攝像機和視頻服務器將視頻信號編碼壓縮后，通過無線網橋將視頻信息匯聚傳輸到企業(yè)專網，從而傳到生產調度數據中心，后端服務器對視頻進行解碼、分析、顯示、回放等。

3）電參數采集：主要是對抽油機電動機電參數的采集進而實現遠程啟?？刂?。抽油機電壓參數是可被電參采集模塊直接采集得到的，電流參數的采集需要連接電流互感器來完成，與RTU模塊通過RS-485 進行通信，從而完成對電參數的采集。同時，電參采集傳感器可通過感知電機柜內交流接觸器的吸合狀態(tài)來判斷電機是否上電，并對電機進行啟、停動作。

4）各種壓力采集：包括套壓、井口回壓等。通過在相應的位置安裝壓力變送器來感知各項參數數據。

2.3井場控制終端

1） RTU遠程終端單元

RTU遠程終端單元是井場數據采集層的核心自動化電子設備。對各類傳感器采集到的數據進行編碼和傳輸，并進行與生產調度中心的通信即：可將數據通過傳輸層上傳與生產調度中心，也可接收和執(zhí)行來自生產調度中心的控制命令。

RTU遠程終端單元的結構包括微處理器（CPU）、存儲器、接口、通信模塊及電源模塊。核心是微處理器（CPU），傳感器采集到各類信息數據經由I/O接口輸入，通過CPU進行處理并存儲至存儲器，各類執(zhí)行命令也由CPU下發(fā)，經過I/O接口輸出到各個相關元件，進行命令動作。

2） 智能視頻服務器

智能視頻服務器是一種對視音頻數據進行壓縮、存儲及處理的專用嵌入式設備，可以對井場現場攝像頭采集到的視頻數據進行壓縮編碼，并進行存儲和傳輸。智能視頻服務器支持RS485端口、RJ45以太網接口，處理性能高、可編程。

2.4井場智能安防

油田一線生產區(qū)域往往地處偏遠山區(qū)，值守人員相對較少，盜油事件常有發(fā)生，且物資人身安全相對得不到保證。因此油田生產區(qū)域對于智能安防的需求是迫切的。

井場智能安防為實現身份識別，為生產區(qū)域內的車輛安裝電子車牌，人員攜帶標簽；在進入防區(qū)設定后，開始進入智能安防狀態(tài)。普通安防系統(tǒng)探測到有入侵人車時，系統(tǒng)進行RFID身份識別判斷，如果身份不合法則對現場進行智能聲光告警，提醒入侵者遠離重要危險區(qū)域，并向遠端生產調度中心進行智能報警。當入侵者離開設防區(qū)域后報警信息撤除。

2.5生產調度中心數據處理

井場現場數據采集和數據傳輸設備的I/O驅動程序，均由硬件供應商提供，數據傳輸至生產調度中心后，要對海量數據進行讀取和處理，主要通過以下幾種軟件的支持來完成。

數據讀取與過程控制主要通過力控組態(tài)軟件來完成。油井計量與示功圖分析主要通過示功圖分析軟件，依據示功圖原理，采用專家系統(tǒng)和模式識別技術，根據采集的示功圖數據，通過相關油井參數計算出單井的日產液量，并可以對抽油泵的工作狀態(tài)做出準確的分析。數據管理及存儲主要依靠數據庫軟件建立油井示功圖、日產液量、抽油機、等多個數據表，搭建服務器/客戶端結構的油井計產與工況分析數據庫，選擇SQL Server 2003作為數據庫平臺。監(jiān)控視頻數據主要通過視頻監(jiān)控軟件來進行視頻實時顯示回放控制等動作。

3、數據傳輸子系統(tǒng)

3.1無線傳輸方式技術對比分析

目前從井口到采油廠的數據匯聚方式有以下幾種成熟技術可以參考，通過對比幾種技術的優(yōu)缺點，進而選擇最適合延長油田地理環(huán)境的傳輸方式。無線網橋傳輸速率高，通訊距離長、組網方式靈活，適合井場遠距離傳輸機監(jiān)控視頻高帶寬傳輸的需求；無線傳感器網絡傳輸速率和通信距離均在無線網橋之下，但組建成本和維護成本低廉，因此可以考慮在無需視頻數據傳輸的地方組建無線傳感器網絡來進行簡單生產數據的傳輸。

通過以上分析，采用無線網橋和WSN互補的多網融合方式更適用于陜北油田信息化建設的需求。高產井井場都建有監(jiān)控攝像頭，需要高傳輸帶寬來實現對實時視頻數據的傳輸，且高產井可投入的生產成本較高，因此高產井井場可使用無線網橋的數據匯聚方式；中低產井投入生產成本較低，不考慮布設攝像頭來進行實施監(jiān)控，因此可采用無線傳感網絡WSN匯聚傳輸。無線網橋與無線傳感網絡WSN相結合的傳輸方式保證可靠穩(wěn)定的生產數據匯聚傳輸，可實現兼容低成本高效率，及高可擴展性。

3.2數據傳輸子系統(tǒng)組網方式

數據傳輸子系統(tǒng)可以實現靈活組網，達到低成本高效率的連接各個數據節(jié)點。主要組網方式如下：

1） 無線網橋組網方式

無線網橋從通信機制的不同可分為電路行網橋和數據型網橋，電路型網橋采用微波傳輸機制，數據型網橋采用IP傳輸機制。高產井井場處無線網橋需傳輸的數據有監(jiān)控數據和生產數據，可采用數據型網橋。

無線網橋通信距離可達20km，且可支持AP+WDS、AP、WDS等多種應用模式，井場現場可考慮的組網方式主要有：點對點、點對多點及中繼點等方式。

（1）點對點方式

距離生產調度中心在20km以內的高產井井場采用無線網橋點對點傳輸方式，只需在井場安裝一個無線網段作為AP，生產調度中心安裝一個無線網橋AP，將生產調度中心AP設置為Base模式，井場AP設置為Slave模式，井場無線天線采用定向天線，從而實現與生產調度中心的無線點到點連接。

（2）點對多點方式

生產調度中心AP對于多個井場AP來說就是點對多點廣播通信。生產調度中心AP作為Master，井場AP作為Slaver，實現點對多點通信。在距離較近的多個井場之間也可采用點對多點的連接方式，在每個井場安裝無線網橋作為AP，一個距離生產調度中心最近的井場AP作為Master，其他井場設置為Slaver，數據匯聚至此Master AP后，再向生產調度中心傳輸。

2）無線傳感網絡（WSN）組網方式

在中低產井場可采用無線傳感網絡（WSN）組網方式。在井場布置各類傳感器、控制器、RFID讀寫器，各類傳感器通過自組織和多跳的形式匯聚于匯聚基站，最后將生產數據傳輸至生產調度中心。

無線網橋與無線傳感網絡相結合的方式，完成井場數據到生產調度中心的數據傳輸，再由生產調度中心通過網絡交換機，接入油田企業(yè)內網，從而實現綜合服務子系統(tǒng)對底層數據的獲知、顯示及控制。

4、采油廠物聯網綜合服務子系統(tǒng)

采油廠綜合服務子系統(tǒng)平臺可實現電子巡井服務、視頻監(jiān)控服務、GIS服務、采油廠服務、網絡鏈路服務等5種服務。

1）遠程電子巡井服務；通過采油廠物聯網綜合服務平臺，實現將井場運行參數信息和井場人車物信息采集到平臺的實時數據庫，結合井口采油工藝流程，井場實時視頻和抓拍照片，及單井層位、投產日期所屬站點等靜態(tài)信息，以Web網頁圖形形式將運行參數數據發(fā)布出去，并展現給延長油田各相關崗位人員，實現電子自動巡井。

2）采油廠、井場人車物管理調度服務；閱讀處于采油廠或井場范圍內的人員、車輛、資產標簽。當有緊急狀況出現時，調度中心可以直觀的通過該服務界面觀察到距離應急搶險或其他突發(fā)狀況內最近的人員信息，繼而對該人員或車輛進行通知調度。

3）井場視頻監(jiān)控顯示服務；通過采油廠物聯網綜合服務平臺可以對采油廠和轄區(qū)井場范圍內的視頻監(jiān)控節(jié)點進行監(jiān)控顯示服務，通過Web發(fā)布到企業(yè)內部網絡共享。

4）井區(qū)GIS信息查看服務；通過地圖精確定位到各個井場，采油廠等地理坐標。選中位置后在旁邊的對話框中顯示出該位置的基本信息，通過采油廠物聯網綜合服務平臺實現地理信息共享服務，以一種全新的展現方式提供給用戶。

5）井區(qū)網絡信息查看服務；通信網絡是整個信息化建設的重中之重，也是聯接起各個子系統(tǒng)的橋梁，在綜合服務平臺中加入了通信網絡的信息查看可以準確的判斷出通信鏈路故障，無論是作為系統(tǒng)的自檢還是為方便的實現網絡資源共享都提供了更為直觀的展現方式。

5、結論與展望

本文對延長油田數字油田物聯網系統(tǒng)進行了詳細的分析與闡述。 對井場物聯網監(jiān)測子系統(tǒng)進行了詳盡的分析和論述，延長油田建設物聯網系統(tǒng)的目標是建設數字油田，使生產數字化、管理智能化，從而提高工作效率、降低工作成本、改善員工工作環(huán)境。本文所述的延長油田物聯網系統(tǒng)的實現，可將延長油田數字油田的建設推向一個新的高度。參考文獻

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