油田生產(chǎn)管理過程中數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用

朱文濤， 李合遠(yuǎn)， 章占強 ，吳 浩

（長慶油田分公司 第三采油廠,銀川 750006）

1 油田數(shù)字化建設(shè)現(xiàn)狀

1.1 長慶油田數(shù)字化建設(shè)簡介

長慶油田在新油田投產(chǎn)、老油田改造中開展了一系列數(shù)字化生產(chǎn)管理系統(tǒng)建設(shè)，利用自動控制技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、油藏管理技術(shù)、油（氣）開采工藝技術(shù)、地面工藝技術(shù)、數(shù)據(jù)整合技術(shù)、數(shù)據(jù)共享與交換技術(shù)，視頻和數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)，實現(xiàn)了電子巡井，分析判斷、精確定位，減少了勞動強度、提高了生產(chǎn)效率。

1.2 數(shù)字化建設(shè)的優(yōu)勢及不足

長慶油田數(shù)字化建設(shè)，已初具規(guī)模，為中端數(shù)據(jù)應(yīng)用提供了必要支撐。然而目前的建設(shè)現(xiàn)狀無法滿足日趨精細(xì)化的管理要求，對于生產(chǎn)管理的過程控制，數(shù)據(jù)采集后的深度挖掘還需進(jìn)一步建設(shè)完善，從而真正提高生產(chǎn)管理效率，降低安全環(huán)保風(fēng)險，提升分析決策能力，滿足精細(xì)化管理要求。

1.2.1 前端建設(shè)不足之處

1）高危區(qū)域數(shù)字化技術(shù)配套不完善

儲罐配套靜壓液位計，液位計量不穩(wěn)定、準(zhǔn)確性低；外輸、注水泵房內(nèi)未配套視頻監(jiān)控，人工巡檢頻繁；真空加熱爐數(shù)據(jù)未采集，仍需員工現(xiàn)場錄取。未降低員工在高溫、高壓、高油氣比區(qū)域的工作時間。

2）自動化程度不夠，缺乏現(xiàn)場設(shè)備的智能閉環(huán)控制

我廠增壓工藝配套有降回壓撬、數(shù)字化增壓撬等撬裝工藝。降回壓撬工藝流程簡潔，配套就地監(jiān)控系統(tǒng)，然而缺失站控配套、自動輸油、流程倒改，遠(yuǎn)程控制等功能；數(shù)字化增壓撬的模塊化設(shè)計，具備了先天的自動化控制技術(shù)，但系統(tǒng)控制停留于本地操作，不能實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，不具備無人值守的條件。

1.2.2 中端建設(shè)不足之處

1）系統(tǒng)架構(gòu)瓶頸

從系統(tǒng)架構(gòu)圖1中看出，站控系統(tǒng)是連接前端數(shù)據(jù)與為中端系統(tǒng)提供信息的核心，其安全性、穩(wěn)定性直接影響著站控本身以及中端系統(tǒng)的應(yīng)用。而獨立的站控系統(tǒng)受人為因素影響大，其安全性不可靠；站控系統(tǒng)依靠OPC連接方式，為中端提供數(shù)據(jù)，由于站控本身安全性低，引起數(shù)據(jù)連接的不穩(wěn)定。由此，前端采集數(shù)據(jù)停留于生產(chǎn)單元的應(yīng)用，數(shù)據(jù)間沒有展開橫向的比對分析，造成中端系統(tǒng)應(yīng)用水平低。

圖1 數(shù)字化系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Digital system architecture diagram

2）系統(tǒng)功能不滿足實際應(yīng)用

現(xiàn)有系統(tǒng)功能不完善，導(dǎo)致系統(tǒng)應(yīng)用水平較低，如數(shù)字化生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，只采集數(shù)據(jù)無對比分析，無法對油井進(jìn)行分類篩選，技術(shù)人員統(tǒng)計工作量大；數(shù)字化應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)，報警處理多，責(zé)任追溯難，易造成員工抵觸心理，且報警處理責(zé)任劃分不明確；電子路卡系統(tǒng)，只抓拍、錄像，對可疑車輛未實現(xiàn)報警提升，監(jiān)控人員易視覺疲勞，無法快速定位可疑車輛。

1.3 數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)配套的必要性

1.3.1 數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)配套是提高安全生產(chǎn)管理水平的前提

數(shù)字化管理的重點是將后端的支持系統(tǒng)向生產(chǎn)前端的過程延伸。核心是將優(yōu)化生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)將數(shù)字化與勞動組織架構(gòu)相結(jié)合，實現(xiàn)生產(chǎn)組織方式和勞動組織架構(gòu)的深刻變革，最大限度減輕崗位員工的勞動強度，提高工作效率和安全生產(chǎn)管理水平。

1.3.2 數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)配套是實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的重要手段

產(chǎn)量是油田永遠(yuǎn)的主題，傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理由于技術(shù)手段局限性，在管理效率和執(zhí)行力方面存在諸多弊端，有效利用大量的數(shù)字化前端數(shù)據(jù)，實現(xiàn)油井自動分類管理，使技術(shù)人員拋開統(tǒng)計分類，從而專注于研究分析、制定對策，為今后長慶油田實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)提供高效的技術(shù)手段和可靠的數(shù)據(jù)來源。

2 數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)配套研究與應(yīng)用

在現(xiàn)有數(shù)字化配套基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)安全和地面工藝流程優(yōu)化簡化，提升前端數(shù)據(jù)采集與控制水平，降低高危區(qū)域巡檢頻次，減輕員工勞動強度，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；以職能部門應(yīng)用為主導(dǎo)，完善中端系統(tǒng)功能，提升系統(tǒng)應(yīng)用率。

2.1 高危區(qū)域數(shù)字化技術(shù)配套

2.1.1 油罐配套高精度液位計

根據(jù)測量介質(zhì)及測量容器不同，在凈化罐上配套導(dǎo)波物位計，在緩沖罐、沉降罐上配套磁致伸縮液位計。

1）導(dǎo)波物位計

將導(dǎo)波物位計安裝在原油凈化罐、緩沖罐上發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)波物位計受所測量容器限制，適用于容器底部無干擾物，液面相對穩(wěn)定，波動較小的的壓力容器。凈化罐誤差可控制在5%以內(nèi)，緩沖罐誤差可控制在8%以內(nèi)。

2）磁致伸縮液位計

經(jīng)現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，磁致伸縮液位計適用于沉降罐多界位監(jiān)測，及緩沖罐液位監(jiān)測，其絕對誤差可控制在2～5 cm以內(nèi)，且在沉降罐罐頂透光孔蓋安裝，安裝簡便，采用RS485信號輸出，比模擬信號傳輸更穩(wěn)定。

2.1.2 真空加熱爐配套遠(yuǎn)程監(jiān)控

在真空加熱爐上配套加熱爐控制器，實現(xiàn)上位機遠(yuǎn)程采集加熱爐溫度、壓力、水位，與觸摸屏通訊實現(xiàn)就地顯示，最終通過控制器分析反饋信息，對燃燒器進(jìn)行報警提示和自動啟停爐控制，實現(xiàn)了真空加熱爐的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖2 控制系統(tǒng)設(shè)計Fig. 2 Control system design

圖3 組態(tài)設(shè)計Fig.3 Configuration design

2.2 站點數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)配套

在數(shù)字化建設(shè)中處于基本生產(chǎn)單元數(shù)據(jù)采集核心地位的增壓/接轉(zhuǎn)站/降回壓撬是目前數(shù)字化采油作業(yè)區(qū)實現(xiàn)無人值守管理的關(guān)鍵，因此，對作業(yè)區(qū)所轄各類集輸站點進(jìn)行必要的數(shù)字化改造，使其具備一定的自動控制能力，同時對加熱爐這類重點設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，以實現(xiàn)站點的無人值守管理。

作業(yè)區(qū)集輸站點主要包括以下類型：常規(guī)數(shù)字化增壓/接轉(zhuǎn)站以及降回壓撬裝站點，因此根據(jù)站點設(shè)備以及結(jié)構(gòu)的不同主要分為以下3種改造方式。

2.2.1 增壓/接轉(zhuǎn)站

在站內(nèi)集輸流程總進(jìn)口增加一個三通閥實現(xiàn)來油正常處理流程和事故應(yīng)急流程的切換，總出口增加一個電動調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)輸油排量的控制以及緊急切斷功能。

圖4 增壓/接轉(zhuǎn)站數(shù)字化工藝改造流程圖Fig.4 Booster/block station digital process flow chart

設(shè)備共分為2個控制級別：就地柜手動、上位機控制。

1）現(xiàn)場設(shè)備在PLC控制柜就地控制，分別控制對應(yīng)的輸油程序。當(dāng)采用這一控制方式的時候，閥門的開關(guān)以及泵的啟停不受上位機的制約。調(diào)試期間、上位機出現(xiàn)故障時采用這一控制方式。

2）上位機控制級：當(dāng)選擇開關(guān)置自動狀態(tài)，并有相應(yīng)的指示燈點亮。位于中控室的控制系統(tǒng)遠(yuǎn)端控制現(xiàn)場設(shè)備的啟、停及流程切換。設(shè)備經(jīng)調(diào)試正常后最終的運行狀態(tài)采用此方式。

2.2.2 降回壓撬

通過對數(shù)字化降回壓撬加裝電動閥并進(jìn)行簡單的功能完善實現(xiàn)無人值守管理，主要加裝包括如圖5所示的1#電動閥、2#、3#電動三通閥，完善控制柜配套的人機界面，同時增加網(wǎng)絡(luò)通訊、模擬量輸入模塊，通過在控制柜上的觸摸屏操作，可實現(xiàn)自動輸油、遠(yuǎn)程倒泵、遠(yuǎn)程啟停等功能，亦可通過調(diào)控中心遠(yuǎn)程操作實現(xiàn)上位機對撬的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制。

2.2.3 數(shù)字化增壓撬

數(shù)字化增壓撬僅實現(xiàn)本地控制,不能完全滿足無人值守要求，主要存在問題如下：

·應(yīng)急流程切換功能不完善。

·磁翻板液位計冬季運行不穩(wěn)定，易卡堵。

·控制柜無就地流程控制按鈕。

·未集成采集外輸流量計。

圖5 降回壓撬數(shù)字化工藝改造流程圖Fig. 5 Drop back pressure lever digital process flow chart

針對以上存在問題，改進(jìn)數(shù)字化增壓撬監(jiān)控功能：

1）遠(yuǎn)程應(yīng)急流程切換功能：來油管線安裝三通電動閥，可通過遠(yuǎn)程控制切換來油至事故罐，實現(xiàn)遠(yuǎn)程應(yīng)急流程控制。

2）雙液位連續(xù)監(jiān)測：緩沖罐頂部安裝磁致伸縮物位計，保留原有磁翻板液位計，利用雙液位監(jiān)測實現(xiàn)自動控制功能，防止單一液位卡死造成控制功能失效，出現(xiàn)輸油泵無法啟停的現(xiàn)象。

3）就地“手動/自動”控制切換：在原有PLC控制柜上增加“手動/自動”切換按鈕及流程切換按鈕，預(yù)防工控機故障時，可切換為手動就地控制，通過流程切換按鈕實現(xiàn)橇的運行控制。

4）外輸流量計數(shù)據(jù)采集：集成外輸流量計至撬裝設(shè)備，并采集外輸流量數(shù)據(jù)。

2.3 作業(yè)區(qū)SCADA系統(tǒng)配套

盡管SCADA系統(tǒng)在各領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，但對于油田而言它仍是一項新技術(shù)，在近一年的研究應(yīng)用過程中，SCADA系統(tǒng)分散控制、集中管理的理念設(shè)計，有效轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)油田生產(chǎn)管理方式。

在原有獨立站控基礎(chǔ)上，取消從站控采集數(shù)據(jù)鏈路層，統(tǒng)一升級井站PLC、RTU采集協(xié)議，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化接入，在作業(yè)區(qū)架設(shè)中心服務(wù)器，可直接接入井站數(shù)據(jù)，為站控、調(diào)控中心、中端系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。

圖6 SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路Fig. 6 SCADA system data link

1）中端系統(tǒng)功能應(yīng)用提升：

在集輸系統(tǒng)上改變原有的計量運行監(jiān)控體系，原有的半人工半自動計量運行體系全部被服務(wù)器采集與自動報表取代。在注水系統(tǒng)上整合了離散的注水監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了從水源井、供水站、注水站的一體化監(jiān)控。利用數(shù)據(jù)自動采集+人工補錄的方式真正實現(xiàn)了報表的自動生成。

2）中端系統(tǒng)穩(wěn)定性提升：

在鏈路優(yōu)化簡化后，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)各項指標(biāo)大幅提升，消除了站控中間環(huán)節(jié)帶來的不穩(wěn)定因素。油水井、站內(nèi)數(shù)據(jù)平均上線率達(dá)95%以上。數(shù)據(jù)集中處理效果突出，所有數(shù)據(jù)采集處理終端由中心服務(wù)器完成，穩(wěn)定性、可靠性提升的同時作業(yè)區(qū)維護(hù)難度降低。

2.4 油井分類管理技術(shù)配套

為滿足油井差異化管理要求，需要推進(jìn)管理方式方法的創(chuàng)新，來支撐油田精細(xì)化管理。業(yè)務(wù)部門提出對油井產(chǎn)量進(jìn)行自動分類的要求，實現(xiàn)油井分類管理。

2.4.1 系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀

油井功圖、工況、產(chǎn)液量均可在生產(chǎn)指揮系統(tǒng)中查看，通過完善生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，拓展產(chǎn)量篩選功能，可滿足業(yè)務(wù)部門的油井分類管理需求。

2.4.2 功能配套

1）油井篩選

將油井產(chǎn)量 t≥50 kt、3.0≤t＜50 kt、1.0≤t＜30kt、t＜10 kt的油井分為A、B、C、D 四類

2）工作安排落實及查詢

增加油井處理任務(wù)，管理人可進(jìn)行工作安排，制定落實期限，并進(jìn)行任務(wù)分發(fā)；落實人進(jìn)行任務(wù)跟蹤，填寫落實結(jié)果；管理人可進(jìn)行結(jié)果查詢。

3）管理權(quán)限劃分

廠級、作業(yè)區(qū)經(jīng)理可對A、B、C、D四類油井分別篩查和管理，生產(chǎn)副經(jīng)理可對A類油井進(jìn)行篩查管理，開發(fā)副經(jīng)理可對B類油井進(jìn)行篩查管理，作業(yè)區(qū)技術(shù)管理室可對C、D類油井進(jìn)行篩查管理。

實現(xiàn)油井在系統(tǒng)中的自動分類，可大幅提升技術(shù)管理效率，為管理人員開展針對性的技術(shù)政策提供快速、準(zhǔn)確的依據(jù)，創(chuàng)新了管理手段，提升了分析決策能力。

2.5 安全預(yù)警分類管理技術(shù)配套

安全預(yù)警管理是油田生產(chǎn)安全的重要管理手段之一，在實際應(yīng)用中，一方面由于報警數(shù)據(jù)量大，人為處理工作量大，易造成員工視覺疲勞和抵觸心理，一方面對于重點報警參數(shù)摻雜在報警信息中，處理不及時，存在安全隱患，需完善安全預(yù)警系統(tǒng)功能，優(yōu)化報警機制。

2.5.1 系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀

數(shù)字化安全預(yù)警系統(tǒng)集中了各站點的可燃?xì)怏w濃度、溫度、壓力、液位、流量等數(shù)據(jù)，報警多，處理任務(wù)重，監(jiān)控難度大。

2.5.2 功能配套

1）報警參數(shù)設(shè)置

在技術(shù)管理上，由業(yè)務(wù)部門規(guī)范報警參數(shù)點，屏蔽無關(guān)緊要的參數(shù)報警，只針對生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重點參數(shù)進(jìn)行報警上下限設(shè)置。

2）報警參數(shù)升級

按照經(jīng)理、調(diào)控中心主任、調(diào)控中心調(diào)度員、站長、值班員工的管理級別劃分，將報警分“A、B、C、D、E”五級，當(dāng)出現(xiàn)報警時，每延時30 min處理，報警級別自動升級，并以短信方式告知相應(yīng)負(fù)責(zé)人，直至報警處理結(jié)束。

通過精簡報警參數(shù)，減少報警處理勞動強度，提升報警質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上，通過報警參數(shù)升級的功能配套，從系統(tǒng)應(yīng)用上優(yōu)化了報警機制，報警的升級將作為責(zé)任追溯依據(jù)，強化了生產(chǎn)安全管理。

3 存在問題及改進(jìn)措施

3.1 站點數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)配套存在問題及改進(jìn)措施

長慶油田站點數(shù)量眾多，全面升級站點自動化，成本高；其次，對于老工藝模式的站點而言，管線及設(shè)備老化，流程相對復(fù)雜，配套自動化后，非但不能解決現(xiàn)場問題，反而增加員工工作量。

站點的數(shù)字化配套應(yīng)建立在工藝流程優(yōu)化簡化的基礎(chǔ)上，因此，站點自動化配套應(yīng)從新工藝模式著手配套，先行完善撬裝站點的自動化配套，并在油田維護(hù)改造的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字化配套，逐步推進(jìn)站點的自動化升級。

3.2 SCADA系統(tǒng)推廣存在問題及改進(jìn)措施

油田SCADA系統(tǒng)從運行來說，比獨立站控系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠；從系統(tǒng)維護(hù)來說，更加省時省力；從系統(tǒng)應(yīng)用來說，更加實用高效。

1）SCADA系統(tǒng)建設(shè)初期，忽略了不同職能部門的不同需求，應(yīng)當(dāng)在系統(tǒng)中分配不同的權(quán)限，給不同管理者制定相應(yīng)監(jiān)控界面，滿足站點、井區(qū)、作業(yè)區(qū)工程、地質(zhì)、安全、調(diào)度等不同層面的監(jiān)控需求。

2）隨著油田維護(hù)、油水井不斷調(diào)整變化，系統(tǒng)也應(yīng)隨著油田開發(fā)進(jìn)行更新，而目前自主維護(hù)人才相對較少。應(yīng)當(dāng)在SCADA系統(tǒng)建設(shè)推廣時，讓技術(shù)人員參與建設(shè)，使技術(shù)人員具備系統(tǒng)常規(guī)維護(hù)及基本開發(fā)能力，如油水井、站點新增數(shù)據(jù)點的連接調(diào)試，報表調(diào)試。才能確保SCADA系統(tǒng)的正常運行。

3）網(wǎng)絡(luò)的好壞直接影響SCADA系統(tǒng)是否能夠正常運行，因此必須完善網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中的薄弱環(huán)節(jié)、加強網(wǎng)絡(luò)設(shè)備日常維護(hù)。SCADA服務(wù)器集中采集數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)安全也是系統(tǒng)運行中需要重視的問題。

4 結(jié)論與展望

在生產(chǎn)管理中，按照以用促建的原則，不斷改進(jìn)完善數(shù)字化建設(shè)，探索出了適用于不同環(huán)境，不同生產(chǎn)流程的數(shù)字化配套技術(shù)，為數(shù)字化的全面覆蓋提供了技術(shù)保障。在地面工藝流程優(yōu)化、簡化的基礎(chǔ)上，配套適用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動化技術(shù)，必將提高生產(chǎn)管理水平，減少員工勞動強度、提高安全生產(chǎn)水平。不斷完善前端數(shù)據(jù)采集，為中端系統(tǒng)的綜合利用提供了數(shù)據(jù)支撐。油井分類管理，安全預(yù)警分類分級管理，綜合治理防盜管理是挖掘數(shù)據(jù)價值的重要體現(xiàn)，為生產(chǎn)、安全、安防的精細(xì)管理提供了分析決策手段，是實現(xiàn)精細(xì)化管理的技術(shù)創(chuàng)新。

1）長慶油田在面向生產(chǎn)操作過程的數(shù)字化技術(shù)配套方面作出了有益的探索和實踐，并取得一定的效果，為“油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（A11）”積累了經(jīng)驗。

2）不斷完善數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)配套，有利于提升油田生產(chǎn)自動化、信息化水平和企業(yè)形象。

3）SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、集中控制優(yōu)勢，將促進(jìn)作業(yè)區(qū)由按區(qū)域管理的模式向按集輸、注水流程管理的方式轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)單元職能由目前的生產(chǎn)運行管理向?qū)I(yè)技術(shù)管理轉(zhuǎn)變。

4）數(shù)字化系統(tǒng)功能完善只有與工藝改造，地質(zhì)研究、生產(chǎn)安全、綜合治理相結(jié)合，才能為油田實現(xiàn)精細(xì)化管理提供技術(shù)支撐。

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