采油摻水區(qū)域物聯(lián)自控技術(shù)優(yōu)化研究

王雪冰，童慧芳（中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院，山東東營(yíng)，257000）

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采油摻水區(qū)域物聯(lián)自控技術(shù)優(yōu)化研究

王雪冰，童慧芳
（中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院，山東東營(yíng)，257000）

摘 要：油田稠油井摻水是采油開發(fā)的重要工作。為解決人工控制的摻水精度差、效率低、成本高的問題，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油田前端開發(fā)裝配網(wǎng)關(guān)，對(duì)儀表設(shè)備進(jìn)行信息采集，完成閥門步幅微調(diào)控制等；在遠(yuǎn)程管理中心，研發(fā)集中控制平臺(tái)，對(duì)各個(gè)摻水計(jì)量站的流量計(jì)、壓力表和介質(zhì)溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與處理，實(shí)現(xiàn)了通過油井前端網(wǎng)關(guān)對(duì)油井摻水優(yōu)化管理與自動(dòng)化控制。本文所研究的項(xiàng)目對(duì)我國(guó)稠油井摻水時(shí)，控制水電浪費(fèi)、增加油井采油產(chǎn)量等方面有積極作用。

關(guān)鍵詞：摻水自控；無線多跳網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)優(yōu)化

引言

由于我國(guó)實(shí)際地質(zhì)特點(diǎn)，在油田各類油井中稠油井所占有比例達(dá)到了30%，而通過熱采摻水工藝進(jìn)行驅(qū)油的采油方式占比約80%。通過提高稠油井摻水自動(dòng)化的生產(chǎn)能力，保證摻水生產(chǎn)合理使用，優(yōu)化油井節(jié)能規(guī)劃，降低成本，節(jié)能減排，并對(duì)石油生產(chǎn)量提供有力支持，對(duì)油井摻水出油工作進(jìn)行準(zhǔn)確的管控已經(jīng)迫在眉睫。

從現(xiàn)國(guó)內(nèi)研究的情況看，油田行業(yè)缺少基于中小型油區(qū)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)，油田主要采用PLC技術(shù)進(jìn)行大型自控推廣。但隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展，特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的靈活性和低成本，對(duì)實(shí)現(xiàn)局部小油區(qū)的自控生產(chǎn)，有非常大的優(yōu)勢(shì)［1-3］。在未來“數(shù)字化油田”的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建規(guī)劃中，本研究可以起到一定的示范參考作用。

1 基于無線多跳網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域性自控物聯(lián)框架

利用傳統(tǒng)自控與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，提升油田摻水工藝的數(shù)字化管控。前端采用嵌入式開發(fā)技術(shù)，對(duì)儀表、閥門和輸送泵進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制總體設(shè)計(jì)規(guī)劃，使管道壓力控制在合理的MPA區(qū)間，摻水介質(zhì)流量根據(jù)單井要求靈活控制［4］。在通信鏈路中，可利用無線多跳網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，應(yīng)用無線通訊5.8GHz處理模塊完成無線路由算法，依據(jù)802.11n，在300Mbps帶寬上實(shí)現(xiàn)雙工通信；開發(fā)可擴(kuò)展無線中繼鏈路帶寬算法，從而滿足油井摻水站多媒體信息傳輸?shù)男诺缼捯蟆９芾響?yīng)用平臺(tái)擬采用3D仿真技術(shù)，利用JAVA等語言開發(fā)數(shù)字化摻水流程，達(dá)到直觀、簡(jiǎn)易的管控界面。應(yīng)用優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 摻水自控優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖

（1）前端開發(fā)網(wǎng)關(guān)

利用嵌入式和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，解決工業(yè)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信，控制流量控制閥門、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部件；同時(shí)根據(jù)電磁流量計(jì)的波動(dòng)反饋，微調(diào)閥門的開閉幅度，解決前端的自控需求。控制前移，實(shí)現(xiàn)了中心軟件管理平臺(tái)的遠(yuǎn)程控制，保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全應(yīng)急級(jí)別。

（2）無線信道

根據(jù)油田油井分布位置，以及主次突出的特點(diǎn)，信息傳送采取多樣化。以3-5公里為界，進(jìn)行無線多跳網(wǎng)絡(luò)通訊的功能性研究［5］，組網(wǎng)形式可以分成兩個(gè)步驟：一是以無線網(wǎng)橋的形式搭建無線網(wǎng)絡(luò)。其路由優(yōu)化和自組網(wǎng)的能力較弱，只能實(shí)現(xiàn)固定通訊鏈路的數(shù)據(jù)傳輸，優(yōu)勢(shì)是穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。二是在第一步的硬件基礎(chǔ)上，構(gòu)建第二代WiFi為基礎(chǔ)的多跳網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行路由優(yōu)化、信道平衡、信道鏈路優(yōu)化、自主安全管理等功能模塊研發(fā)。WiFi和無線多跳網(wǎng)絡(luò)可以相互補(bǔ)充、相互融合，實(shí)現(xiàn)多協(xié)議的傳輸組合，實(shí)現(xiàn)了靈活處理油井摻水節(jié)點(diǎn)的故障信道切換、帶寬合并等技術(shù)應(yīng)用，解決了油田特殊環(huán)境的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和多媒體的傳輸要求。

（3）基于B/S架構(gòu)的3D管控平臺(tái)開發(fā)

利用JAVA語言的WEB開發(fā)技術(shù)，結(jié)合組態(tài)軟件、3D仿真的配套開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的管控平臺(tái)［6］。在實(shí)現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)采集、臨界報(bào)警等功能基礎(chǔ)上，進(jìn)行遠(yuǎn)程的流量數(shù)值設(shè)定和輸送泵的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)的功能提升研究，以及對(duì)壓力、溫度、流量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析，形成關(guān)聯(lián)算法，進(jìn)而提高了中心管控平臺(tái)的聯(lián)動(dòng)及應(yīng)急處理能力。中心管控系統(tǒng)平臺(tái)只對(duì)管道流量進(jìn)行一次性數(shù)值輸入，其他環(huán)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)干預(yù)，方便采油工的操作。

2 摻水中心管控平臺(tái)的優(yōu)化研究

在前端，利用傳感器、應(yīng)用網(wǎng)關(guān)、采集壓力表、電磁流量計(jì)等采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，程序控制執(zhí)行操作機(jī)構(gòu)，有效觸動(dòng)電動(dòng)閥門，控制行程，形成對(duì)流量的實(shí)時(shí)控制。而中心摻水控制平臺(tái)研究包括：

（1）在提升采油礦數(shù)字化指揮管理的同時(shí)，以目前的摻水業(yè)務(wù)為基礎(chǔ)，分析、提煉出業(yè)務(wù)核心內(nèi)容，并給其提供新的管理方法和模式，提升其管理水平；

（2）依靠標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合業(yè)務(wù)管理的實(shí)際需求，形成采油礦的摻水?dāng)?shù)據(jù)資料管理體系，這是非常重要的基礎(chǔ)工作；

（3）運(yùn)用先進(jìn)的軟件技術(shù)，開發(fā)出能夠切實(shí)滿足業(yè)務(wù)需要的軟件系統(tǒng)，也是摻水優(yōu)化的技術(shù)關(guān)鍵；

（4）管控平臺(tái)總體架構(gòu)：系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，一方面使用B/S開發(fā)體系，采用目前先進(jìn)的三層結(jié)構(gòu)，分別在數(shù)據(jù)層、功能邏輯層和表現(xiàn)層，結(jié)合油田的統(tǒng)一數(shù)據(jù)編制標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)功能、WEB 界面設(shè)計(jì)，達(dá)到邏輯數(shù)據(jù)源和標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。另一方面利用組態(tài)軟件的自控開發(fā)功能，對(duì)前端儀器、儀表數(shù)據(jù)采集，整合控制相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，納入B/S開發(fā)體系，從而提高摻水應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)的靈活性和網(wǎng)絡(luò)性；

（5）管控軟件平臺(tái)主要技術(shù)：①物理層——信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸層，是采油廠源點(diǎn)數(shù)據(jù)源，匯總到平臺(tái)形成摻水控制信息；②功能邏輯層——在業(yè)務(wù)數(shù)字平臺(tái)，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)及源數(shù)據(jù)的綜合運(yùn)算，在應(yīng)用服務(wù)器上有效調(diào)用摻水綜合管理功能模塊，從而實(shí)現(xiàn)摻水、報(bào)警、閥控、調(diào)度、泵控等處理功能和具體應(yīng)用。③表現(xiàn)層——該門戶系統(tǒng)提供用戶驗(yàn)證、應(yīng)用定制、外部系統(tǒng)接口的功能。門戶系統(tǒng)通過對(duì)業(yè)務(wù)邏輯層的定制，為用戶定制三維的應(yīng)用界面。

3 摻水物聯(lián)優(yōu)化的技術(shù)應(yīng)用思路

摻水控制物聯(lián)信息化是把前端摻水傳感器和各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為信號(hào)源和指令操作對(duì)象，通過前端數(shù)據(jù)采集、信令轉(zhuǎn)換、傳輸，結(jié)合中心自控指令進(jìn)行一級(jí)調(diào)控；同時(shí)利用無線多跳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行TCP/IP協(xié)議傳輸，使中心與前端實(shí)現(xiàn)自控指令、圖像、視頻等信息交互，保證通過應(yīng)用平臺(tái)對(duì)摻水?dāng)?shù)據(jù)整理、匯總、分析、處理的同時(shí)，形成對(duì)前端摻水執(zhí)行設(shè)備的二級(jí)管控。

（1）前端可采用32位嵌入式應(yīng)用型網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)本地化儀表與閥門之間的聯(lián)動(dòng)微調(diào)，減輕對(duì)中心管理平臺(tái)的依賴，具有應(yīng)急處理功能，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確和高效性。 前端采集和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的整合原理圖，如圖2所示。

圖2 前端采集原理圖

（2）無線通信鏈路的多跳網(wǎng)絡(luò)算法技術(shù)應(yīng)用，提升信道帶寬。稠油井的信息占用帶寬主要有兩部分：一部分為應(yīng)用網(wǎng)關(guān)與摻水管控服務(wù)器的雙工摻水?dāng)?shù)據(jù)流；另一部分為中心視頻服務(wù)平臺(tái)與前端攝像機(jī)的視頻采集分發(fā)的視頻流。其中應(yīng)用網(wǎng)關(guān)與摻水管控服務(wù)器的雙工數(shù)據(jù)流基本維持在K數(shù)量級(jí)，依據(jù)100油井的摻水核算標(biāo)準(zhǔn)，單位時(shí)間的占用帶寬可以維持在5MBPS以內(nèi)。而中心視頻服務(wù)平臺(tái)所需的帶寬可以根據(jù)一個(gè)平臺(tái)的滿負(fù)荷前端數(shù)量50%的視頻進(jìn)行同時(shí)監(jiān)看和并發(fā)規(guī)模進(jìn)行規(guī)劃。在無線基站建設(shè)中，為了保證支持多頻段信道，防止干擾，最大限度的節(jié)省光纖鋪設(shè)或租用成本，邊緣型基站和主干線路基站的通訊信道可采用5.8GHz頻段設(shè)備。另外根據(jù)基站信號(hào)的傳播特性，以及圓極化天線相比傳統(tǒng)的線極化天線擁有更多的優(yōu)良性能，如在惡劣天氣、移動(dòng)環(huán)境、非視距等復(fù)雜環(huán)境下能提供更好的有效信號(hào)連接，因此作為無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基礎(chǔ)通訊部分，增加功率增益設(shè)備，在無線通道中使用圓極化天線。由于大部分稠油井都分布在野外荒原中，為了更好地保證無線鏈路的帶寬通信安全，還需加強(qiáng)避雷、電源防雷和信號(hào)防雷的優(yōu)化處理。

（3）中心管控平臺(tái)采用3D仿真技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬，動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地顯示前端各設(shè)備的生產(chǎn)工作狀況。以單個(gè)油井為統(tǒng)計(jì)單位，通過對(duì)摻水管路的瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、動(dòng)態(tài)壓力、水溫、油溫等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；通過中心管控平臺(tái)的WEB操作界面，對(duì)摻水動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的進(jìn)行二維和三維數(shù)字和模擬顯示，并可設(shè)定時(shí)間、數(shù)值邊界等各類條件，還可設(shè)置關(guān)鍵詞進(jìn)行查詢、核算、匯總，還可輸出相應(yīng)的日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表和年報(bào)表等。

總之，每個(gè)摻水油區(qū)管轄多個(gè)摻水站，中心管控平臺(tái)以摻水站為管理單位，設(shè)置操作編輯、查詢、修改以及刪除等功能，還要重點(diǎn)加強(qiáng)摻水預(yù)警、報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)管理分析等多個(gè)模塊的研發(fā)。

4 結(jié)論

在采油區(qū)，研究區(qū)域物聯(lián)自控技術(shù)，主要基于“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)，前端采用微處理器為中心，形成嵌入式、網(wǎng)關(guān)處理的一級(jí)自控；中間信道基于無線多跳網(wǎng)路技術(shù)；后臺(tái)利用JAVA和WEB管理開發(fā)體系，形成了二級(jí)自動(dòng)管控的摻水管理系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)的PLC自控技術(shù)在采油摻水區(qū)域運(yùn)行成本高、靈活性低、邏輯固化、難推廣等問題。本優(yōu)化方案對(duì)油田的其他中小區(qū)域自控網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)提供了應(yīng)用參考示范。

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Oil Water Area “WuLian” Optimization of Automatic Control Technology

Xuebing Wang， Huifang Tong
（Victory College， China University of Petroleum， Dongying， Shandong， 257000， China）

Abstract：Oil wells of water is an important oil production development.In order to solve the problem manually controlled watering poor accuracy， low efficiency， high cost， the internet of things and other technology should be applied.In the oil field devlopment of front-end assembly gateway， completed information collection，the valve stride fine-tuning control.In the remote management center， researched and found centralized control platform， remote real-time data acquisition and processing of various watered metering station， the pressure gauge and the temperature of the medium.This research project has a positive effect on heavy oil control of China's hydropower waste and increases the oil extraction yield.

Key words：Water Control； Multi Hop Wireless Networks； Joint Optimization

中圖分類號(hào)：TE 19

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8412 （2016） 02-164-04

DOI：工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.014

作者簡(jiǎn)介：

王雪冰，工程碩士，副教授，現(xiàn)為中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院教師，于1997年畢業(yè)于北京師范大學(xué)電子信息專業(yè)，主要擔(dān)任了《軟件模式設(shè)計(jì)及應(yīng)用》、《網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與組建》等專業(yè)應(yīng)用類課程和《微機(jī)原理與接口技術(shù)》、《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》等專業(yè)基礎(chǔ)類課程?，F(xiàn)為工信部中國(guó)信息化推進(jìn)聯(lián)盟“應(yīng)急容災(zāi)專業(yè)委員會(huì)”專家委員、山東大學(xué)東營(yíng)研究院“信號(hào)與信息處理”領(lǐng)域特聘專家，天津大學(xué)碩士生校外指導(dǎo)教師。

E-mail： bbxxww2002@163.com