采油作業(yè)區(qū)SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用研究

刁海勝，王軍鋒，孫 明，鄭新軍，鄭國玉，羅凌燕，朱文濤，章占強

（中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川　750006）

智能油化工程

采油作業(yè)區(qū)SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用研究

刁海勝，王軍鋒，孫 明，鄭新軍，鄭國玉，羅凌燕，朱文濤，章占強

（中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川750006）

采油作業(yè)區(qū)SCADA系統(tǒng)的建設(shè)，實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)鏈的標(biāo)準(zhǔn)化程序、站控系統(tǒng)驅(qū)動的標(biāo)準(zhǔn)化升級和用戶權(quán)限的統(tǒng)一集中管理，有效地提升了站控系統(tǒng)運行的速度、穩(wěn)定性、可靠性和安全性，其核心是實時監(jiān)控與報警，但在此過程中錄取了大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于地域分散、難于同步獲取多點參數(shù)的采油作業(yè)區(qū)而言，具有非常重要的意義，因此數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用是對SCADA系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)采集功能拓展，針對采油廠大量的數(shù)據(jù)匯總、應(yīng)用、分析不斷拓展軟件功能、開發(fā)配套工具，將分散于油區(qū)的各數(shù)據(jù)點按照規(guī)律納入統(tǒng)一的管理體系，為油田開發(fā)提供大量客觀、真實的數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)；轉(zhuǎn)發(fā)；應(yīng)用

長慶油田自1997年引進SCADA系統(tǒng)，已在靖邊氣田、榆林氣田、三個輸油處的長輸管線得到廣泛應(yīng)用和普遍認(rèn)可。蘇里格氣田自2005年規(guī)模開發(fā)以來，首先在集氣站采用站控系統(tǒng)進行就地控制、遠程監(jiān)視。2009年又進一步探索采用SCADA系統(tǒng)完成從井口到集氣站的無人值守，實現(xiàn)了蘇里格氣田增產(chǎn)不增人。

2013年，長慶油田在采油三廠油房莊作業(yè)區(qū)開展了國產(chǎn)SCADA軟件在采油廠生產(chǎn)管理中的項目試驗，利用一年的時間完成了兩個作業(yè)區(qū)的試點建設(shè)，并最終形成長慶油田采油作業(yè)區(qū)SCADA系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，截止2015年采油三廠13個作業(yè)區(qū)、318座站點、5 139口油井、2 068口注水井，7 698臺設(shè)備，154 752個數(shù)據(jù)采集點已全部完成SCADA系統(tǒng)建設(shè)并上線運行。作業(yè)區(qū)SCADA系統(tǒng)的建設(shè)，實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)鏈的標(biāo)準(zhǔn)化程序、站控系統(tǒng)驅(qū)動的標(biāo)準(zhǔn)化升級和用戶權(quán)限的統(tǒng)一集中管理，有效地提升了站控系統(tǒng)運行的速度、穩(wěn)定性、可靠性和安全性。

1　SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用方式

SCADA系統(tǒng)在實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、展示、轉(zhuǎn)發(fā)等功能的基礎(chǔ)上［1］，按照“集成化、數(shù)字化、可視化和個性化”的技術(shù)路線，集成、整合長慶油田數(shù)字化現(xiàn)有的綜合資源，創(chuàng)新技術(shù)和管理理念，充分利用最新的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)整合技術(shù)、數(shù)據(jù)共享與交換技術(shù)，建立統(tǒng)一的生產(chǎn)管理、綜合研究的SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)“同一平臺、信息共享、多級監(jiān)視、分散控制”，從數(shù)字化增壓橇、注水系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)等方面入手，達到強化安全、過程監(jiān)控、節(jié)約人力資源和提高效益的目標(biāo)，同時根據(jù)數(shù)據(jù)的應(yīng)用方式不同劃分為以下三類。

1.1SCADA系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)調(diào)用

充分利用SCADA系統(tǒng)，拓展基本功能，在不影響系統(tǒng)實現(xiàn)正常、穩(wěn)定采集數(shù)據(jù)的前提下，將注水井控制、數(shù)字化增壓橇控制納入應(yīng)用，綜合利用實時采集的注水井瞬時流量、數(shù)字化增壓橇液位、穩(wěn)流配水功能以及外輸泵遠程控制功能，實現(xiàn)注水和輸油邏輯的簡單判斷，將頻繁的、人工操作的工作由系統(tǒng)完成（見圖1）。

圖1　SCADA系統(tǒng)功能拓展

1.2充分利用軟件接口標(biāo)準(zhǔn)

OPC是一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，用于過程控制和制造業(yè)自動化系統(tǒng)［2］。OPC接口既適用于通過網(wǎng)絡(luò)把最下層的控制設(shè)備的原始數(shù)據(jù)提供給作為數(shù)據(jù)的使用者的SCADA系統(tǒng)，批處理等自動化程序，以至更上層的歷史數(shù)據(jù)庫等應(yīng)用程序，也適用于應(yīng)用程序和物理設(shè)備的直接連接。所以O(shè)PC接口是適用于很多系統(tǒng)的具有高厚度柔軟性的接口標(biāo)準(zhǔn)［3，4］。

充分利用OPC這一連接數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)的使用者之間的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自由通信，目前利用OPC方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)包括生產(chǎn)指揮系統(tǒng)、注水井工況管理系統(tǒng)、數(shù)字化運維系統(tǒng)等，因此可以借鑒目前的數(shù)據(jù)傳輸方式，綜合利用OPC等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工具實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，將數(shù)據(jù)提供給各類信息系統(tǒng)進行分析，同時能夠?qū)⒎治鼋Y(jié)果反饋給SCADA系統(tǒng)，以提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力。

1.3開發(fā)專用工具轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)

針對需要提取固定數(shù)據(jù)格式的信息系統(tǒng)、報表系統(tǒng)而言，開發(fā)專用的轉(zhuǎn)發(fā)工具，實現(xiàn)工業(yè)庫數(shù)據(jù)向其他信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)發(fā)的過程，確保系統(tǒng)能夠按照需求的時間、數(shù)據(jù)格式、采集周期提供有效的數(shù)據(jù)（見圖2）。

圖2　專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工具開發(fā)

2　SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用

長慶油田于2009年起全面推進油田數(shù)字化建設(shè)，由于建設(shè)推廣速度較快，造成了前期獨立的單機版站控存在一定的問題，成為制約數(shù)字化深入應(yīng)用的瓶頸。2013年，為克服前期站控系統(tǒng)中存在的問題，提升數(shù)字化在作業(yè)區(qū)層面的運行效果，長慶油田開始推廣作業(yè)區(qū)SCADA系統(tǒng)，截止2015年采油三廠13個作業(yè)區(qū)全部完成系統(tǒng)建設(shè)并上線運行，經(jīng)過近3年的建設(shè)實踐和應(yīng)用探索，軟件設(shè)計、功能實用性等方面仍存在問題需要完善，同時綜合SCADA系統(tǒng)在分散管理、集中控制的優(yōu)勢，積極與新工藝、新技術(shù)相結(jié)合，針對精細注水控制、數(shù)字化增壓橇遠程控制方式優(yōu)化等方面拓展應(yīng)用。

2.1SCADA系統(tǒng)功能拓展應(yīng)用

SCADA系統(tǒng)通過調(diào)用內(nèi)部數(shù)據(jù)實現(xiàn)各類功能具有直觀、高效、實時的特點，適用于對數(shù)據(jù)實時性要求較高的應(yīng)用，例如參數(shù)實時監(jiān)控、管線數(shù)據(jù)對比、設(shè)備的控制等，但其缺點就是要求具備較高的可靠性、實現(xiàn)邏輯簡單，不適合大量數(shù)據(jù)的分析、計算類應(yīng)用。

2.1.1注水井遠程自動調(diào)配功能基于SCADA系統(tǒng)MYSql關(guān)系庫的應(yīng)用，將實際注水量與配注實時對比，根據(jù)全天注水目標(biāo)值對注水井進行自動下發(fā)配注量和配注命令，實現(xiàn)注水自動化，以桐寨作業(yè)區(qū)為例，通過注水自動調(diào)配功能的實現(xiàn)，撤除了66座配水間2 h注水監(jiān)控報表，207口注水井實現(xiàn)遠程自動調(diào)配，縮短注水管理半徑，實現(xiàn)了注水的扁平化管理。作業(yè)區(qū)注水量完成率100%，配注合格率100%，精細注水管理的長效機制更趨完善，推動了注水工作的創(chuàng)新管理新模式。

2.1.2數(shù)字化增壓橇連續(xù)輸油功能通過軟件功能優(yōu)化結(jié)合現(xiàn)場外輸泵重新選型，將單螺桿泵更換為柱塞泵，降低外輸頻率，將啟泵間隔由每15 min一次變?yōu)殚L輸，降低冬季運行外輸壓力，實現(xiàn)下游站點的平穩(wěn)運行。以大水坑作業(yè)區(qū)為例，黃24增壓站投產(chǎn)于2013年，是一座分體撬裝增壓站，日產(chǎn)液80 m3，外輸泵采用2臺單螺桿泵，因含水較高，螺桿泵的維修頻次非常高，加之螺桿泵維修材料貴、維修難度較高，自投產(chǎn)以來月維修費用達1萬元；與此同時黃24增壓站運行中起泵間隔為15 min，冬季運行中易造成外輸壓力高，管線凍堵等風(fēng)險；為解決以上矛盾，將單螺桿泵更換為維修方便、維修費用低廉的柱塞泵，調(diào)整變頻器外輸頻率為18 Hz，實現(xiàn)了長輸功能。變頻器的頻率降為18 Hz后，當(dāng)日停泵3次，極大地降低了管線凍堵的風(fēng)險，長輸前外輸壓力在1.5 MPa～2 MPa，實現(xiàn)長輸后壓力降至0.5 MPa～1.0 MPa，降低了外輸管線破裂刺漏的風(fēng)險。

2.2信息化系統(tǒng)分析及應(yīng)用

信息化系統(tǒng)是基于計算機技術(shù)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信，綜合多種學(xué)科，將各類信息數(shù)據(jù)化，進行分類應(yīng)用，SCADA系統(tǒng)通過OPC接口標(biāo)準(zhǔn)向?qū)I(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，以最便捷的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)向采油廠、油田公司等更多層次的共享，使數(shù)據(jù)的覆蓋范圍更加廣泛，但由于OPC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的環(huán)節(jié)較多，因此其缺點也較為明顯，數(shù)據(jù)的實時性與穩(wěn)定性較SCADA系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)用差一些。

2.2.1歷史數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用充分利用SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)在油田注水管理方面的應(yīng)用，通過利用歷史數(shù)據(jù)繪制配水間各水井曲線，能清晰地分析出注水系統(tǒng)的壓力、注水井管線壓力的變化。能通過曲線成功地分析出水井注水量的超欠、注水的平穩(wěn)性，在實行精細化注水管理上進行了實質(zhì)性的提升。

利用分水器壓力曲線的查看，則能直接反映出整個注水系統(tǒng)壓力的正常。出現(xiàn)壓力下降較大，則能說明該配水間上游供水站的注水泵出現(xiàn)問題，從而該配水間壓力無法達到，能迅速找到注水系統(tǒng)中的故障出現(xiàn)點。利用對注水井匯管壓力曲線的查看，可以實時監(jiān)控注水管線運行是否正常，如果出現(xiàn)注水管線泄漏則能第一時間發(fā)現(xiàn)。

2.2.2油井工況診斷與功圖計產(chǎn)應(yīng)用油井工況診斷與功圖計產(chǎn)應(yīng)用是最典型的工控系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合利用的實例，通過開發(fā)專用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工具，SCADA系統(tǒng)將前端實時采集的大量過程數(shù)據(jù)以約定的格式發(fā)送至用于工況診斷以及功圖計產(chǎn)應(yīng)用的專業(yè)數(shù)據(jù)庫中，將大量的數(shù)據(jù)分析、判斷工作交給專業(yè)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)完成，一方面減輕了SCADA系統(tǒng)在功圖轉(zhuǎn)發(fā)過程中的系統(tǒng)壓力，提升了SCADA系統(tǒng)在數(shù)據(jù)實時采集方面的穩(wěn)定性，另一方面有效地發(fā)揮了信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力（見圖3）。

圖3　SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用

3　結(jié)論及取得的認(rèn)識

長慶油田SCADA系統(tǒng)在采油三廠應(yīng)用的近3年過程中，在不斷完善功能的基礎(chǔ)上，充分考慮作業(yè)區(qū)生產(chǎn)運行的實際需求，以“降低勞動強度、提高勞動生產(chǎn)率、規(guī)避安全風(fēng)險”為目標(biāo)，實現(xiàn)了“系統(tǒng)監(jiān)控層級化、功能應(yīng)用多元化、業(yè)務(wù)管理流程化”的創(chuàng)新應(yīng)用，同時在數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用過程中也得出了以下結(jié)論。

作業(yè)區(qū)SCADA系統(tǒng)作為現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的一個組成部分，其軟、硬件，均為標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)級產(chǎn)品，它是基于可靠的實時數(shù)據(jù)庫完成現(xiàn)場儀表信號采集、工藝流程集中展示、PID調(diào)節(jié)控制、數(shù)據(jù)的報警、歷史趨勢瀏覽、系統(tǒng)事件的管理，側(cè)重點是工業(yè)控制，因此，SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用的前提是充分考慮應(yīng)用的側(cè)重點，以實時監(jiān)視、控制為重點的應(yīng)用則能夠集成在SCADA系統(tǒng)中，而針對大量的數(shù)據(jù)計算、分析功能的應(yīng)用則應(yīng)充分利用OPC等標(biāo)準(zhǔn)或開發(fā)的專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工具，將數(shù)據(jù)交給專業(yè)的信息系統(tǒng)處理。

SCADA系統(tǒng)作為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，具有系統(tǒng)架構(gòu)是分層結(jié)構(gòu)、層次清晰、功能劃分合理等優(yōu)點，同時SCADA系統(tǒng)應(yīng)用了成熟的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，功能強大，接口開放，便于多種功能的開發(fā)，針對目前SCADA系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀就今后數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展方向取得以下幾點認(rèn)識：

（1）SCADA系統(tǒng)前端大量的實時數(shù)據(jù)需要按照應(yīng)用方式不同將數(shù)據(jù)應(yīng)用途徑進行劃分，一方面根據(jù)數(shù)據(jù)的應(yīng)用規(guī)模大小可以適當(dāng)?shù)脑谀壳暗目蛻舳讼到y(tǒng)中集成，降低硬件采購以及軟件研發(fā)費用，并且有利于系統(tǒng)后期的擴展，另一方面通過開發(fā)各類信息系統(tǒng)，實現(xiàn)邏輯、計算等較為復(fù)雜的功能。

（2）實時數(shù)據(jù)采集以及控制方向的應(yīng)用按照系統(tǒng)進行綜合考慮，充分利用SCADA系統(tǒng)站與站間的實時關(guān)系，首先實現(xiàn)站點內(nèi)的自主控制，即脫離系統(tǒng)站點仍然能夠正常運行，以這項功能的實現(xiàn)為出發(fā)點，綜合考慮整個集輸或注水系統(tǒng)，實現(xiàn)集輸管網(wǎng)壓力平穩(wěn)、注水壓力平衡補償?shù)哪康摹?/p>

（3）SCADA系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)綜合分析應(yīng)當(dāng)是今后應(yīng)用的重要方向，針對系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)的應(yīng)用進行長遠規(guī)劃，提前對后續(xù)分析要用的數(shù)據(jù)進行整理、收集，通過長期的數(shù)據(jù)分析找到設(shè)備、管線等油田關(guān)鍵設(shè)施的運行或老化規(guī)律。

（4）目前，前端仍有大量的數(shù)據(jù)有待利用，針對SCADA系統(tǒng)已采集的電參等數(shù)據(jù)開展專項分析，利用專業(yè)的分析軟件平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)效率、電量計量等在線計量的功能實現(xiàn)。

［1］OPC Foundation.OPC Data Access Automation Interface Standard［J］.Version 2.03，2000.

［2］ 邢建春，等.工業(yè)控制軟件互操作標(biāo)準(zhǔn)OPC綜述［J］.工業(yè)控制計算機，2000，13（1）：29-32.

［3］ 譚浩強.C程序設(shè)計［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1991.

［4］ 裘宗燕.從問題到程序［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

TP274.2

A

1673-5285（2016）05-0104-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.05.027

2016－04-26

刁海勝，男（1985-），工程師，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）自動化專業(yè)，獲得學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為長慶油田采油三廠數(shù)字化與科技信息中心技術(shù)及運維管理室副主任，主要研究方向為自動化儀表，郵箱：250988062@qq.com。