油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)在油田生產(chǎn)中的應用

張金闊

(玉門油田信息中心，甘肅酒泉735019)

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)在油田生產(chǎn)中的應用

張金闊

(玉門油田信息中心，甘肅酒泉735019)

為了推進中國石油油氣生產(chǎn)信息化建設，提高油氣生產(chǎn)管理水平，實現(xiàn)信息化與工業(yè)化的融合，中國石油提出了建設油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術，建立覆蓋中國石油油氣地面生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、生產(chǎn)管理子系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動采集、生產(chǎn)過程的自動控制、生產(chǎn)工藝的流程優(yōu)化、遠程監(jiān)控，生產(chǎn)預警等功能，實現(xiàn)油氣生產(chǎn)過程管理，促進生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，從而提升油氣生產(chǎn)管理水平和綜合效益。

油氣生產(chǎn)；數(shù)據(jù)采集；TD－LTE；SCADA系統(tǒng)

Abstract：In order to promote China's oil production of oil and gas information construction,improve the management level of the oil and gas production and achieve the fusion of informatization and industrialization,China petroleum and construction of oil and gas production iot system is proposed.Oil and gas production iot system is to use the Internet of things technology,estab?lished China oil surface oil and gas production of each link of the data acquisition and monitoring subsystem,data transmission subsystem,production management subsystem,realize the automatic acquisition of production data,the automatic control of pro?duction process,production process optimization,remote monitoring,early warning functions such as production,oil and gas pro?duction process management,promote the transformation of production mode,so as to enhance the level of oil and gas produc?tion and management and comprehensive benefits.

Key words：oil and gas production;data acquisition;TD－LTE;SCADA system

1 項目背景

中國石油為加快業(yè)務領域信息化建設，全面提升企業(yè)整體管理水平，在2000年制定的《中石油信息技術總體規(guī)劃》的基礎上，結(jié)合公司的發(fā)展和信息系統(tǒng)建設情況，形成了《中國石油“十二五”信息技術總體規(guī)劃》清晰描述了中國石油在“十二五”期間的信息工作管理體制、組織結(jié)構(gòu)及主要工作內(nèi)容。“油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(A11)”是勘探開發(fā)與管理類中的一個重要信息系統(tǒng)建設項目，已被集團公司列為“十二五”信息技術總體規(guī)劃重點建設的三大標志性工程之一。

該系統(tǒng)圍繞油氣生產(chǎn)運行需要，以實現(xiàn)生產(chǎn)操作自動化和優(yōu)化生產(chǎn)管理流程為手段，提高工作效率，進而優(yōu)化勞動組織用工，服務油田生產(chǎn)的精細化管理，最終達到“增產(chǎn)增效不增員、節(jié)能、節(jié)約運行成本”的目的。玉門油田展開了數(shù)字化建設、建立全油田統(tǒng)一的生產(chǎn)管理、綜合研究的數(shù)字化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)“同一平臺、信息共享、多級監(jiān)視、分散控制”，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。

2 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的體系架構(gòu)

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)分為三部分，分別是數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)。

2.1 數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)功能

數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)主要實現(xiàn)運行參數(shù)自動采集、生產(chǎn)環(huán)境自動監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)設備狀態(tài)自動監(jiān)測、生產(chǎn)過程監(jiān)測及遠程控制功能。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)功能

數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的實現(xiàn)是以作業(yè)區(qū)為單位建立覆蓋所有生產(chǎn)單元的生產(chǎn)專網(wǎng)，在采油廠實現(xiàn)生產(chǎn)網(wǎng)與辦公網(wǎng)的物理隔離；針對數(shù)量眾多、分布零散的單井、計量間，采用無線傳輸方式解決生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集以及視頻信息的傳輸問題。

2.3 生產(chǎn)管理子系統(tǒng)功能

生產(chǎn)管理子系統(tǒng)提供生產(chǎn)過程監(jiān)測、生產(chǎn)分析與工況診斷、物聯(lián)網(wǎng)設備管理、視頻監(jiān)測、報表管理、數(shù)據(jù)管理、輔助分析與決策支持、系統(tǒng)管理、運維管理功能。

3 系統(tǒng)設計方案

3.1 感知層

3.1.1 視頻監(jiān)控

在油氣井場安裝130萬像素高清紅外網(wǎng)絡攝像機進行視頻圖像采集和處理，采用1.8GHz CPE將攝像機的視頻信號通過4G專網(wǎng)將信號傳輸至通信基站，經(jīng)過信號處理后傳輸至機房核心網(wǎng)，通過解碼設備可以在監(jiān)控大屏和終端軟件上顯示，同時將實時圖像存儲在NVR。系統(tǒng)分為兩級結(jié)構(gòu)；一級為油田數(shù)字化指揮中心——主要實現(xiàn)管理、監(jiān)視的功能；二級為作業(yè)區(qū)監(jiān)控室——主要實現(xiàn)控制、存儲和監(jiān)視的功能，視頻畫面接入油田辦公網(wǎng)，進行實時視頻采集、監(jiān)控，能夠及時監(jiān)控環(huán)境安全狀況和設備運行狀況。對環(huán)境安全狀況和設備運行狀況進行視頻分析預警，實現(xiàn)異常狀況的及時發(fā)現(xiàn)和處理。

3.1.2 機采井

在抽油機的懸繩器和工字卡之間安裝無線示功儀，能夠精準、同步地測試抽油機井的載荷、位移，并實時提供示功圖，根據(jù)測試的示功圖可分析油井工作情況，計算油井產(chǎn)量。在井口取源部件上安裝無線壓力表，測量油管、套管的壓力。在井場電控柜里安裝遠程智能電機測控單元，全天候監(jiān)測電機的三相電參和遠程控制抽油機的啟停，在遠程控制啟停前現(xiàn)場語音警示，提醒現(xiàn)場作業(yè)人員遠離電機運行危險區(qū)域。所有現(xiàn)場儀表和設備通過2.4G ZigBee將數(shù)據(jù)傳輸至RTU。

3.1.3 注水井

通過單井安裝無線壓力傳感器、流量計，智能流量控制器，實時采集注水井井口數(shù)據(jù)(其中包括井口壓力、瞬時流量、累計流量)通過2.4GZig Bee無線網(wǎng)絡發(fā)送到RTU終端，RTU將數(shù)據(jù)通過4G無線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理點(數(shù)據(jù)采集服務器)，數(shù)據(jù)處理點對采集的數(shù)據(jù)進行解析，解析后的數(shù)據(jù)通過WEB頁面展示出來。在自動狀態(tài)下，用戶能夠通過現(xiàn)場控制面板、遠程上位機人工設定瞬時流量，儀表根據(jù)設定的流量自動開啟或者關閉流量調(diào)節(jié)閥(PID控制)，實現(xiàn)對注水流量的控制要求；在手動狀態(tài)下，用戶可以通過按鍵或現(xiàn)場控制器設定，直接實現(xiàn)對注水流量的控制。存儲生產(chǎn)數(shù)據(jù)，方便、快捷查詢生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)，完成各種報表輸出。

3.2 網(wǎng)絡層

井場RTU數(shù)據(jù)需要進行低速數(shù)據(jù)的采集和傳輸，井場視頻監(jiān)控則要實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的采集和傳輸。油田視頻監(jiān)控和信息采集的主要難點在于：如果采用有線方式，網(wǎng)絡質(zhì)量較好，但成本極高，采油點分布交廣，較稀疏，為每個采油點都部署有線傳輸，工程成本極高，實現(xiàn)難度大。如果采用無線方式，雖然架設方便，但以2G、3G為代表的公網(wǎng)，傳輸速率低，鏈路傳輸時延高，僅能傳輸圖片或較低清晰度的少量攝像頭，且公網(wǎng)在采油區(qū)的覆蓋往往較差，無法滿足采油區(qū)的網(wǎng)絡覆蓋需求；遇到突發(fā)、緊急事件時，公網(wǎng)容易遇到擁塞、斷網(wǎng)等各種問題，難以滿足油田對通信的高可靠性要求。

基于以上考慮，我們采用了目前最先進、且已得到大規(guī)模應用和驗證的第四代移動通信技術，也就是LTE技術。LTE是目前國際上主流的新一代移動通信技術，采用OFDM(正交頻分復用)、MIMO(多天線)、HARQ、AMC等關鍵技術，傳輸速率高、時延低。很好地滿足了油氣田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的應用要求。

在無線通信系統(tǒng)中，頻段越高，傳輸損耗越大，覆蓋半徑越小。較低的頻段雖然覆蓋半徑大，但低頻段基本被占滿，很難獲取。目前用于專網(wǎng)的頻段，一般采用1800頻段(1785-1805MHz)，1800頻段的優(yōu)勢在于頻段資源較寬(一共10MHz)，因此傳輸速率高，可支持大量的高清視頻監(jiān)控，但覆蓋半徑較小，如果全部采用1800頻段組網(wǎng)，建網(wǎng)成本較高。LTE專網(wǎng)還可以采用230頻段，230頻段資源較窄，因此傳輸速率比1800頻段低，但由于頻段較低，因此覆蓋距離遠，建網(wǎng)成本低。

綜合考慮230頻段及1800頻段組網(wǎng)的優(yōu)劣勢，創(chuàng)新性地采用230、1800融合組網(wǎng)方案：利用LTE230系統(tǒng)實現(xiàn)廣覆蓋，解決采油區(qū)大范圍內(nèi)的信息采集業(yè)務需求(例如，油壓等數(shù)據(jù))；利用LTE1800覆蓋局部熱點地區(qū)，解決重要設備、采油點的視頻監(jiān)控需要。

3.3 應用層

SCADA系統(tǒng)提供生產(chǎn)過程監(jiān)測、生產(chǎn)分析與工況診斷、物聯(lián)網(wǎng)設備管理、視頻監(jiān)測、報表管理、數(shù)據(jù)管理、輔助分析與決策支持、系統(tǒng)管理、運維管理功能。

SCADA中心控制系統(tǒng)層由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)主要是平臺的建設如：工程師站、操作員站、通訊系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成；軟件系統(tǒng)主要是有SCADA站控軟件、組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、量油軟件、應用軟件以及服務器軟件等。SCADA中心控制系統(tǒng)主要負責完成整個系統(tǒng)及所轄油水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動采集、生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控，實現(xiàn)站內(nèi)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、安全風險預警提示、油水井工況動態(tài)分析、運行信息自動生成等功能，并與上位管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，達到對增壓點及所轄井場生產(chǎn)過程監(jiān)控的目的，以加快油田數(shù)字化快速建設，有效指導油田開發(fā)。

4 在生產(chǎn)中的應用

單井生產(chǎn)系統(tǒng)分析優(yōu)化系統(tǒng)平臺功能可劃分以下模塊：數(shù)據(jù)實時采集與傳輸、系統(tǒng)和專業(yè)數(shù)據(jù)庫管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、工況實時診斷分析、智能優(yōu)化決策與模式設計、生產(chǎn)系統(tǒng)智能控制、網(wǎng)上智能辦公等。實現(xiàn)實時采集、實時分析、實時控制、實施發(fā)布的整體目標。

4.1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控

新建并集成已有的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對采油、采氣、注水、集成等油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的各類參數(shù)的自動化采集與實時展示及異常報警。實現(xiàn)井場、站場等重點、關鍵設備運行參數(shù)的監(jiān)測，在監(jiān)控中心內(nèi)配合視頻監(jiān)控，可以24小時電子巡井、巡線、設備巡察。實現(xiàn)對生產(chǎn)參數(shù)的異常監(jiān)測、單點報警和基于系統(tǒng)拓撲關系的關聯(lián)預警。發(fā)現(xiàn)異常后維護隊伍及時到現(xiàn)場落實、維護，包括常見油井問題報警、常見水井問題報警、常見氣井問題報警、集輸管線報警、注水管網(wǎng)報警。

4.2 實時視頻監(jiān)控

對油氣生產(chǎn)過程的視頻采集、實施監(jiān)控和展示，以及視頻分析預警，包括檢測、統(tǒng)計、視頻報警和報警聯(lián)動。對采油井場、計量間、注水井場、注水泵站的環(huán)境和注采設備，集輸泵站的環(huán)境和重要的集輸設備，進行實時視頻采集、監(jiān)控，能夠及時監(jiān)控環(huán)境安全狀況和設備運行狀況。對環(huán)境安全狀況和設備運行狀況進行視頻分析預警，實現(xiàn)異常狀況的及時發(fā)現(xiàn)和處理。

4.3 功圖數(shù)據(jù)分析查詢

示功圖是作為反映有桿泵抽油機的工作狀態(tài)最直觀有效的分析手段。通過示功圖，能夠及時發(fā)現(xiàn)抽油機砂卡、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態(tài)變化，不但有助于及時發(fā)現(xiàn)、排除抽油機工作故障，同時通過歷史功圖變化和功圖換算單井產(chǎn)液量的變化，為油田生產(chǎn)管理，尤其是穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供動態(tài)油藏數(shù)據(jù)。

同時，單井計量的開展，將極大地優(yōu)化采油生產(chǎn)的地面集輸流程，優(yōu)化地面管線不但能夠降低工人巡視管線的工作量，更主要的是節(jié)約地面管線造成的跑冒漏損失和管線成本。

4.4 報表自動生成

數(shù)據(jù)報表是生產(chǎn)過程中至關重要的一個部分，通過數(shù)據(jù)報表，可以清晰、直觀、有效的了解與掌握各生產(chǎn)單元的生產(chǎn)情況，有助于職能單位對當前的油氣生產(chǎn)情況進行宏觀的把握和全局的統(tǒng)籌。目前許多單位，尤其是井場等生產(chǎn)單元仍采用人工巡表、手工抄表、人力送表的數(shù)據(jù)上報機制。自動報表的生成，極大改善了操作人員到現(xiàn)場看表、抄表的現(xiàn)狀，很大程度的解放了勞動力。通過油田管控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)自動采集功能，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集與監(jiān)測、報表的自動生成與上報。以便操作人員投入更多精力在提高生產(chǎn)效率方面。

同時自動報表系統(tǒng)支持數(shù)據(jù)的存儲、實時與歷史數(shù)據(jù)查詢以及數(shù)據(jù)趨勢曲線與比對功能，與紙質(zhì)的報表相比，更能準確、快捷的體現(xiàn)生產(chǎn)情況。

4.5 遠程指揮管理

作業(yè)區(qū)現(xiàn)場單井和站庫都安裝有高清攝像機，通過隔離網(wǎng)閘與油田辦公網(wǎng)相連，油水井的各類參數(shù)通過WEB方式可以在辦公網(wǎng)內(nèi)瀏覽，為管理者決策提供了資源基礎。

5 在生產(chǎn)中的效果

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)旨在利用物聯(lián)網(wǎng)技術，建立覆蓋全公司各類井場、站場和管道的規(guī)范統(tǒng)一的數(shù)字化生產(chǎn)管理平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、遠程監(jiān)控、生產(chǎn)預警，支持油氣生產(chǎn)優(yōu)化管理。通過對生產(chǎn)流程、管理流程、生產(chǎn)組織方式和組織機構(gòu)的優(yōu)化，促進生產(chǎn)效率和管理水平的提升。

5.1 優(yōu)化勞動組織模式，增產(chǎn)不增人

數(shù)字油田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)油田生產(chǎn)形成“井站一體、電子巡護、遠程監(jiān)控、智能管理”的數(shù)字化油田開發(fā)管理模式。生產(chǎn)一線的井場和中小型站場實現(xiàn)無人值守，達到人員集中管理、運行集中控制、數(shù)據(jù)集中處理的數(shù)字化管理模式，及時掌握生產(chǎn)運行狀況，實現(xiàn)遠程控制操作，勞動組織模式由分散趨于集中。

5.2 提供決策依據(jù)，提升生產(chǎn)效率

通過對單井效率和損耗進行分析統(tǒng)計，對效率過低、損耗過高的單井及早采取措施，提升生產(chǎn)效率；通過對油井各類參數(shù)的變化規(guī)律，自動識別出油井間歇出油的規(guī)律，為間歇出油井的管理提供可靠依據(jù)，實現(xiàn)精細化生產(chǎn)；通過對生產(chǎn)情況、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)任務進度跟蹤、生產(chǎn)趨勢、指標對比、注水計劃和完成情況等生產(chǎn)動態(tài)進行跟蹤，實時反映生產(chǎn)狀態(tài)變化，及時提供決策依據(jù)。

5.3 全面工況分析，及時故障預警

數(shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)井場上傳的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，分析各種參數(shù)的變化情況，及時對隱患進行預警，事先介入維修，避免設備進一步損壞造成的更大損失，及停產(chǎn)造成的產(chǎn)能損失。

5.4 故障報警實時上傳，縮短設備維修時間

數(shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將生產(chǎn)數(shù)據(jù)和報警實時上傳到作業(yè)區(qū)中控室，工作人員第一時間發(fā)現(xiàn)故障警報，并迅速通知維修部門，維修部門通過全面分析設備數(shù)據(jù)，及時準確地制定合理的維修方案，縮短了故障預警及設備維修時間，減少了設備停工時間，提升了單井產(chǎn)量。

5.5 實施視頻監(jiān)控，建設平安油田

在重要井場部署視頻監(jiān)控，實現(xiàn)安全生產(chǎn)，一旦發(fā)現(xiàn)安全隱患立即采取措施；在重要卡口部署視頻監(jiān)控，可以實時監(jiān)控進出作業(yè)區(qū)的車輛和人員，及時發(fā)現(xiàn)偷盜、破壞等行為，并及時制止、減少損失。

[1]張飛舟.物聯(lián)網(wǎng)應用與解決方案[M].北京：電子工業(yè)出版社,2012.

[2]王映民.TD-LTE技術原理與系統(tǒng)設計[M].北京：人民郵電出版社,2010.

[3]陳書貞.LTE關鍵技術與無線性能[M].北京：機械工業(yè)出版社,2012.

[4]高志亮.數(shù)字油田在中國——油田物聯(lián)網(wǎng)技術與進展[M].北京：科學出版社,2013.

[5]呂志安.zigBee網(wǎng)絡原理與應用開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學出版社,2008.

Application of Oil and Gas Production of Things in Oilfield Production

ZHANG Jin-kuo
(Yumen Oilfield Information Center,Jiuquan 735019,China)

TP393

A

1009-3044(2017)24-0242-03

2017-07-10

張金闊(1985—)，男，甘肅酒泉人，玉門油田信息中心助理工程師，學士，現(xiàn)從事玉門油田各作業(yè)區(qū)油水井數(shù)據(jù)采集建設、4G基站建設、安防視頻監(jiān)控建設及中石油A11項目建設及設備運行維護工作。