基于物聯(lián)網(wǎng)的無人值守井站技術(shù)研究與應(yīng)用

張 偉，張 煜，王軍鋒，田啟武，羅凌燕，周冰欣，雍 碩

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750001）

基于物聯(lián)網(wǎng)的無人值守井站技術(shù)研究與應(yīng)用

張 偉，張 煜，王軍鋒，田啟武，羅凌燕，周冰欣，雍 碩

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750001）

長(zhǎng)慶油田于2009年起全面推進(jìn)油田數(shù)字化建設(shè)，隨著油田物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及數(shù)字化設(shè)施的深入實(shí)施與推廣，井站數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集傳輸與設(shè)備自動(dòng)化控制能力逐步提升，油田井站管理逐步實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、可視化以及智能化。在數(shù)字油田的背景下，針對(duì)長(zhǎng)慶油田井站運(yùn)行模式，2016年正式啟動(dòng)了無人值守井站建設(shè)工作，經(jīng)過一年的改造與完善，逐步摸索與建立以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的無人值守井站技術(shù)方案。結(jié)合采油三廠的無人值守井站的推進(jìn)情況，著重研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的油田無人值守井站技術(shù)及實(shí)際應(yīng)用。

數(shù)字油田；無人值守井站；物聯(lián)網(wǎng)；遠(yuǎn)程控制；技術(shù)研究

隨著長(zhǎng)慶油田向5 000×104t油氣當(dāng)量目標(biāo)邁進(jìn)，油田地面系統(tǒng)每年新建的各種管線、站場(chǎng)數(shù)量十分可觀[1]。為管理這些新建的輸油站點(diǎn)，不得不新增人員，油田企業(yè)靠新增定員擴(kuò)大生產(chǎn)不符合“全油田減員增效”的戰(zhàn)略發(fā)展方針。長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠已實(shí)現(xiàn)全覆蓋光纜3 900 km，建成數(shù)字化井場(chǎng)1 872座，占比87%；站點(diǎn)336座占比99.4%。其中5 331口油井，1 957口注水井實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化平臺(tái)上線。然而，要通過數(shù)字化基礎(chǔ)建設(shè)及功能實(shí)現(xiàn)無人值守井站，仍然需要深入研究完善相關(guān)技術(shù)，才能最終達(dá)到降低生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)，提高勞動(dòng)效率，減員增效的目的。

1 長(zhǎng)慶油田井站目前生產(chǎn)模式

油井、注水井、增壓接轉(zhuǎn)站和輸油管道是油田重要的生產(chǎn)要素。2008年以前長(zhǎng)慶油田地面系統(tǒng)生產(chǎn)模式為“二級(jí)半布站生產(chǎn)方式”，即以聯(lián)合站為中心，利用數(shù)字化增壓站增壓，接轉(zhuǎn)站轉(zhuǎn)油、樹枝狀串管集輸，有效擴(kuò)大了生產(chǎn)管理半徑。2008年以后油田生產(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化整合，由之前的“二級(jí)半布站生產(chǎn)方式”變?yōu)椤岸?jí)布站生產(chǎn)方式”，即井場(chǎng)輸油至增壓點(diǎn)，然后直接輸至聯(lián)合站進(jìn)行原油處理，省略了接轉(zhuǎn)站流程，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)能耗。

其生產(chǎn)模式（見圖1）。

圖1 長(zhǎng)慶油田井站生產(chǎn)示意圖

1.1 井場(chǎng)運(yùn)行概況

井場(chǎng)是原油生產(chǎn)和油田注水的主要場(chǎng)所，通過原油集輸管線接入增壓站點(diǎn)。其生產(chǎn)設(shè)施主要包括油水井、抽油機(jī)、加熱爐、集油管道、配水間等。大多數(shù)井場(chǎng)都分布在野外，由于受人為破壞以及自然環(huán)境如雷電、風(fēng)沙、暴雨等影響較大，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)盜竊現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，故在產(chǎn)建投產(chǎn)完畢后，在地面上建立圍墻對(duì)油井或井組（多口井）進(jìn)行保護(hù)。井場(chǎng)內(nèi)日常生產(chǎn)工作均為人工手動(dòng)操作完成，需要人工進(jìn)行的操作內(nèi)容主要集中在油水井生產(chǎn)和安全環(huán)保方面，特別是巡回檢查，防止原油偷盜需要24 h人工值守[2]。

其操作項(xiàng)目（見表1）。

表1 井場(chǎng)操作項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)表

1.2 站點(diǎn)運(yùn)行概況

增壓站是對(duì)油氣進(jìn)行集中處理的作業(yè)場(chǎng)所，建設(shè)在較為集中的原油生產(chǎn)區(qū)域，主要功能包括原油和注水集中輸送（原油穩(wěn)定輸送、伴生氣回收、油田注水等）。其由集油閥組、單井油氣計(jì)量分離器、緩沖罐和輸油泵等外輸設(shè)備等組成。生產(chǎn)區(qū)域的集輸站點(diǎn)通過集輸管線匯聚，輸送至聯(lián)合站進(jìn)行原油處理（原油脫水、輕烴回收、采出水處理、油田注水等）。

2 實(shí)現(xiàn)井站無人值守的意義及問題

2008年，長(zhǎng)慶油田油氣當(dāng)量2 500×104t時(shí)，員工人數(shù)為7萬人。2013年，長(zhǎng)慶油田油氣當(dāng)量達(dá)5 195×104t時(shí)，員工總數(shù)仍然是7萬人左右。數(shù)字化是長(zhǎng)慶油田公司實(shí)現(xiàn)5 000×104t用工7萬人這一目標(biāo)的重要支撐，這就要求數(shù)字化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，減輕員工勞動(dòng)強(qiáng)度，減少用工，提高安全生產(chǎn)水平，最終實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)和站點(diǎn)的無人值守操作。

2.1 井場(chǎng)運(yùn)行方面存在主要問題

井場(chǎng)看護(hù)無法實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)控，尤其是夜間的井場(chǎng)看護(hù)存在較長(zhǎng)時(shí)間盲區(qū)，不能實(shí)施有效監(jiān)控，給不法分子帶來可乘之機(jī)，造成原油大量偷盜流失。

井場(chǎng)油水井生產(chǎn)運(yùn)行、狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要人工現(xiàn)場(chǎng)操作與落實(shí)，才能保證油水井正常生產(chǎn)。

抽油井意外停井而不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)予以解決處理，嚴(yán)重影響油田采油產(chǎn)量，造成采油效率降低，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效益。

單井集油管線距離較遠(yuǎn)，巡護(hù)路線較為危險(xiǎn)，需要人工巡護(hù)，且巡護(hù)頻率較低，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 站點(diǎn)運(yùn)行方面主要問題

輸油設(shè)備自控程度不夠高，需人工控制緩沖罐液位，啟停外輸泵進(jìn)行輸油，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)平穩(wěn)輸油。

上下游輸油站點(diǎn)不能及時(shí)協(xié)同輸油，造成下游聯(lián)合站點(diǎn)原油處理設(shè)備（三項(xiàng)分離器）來液不平穩(wěn)，影響原油處理效果，且增加員工工作量。

人工記錄外輸壓力監(jiān)控管線運(yùn)行情況，不能有效及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，導(dǎo)致應(yīng)急維護(hù)滯后，易造成較大安全生產(chǎn)事故。

在進(jìn)行同步電機(jī)零功率因數(shù)試驗(yàn)時(shí)，靜止變頻電源由于存在輸出濾波器，因此，一般情況下只能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的電壓/頻率控制。矢量計(jì)算能力減弱，其有功分量和無功分量在純正弦波輸出模式下很難單獨(dú)調(diào)節(jié)。因此，實(shí)現(xiàn)等效負(fù)載下同步電機(jī)零功率因數(shù)有一定困難，強(qiáng)行實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)電源及其輸出變壓器特殊設(shè)計(jì)，并大幅度增加逆變器以及輸出鐵磁元件輸出功率，使靜止逆變器(方案)失去原有相當(dāng)?shù)某杀緝?yōu)勢(shì)。

3 基于互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建井站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.1 井場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

采油井場(chǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集是通過井場(chǎng)設(shè)備的各個(gè)傳感器單元獨(dú)立完成，傳感器單元將采集的井場(chǎng)參數(shù)通過井場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給井場(chǎng)采集點(diǎn)[3，4]。采集點(diǎn)將收到的井場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一融合和處理，通過無線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將井場(chǎng)數(shù)據(jù)傳送給增壓站數(shù)字化監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控。其采集內(nèi)容主要包括井場(chǎng)的視頻圖像、抽油機(jī)功圖數(shù)據(jù)、抽油機(jī)電壓、電流、井口壓力數(shù)據(jù)關(guān)鍵單元（見圖2）。

圖2 井場(chǎng)數(shù)據(jù)采集示意圖

3.2 站點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

采油增壓站點(diǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集是通過輸油設(shè)備上的各個(gè)傳感器單元獨(dú)立完成，傳感器單元將采集的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)通過站點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給增壓站監(jiān)控管理平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。其采集內(nèi)容主要包括緩沖罐運(yùn)行液位、輸油泵運(yùn)行頻率、站點(diǎn)外輸壓力及溫度等關(guān)鍵單元（見圖 3）。

圖3 站點(diǎn)數(shù)據(jù)采集示意圖

4 實(shí)現(xiàn)井站無人值守的技術(shù)與應(yīng)用

目前根據(jù)長(zhǎng)慶油田數(shù)字化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)主要在井場(chǎng)、站點(diǎn)、平臺(tái)中心運(yùn)用以下關(guān)鍵技術(shù)[5-9]：

井場(chǎng)：功圖量油、抽油機(jī)遠(yuǎn)程啟停、穩(wěn)流自動(dòng)控制配水儀、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集。

站點(diǎn)：設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、自動(dòng)變頻連續(xù)輸油、外輸情況實(shí)時(shí)監(jiān)控。

數(shù)字化平臺(tái)：利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對(duì)井站數(shù)據(jù)進(jìn)行界面顯示。

4.1 井場(chǎng)數(shù)字化無人值守配套技術(shù)

油田井場(chǎng)無人值守配套技術(shù)以確保井場(chǎng)各生產(chǎn)設(shè)施正常生產(chǎn)運(yùn)行為重點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)油水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、抽油機(jī)電機(jī)單相電參數(shù)監(jiān)測(cè)、抽油井遠(yuǎn)程啟停、注水井遠(yuǎn)程調(diào)配、井場(chǎng)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控、闖入智能分析、井場(chǎng)遠(yuǎn)程語音警示等功能，達(dá)到井場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控、生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、電子巡井、危害識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、油井工況智能診斷的目的，同時(shí)取消人工駐井看護(hù)。

4.1.2 井場(chǎng)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù) 自主研發(fā)了站控生產(chǎn)運(yùn)行分析技術(shù)，利用抽油機(jī)和管線的載荷、壓力傳感器實(shí)時(shí)上傳油井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、示功圖數(shù)據(jù)，通過每10 min對(duì)油井生產(chǎn)情況進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)掌握井場(chǎng)油水井的生產(chǎn)狀態(tài)與井場(chǎng)管線運(yùn)行壓力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)油井生產(chǎn)異常，取消了人工現(xiàn)場(chǎng)憋壓診斷，減少人工測(cè)井，縮短油井故障處理時(shí)間，單井故障診斷率達(dá)到98%，躺井周期由5 d縮短至1 d，提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)該技術(shù)具備油井計(jì)量功能，根據(jù)數(shù)字化功圖及有效沖程，折算地面有效產(chǎn)量，計(jì)量誤差達(dá)到1.9%，滿足油井計(jì)量要求，油井單量周期由5 d延長(zhǎng)至15 d。

4.1.3 抽油機(jī)啟/停遠(yuǎn)程操作技術(shù) 在抽油機(jī)配電柜安裝電參數(shù)據(jù)采集模塊與控制模塊，通過對(duì)電參數(shù)的分析，增壓點(diǎn)監(jiān)控人員可以根據(jù)情況實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程啟?？刂撇僮鞴δ堋?/p>

4.1.4 智能注水技術(shù) 在單井配水間配套定制穩(wěn)流自動(dòng)控制配水儀，通過自控儀內(nèi)部壓力與排量傳感器，傳遞至站控管理平臺(tái)，監(jiān)控中心人員通過實(shí)時(shí)通訊和控制，可設(shè)定、修改注水工藝參數(shù)信息，遠(yuǎn)程設(shè)置配注量，根據(jù)管壓和設(shè)定注水量值，注水井可自動(dòng)和遠(yuǎn)程調(diào)配，實(shí)現(xiàn)注水過程的智能監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制，全廠的在線配注合格率達(dá)到了98.8%以上。

4.2 站點(diǎn)數(shù)字化無人值守配套技術(shù)

站點(diǎn)無人值守監(jiān)控技術(shù)建設(shè)主要實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)變頻連續(xù)輸油、多級(jí)站點(diǎn)聯(lián)動(dòng)智能輸油等功能，達(dá)到站點(diǎn)平穩(wěn)運(yùn)行目的。

4.2.1 研發(fā)增壓站聯(lián)動(dòng)智能輸油技術(shù) 為集輸匯管沿線的增壓點(diǎn)設(shè)定自動(dòng)啟停液位，對(duì)增壓站的生產(chǎn)液位進(jìn)行循環(huán)比對(duì)，當(dāng)一座增壓站正在輸油，而另一座增壓站達(dá)到輸油液位時(shí)，設(shè)定未起輸增壓站起泵液位自動(dòng)增加10 cm，延遲起泵時(shí)間，在保證增壓站正常運(yùn)行的前提下，盡可能錯(cuò)開輸油高峰。通過對(duì)各增壓撬起泵情況全天候監(jiān)控統(tǒng)計(jì)，聯(lián)動(dòng)控制程序?qū)懭牒螅瑫r(shí)起輸?shù)脑鰤赫緮?shù)量由之前的6～7個(gè)降低到2～3個(gè)，有效緩解管線運(yùn)行壓力，降低運(yùn)行能耗，保障了生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行。

4.2.2 設(shè)計(jì)增壓站連續(xù)輸油技術(shù) 對(duì)數(shù)字化增壓站PLC數(shù)字控制柜進(jìn)行程序調(diào)整，配套緩沖罐磁致伸縮液位計(jì)，根據(jù)緩沖區(qū)液位高低關(guān)聯(lián)自動(dòng)調(diào)節(jié)外輸泵的輸油頻率，控制外輸?shù)呐帕?，保證連續(xù)性輸油，減少員工啟停抽油泵操作，保護(hù)輸油設(shè)備，降低人工操作風(fēng)險(xiǎn)，目前全廠已實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸油站點(diǎn)128座。

4.2.3 站點(diǎn)外輸監(jiān)控技術(shù) 以增壓點(diǎn)站控平臺(tái)為核心，在平臺(tái)上開發(fā)建立“三道防線”監(jiān)控頁面，通過外輸管線流量計(jì)及壓力變送器，對(duì)站點(diǎn)上下游外輸流量、壓力及輸油差別進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦壓力、壓差或輸差異常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行提示、報(bào)警，便于監(jiān)控人員及時(shí)進(jìn)行操作，并且所有的預(yù)警報(bào)警信息及處理結(jié)果，將自動(dòng)記錄，便于查詢，目前全廠已全部覆蓋使用該項(xiàng)技術(shù)，取得較好的監(jiān)控效果。

5 結(jié)論

油田井站無人值守?cái)?shù)字化技術(shù)研究與應(yīng)用，解決了油田井站的無人值守和數(shù)據(jù)采集監(jiān)控自動(dòng)化需求，使油田數(shù)字化管理模式發(fā)生了新的變化，管理水平又上了一個(gè)新的臺(tái)階。經(jīng)過在采油三廠一年多的運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、信息準(zhǔn)確，井場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、電子巡井、危害識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、油井工況智能診斷，提高了井場(chǎng)的防事故、防誤操作、防盜、防火能力，使值班人員和相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)能及時(shí)準(zhǔn)確地了解各井場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行全方位的預(yù)警，從而大大降低了油田井站的日常巡視、檢修等費(fèi)用及人員成本，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有較好推廣價(jià)值。2016年采油三廠實(shí)現(xiàn)無人值守井場(chǎng)921個(gè)，覆蓋率50%以上，無人值守站點(diǎn)10座，減員302人，年節(jié)省1 800萬元。

增壓站作為核心輸油站點(diǎn)， 具有較大操作風(fēng)險(xiǎn)，要實(shí)現(xiàn)無人值守，不僅要有一套能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，而且需要有一系列動(dòng)作靈敏、可靠性高的基礎(chǔ)設(shè)備（電動(dòng)閥、自啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)等）與之相配合，還需具備一系列的技術(shù)措施、組織措施、管理制度和先進(jìn)的管理手段與之相適應(yīng)。因此，無人值守站點(diǎn)后期的推廣需要把提高設(shè)備、系統(tǒng)的可靠性作為后期研究的主要目標(biāo)。

軟件的模塊化的開發(fā)需要進(jìn)一步研究和完善?；谡究豐CADA站控系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)硬件、軟件系統(tǒng)的模塊化開發(fā)，已經(jīng)能夠明顯的感受到在無人值守建設(shè)推廣中帶來的優(yōu)勢(shì)，也為現(xiàn)場(chǎng)井站日常的運(yùn)行和維護(hù)提供了必要的手段，結(jié)合分析油田各類生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需求，目前模塊化的軟件運(yùn)行與自動(dòng)化設(shè)備控制功能模塊仍需進(jìn)一步融合完善，最終整合出一套適應(yīng)于油田的、可配置的軟件開發(fā)系統(tǒng)，讓系統(tǒng)維護(hù)人員徹底從繁雜重復(fù)的工作中解脫出來。

［1］夏政，張箭嘯，劉滬．標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)在長(zhǎng)慶油田規(guī)模化建設(shè)中的應(yīng)用［J］.石油工程建設(shè)，2010，37（3）：43-46.

［2］金文光．安防系統(tǒng)工程方案設(shè)計(jì)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

［3］張寶華，等．無人值守變電站綜合監(jiān)控系統(tǒng)［J］.電力科學(xué)與工程，2009，25（9）：76-78．

［4］朱天壽．油氣田數(shù)字化［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2011.

［5］王濤，周琦．污水提升泵站無人值守的改造［J］.中國(guó)給水排水，2010，26（10）：38-40.

［6］王志強(qiáng)，郭嵐．監(jiān)控調(diào)壓在無人值守閥室中的應(yīng)用［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，（2）：31-32.

［7］董正玉，宋洪新．關(guān)于無人值守降壓站.管理方案的探討［J］.現(xiàn)代企業(yè)教育，2009，（18）：40-42.

［8］李作金．提高無人值守變電站的安全管理和運(yùn)行可靠性［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2010，（24）：128-129.

［9］姚冰怡．熱力站無人值守的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.煤氣與熱力，2007，（4）：34-36．

Based on the networking system of unattended wells station research and application of technology

ZHANG Wei，ZHANG Yu，WANG Junfeng，TIAN Qiwu，LUO Lingyan，ZHOU Bingxin，YONG Shuo
（Oil Production Plant 3 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yinchuan Ningxia 750001，China）

Changqing oilfield in 2009 to comprehensively promote the construction of digital oilfield,with the further promotion and implementation of oilfield networking technology and digital facilities,real-time data acquisition and transmission equipment automation control ability gradually improve well station,oil well station management and gradually realize the visualization and intelligent network.In the context of digital oilfield,Changqing oilfield well station operation mode,2016 officially launched the unmanned station construction work well,after a year of renovation and improvement,and to establish networking scheme of unmanned wells station based gradually.Combined with the construction of unattended well station in three oil production plant,the technology and practical application of unmanned storage station based on the Internet of things are emphatically studied.

digital oilfield；unattended well station；Internet of things；remote control；technology research

TE938.2

A

1673-5285（2017）10-0107-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.028

2017－10-08

張偉，男（1985－），江蘇南通人，工程師，本科生，主要研究方向?yàn)橛吞飻?shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。