長慶油田地面工藝智能化應(yīng)用研究

雍碩*

（中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第三采油廠）

長慶油田生產(chǎn)區(qū)域大多分布在溝壑縱橫、交通不便的地區(qū)，自然環(huán)境差，大部分井站生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜，地面設(shè)施多樣，管理難度大。近年來，為了提高生產(chǎn)管理效率，長慶油田進(jìn)行了全面的數(shù)字化建設(shè)。目前，數(shù)字化系統(tǒng)已從最初的單用戶站控系統(tǒng)發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)?；拇笮蚐CADA（即Supervisory Control and Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)。

隨著信息科學(xué)的飛速發(fā)展、井站光纖網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化完善和油田開發(fā)云計(jì)算中心的建立，在分析傳統(tǒng)油氣開發(fā)行業(yè)生產(chǎn)特征的基礎(chǔ)上，長慶油田利用數(shù)字信息化管理成果，將傳統(tǒng)油氣生產(chǎn)行業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合，創(chuàng)新生產(chǎn)模式，構(gòu)建“生產(chǎn)數(shù)據(jù)協(xié)同共享、生產(chǎn)過程智能運(yùn)行”的智慧油田，優(yōu)化人力資源配置，提高油田運(yùn)行效率，降低生產(chǎn)運(yùn)行成本。

1 油田數(shù)字化管理現(xiàn)狀

1.1 長慶油田生產(chǎn)現(xiàn)狀

長慶油田集輸工藝主要采用端點(diǎn)加藥、管道破乳、密閉混輸、熱化學(xué)沉降模式。主要設(shè)備包括：收球筒、加熱爐、分離緩沖罐、三相分離器、氣液分離器、沉降罐、各類儲罐、外輸泵和一體化增壓橇等。監(jiān)測參數(shù)包括：來油溫度和壓力、收球筒溫度和壓力、分離緩沖罐壓力和液位、三相分離器油水室液位和氣室壓力、氣液分離器壓力、儲罐液位、外輸泵進(jìn)出口壓力，以及外輸溫度、壓力和流量等。

供注水系統(tǒng)以穩(wěn)流配水工藝為主，采出水經(jīng)沉降、除油和過濾等處理工藝，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)回注。主要設(shè)備設(shè)施包括：水源井、各類水罐、喂水泵、注水泵、配水閥組、一體化注水橇和過濾設(shè)備等。監(jiān)測參數(shù)主要包括：水源井壓力和流量、供水泵壓力和流量、過濾器壓力和流量、喂水泵壓力、注水泵流量、分水器壓力、水罐液位，以及注水干線、支線的流量和壓力等。

隨著數(shù)字化、信息化技術(shù)的應(yīng)用和不斷創(chuàng)新，長慶油田逐漸形成了油井功圖計(jì)量、站點(diǎn)液位聯(lián)動變頻連續(xù)輸油、井站一體化監(jiān)控、遠(yuǎn)程調(diào)配、關(guān)鍵區(qū)域視頻監(jiān)控、闖入報警等數(shù)字化管理方式。

1.2 長慶油田數(shù)字化系統(tǒng)現(xiàn)狀

油田數(shù)字化系統(tǒng)是針對油氣勘探開發(fā)和油田管理決策的信息系統(tǒng)，它依托完善的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和統(tǒng)一的生產(chǎn)指揮平臺，已從簡單的油井功圖計(jì)量、電子巡井、井站參數(shù)采集發(fā)展成為大型的油田SCADA系統(tǒng)。

長慶油田SCADA系統(tǒng)利用自動化控制、互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)共享技術(shù)，以油田開發(fā)過程的數(shù)字化管理為中心，開發(fā)完善了生產(chǎn)運(yùn)行、原油集輸、油田注水、管網(wǎng)運(yùn)行、預(yù)警報警和曲線報表等模塊，建立了覆蓋井站的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)運(yùn)行信息的管理平臺，實(shí)現(xiàn)了對分布距離遠(yuǎn)及地域分散生產(chǎn)單位的生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動采集、生產(chǎn)過程自動控制、自動預(yù)警報警、場景視頻監(jiān)控識別、數(shù)據(jù)分析和決策支持等功能。長慶油田數(shù)字化系統(tǒng)部署如圖1所示。

圖1 長慶油田數(shù)字化系統(tǒng)部署示意

1.3 云計(jì)算中心的建立

云計(jì)算是使計(jì)算分布在大量的分布式計(jì)算機(jī)上，而非本地計(jì)算機(jī)或遠(yuǎn)程服務(wù)器中。企業(yè)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行與互聯(lián)網(wǎng)更相似，這使得企業(yè)能夠?qū)①Y源切換到需要的應(yīng)用上，根據(jù)需求訪問計(jì)算機(jī)和存儲系統(tǒng)，具有超大規(guī)模、虛擬化、高可靠性、高通用性和高擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，能夠更加方便、高效地應(yīng)用于大數(shù)據(jù)分析中。

油田數(shù)字化開發(fā)必然產(chǎn)生大量的信息數(shù)據(jù)，有效存儲、挖掘數(shù)據(jù)資源，創(chuàng)建采集、處理、跟蹤和評價一體化的大數(shù)據(jù)分析體系，分析其相互關(guān)系和特征，進(jìn)行系統(tǒng)效率和能耗分析、效果評價、優(yōu)化設(shè)計(jì)等，可以方便、快捷地指導(dǎo)油田生產(chǎn)［1］。

目前，長慶油田各生產(chǎn)單位數(shù)據(jù)中心多采用傳統(tǒng)模式，與云計(jì)算相比，存在浪費(fèi)計(jì)算資源、安全性差等缺點(diǎn)。

建立云計(jì)算中心的方法：一是虛擬化集群方面。以多臺同型號高性能服務(wù)器為硬件基礎(chǔ)，建立虛擬化集群，整合原有物理服務(wù)器硬件資源，預(yù)留未來系統(tǒng)建設(shè)中的服務(wù)器增加需求，新增光纖交換機(jī)加長波模塊，構(gòu)成冗余數(shù)據(jù)鏈路。二是數(shù)據(jù)容災(zāi)備份設(shè)計(jì)。以中心機(jī)房作為容災(zāi)系統(tǒng)中心，備用服務(wù)器采用高性能存儲器作為核心數(shù)據(jù)的存放和備份容災(zāi)介質(zhì)，使之具備遠(yuǎn)程同步、異步復(fù)制功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從生產(chǎn)端到容災(zāi)端的實(shí)時備份［2］。

云計(jì)算中心架構(gòu)設(shè)計(jì)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 云計(jì)算中心架構(gòu)設(shè)計(jì)拓?fù)鋱D

2 油田地面工藝智能化應(yīng)用

長慶油田建立區(qū)域中心站，利用數(shù)字化系統(tǒng)功能，提升集輸站點(diǎn)、供注水站點(diǎn)的自動化程度，對區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，達(dá)到站場生產(chǎn)過程自動控制與保護(hù)、遠(yuǎn)程倒改流程功能，配套新型勞動組織架構(gòu)設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)定期巡檢、應(yīng)急聯(lián)動的智能油田模式［3］。

2.1 集輸站點(diǎn)智能化改造

接轉(zhuǎn)站、增壓點(diǎn)是數(shù)字化管理模式的基本生產(chǎn)單元，目前已具備本站生產(chǎn)管理和所轄井場電子巡護(hù)兩大基本功能。

新增智能化改造內(nèi)容：1）通過在密閉分離裝置出口設(shè)置電動三通球閥，分別與輸油泵進(jìn)口和事故油箱進(jìn)口連接，實(shí)現(xiàn)正常流程與事故流程一鍵切換，配合儲罐液位聯(lián)動外輸泵變頻PID（即Proportion Integration Differentiation，比例、積分、微分控制）調(diào)節(jié)，設(shè)置遠(yuǎn)程手動或自動連續(xù)輸油模式，達(dá)到遠(yuǎn)程控制、智能輸油功能；2）伴生氣分液器排污出口設(shè)置雙比重排液閥和旁通流程，實(shí)現(xiàn)自動排污；3）加熱爐安裝電動調(diào)節(jié)閥、自動點(diǎn)火和火焰探測裝置，實(shí)現(xiàn)熄火保護(hù)，負(fù)荷遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)；4）增加加藥裝置和污油回收裝置的液位監(jiān)測和報警功能；5）為確保遠(yuǎn)程操作安全可靠，增加網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)網(wǎng)、辦公網(wǎng)、社區(qū)網(wǎng)和視頻監(jiān)控網(wǎng)的四網(wǎng)隔離。

長慶油田集輸站點(diǎn)智能化改造如圖3所示。

圖3 集輸站點(diǎn)智能化改造示意

2.2 供注水站點(diǎn)智能化改造

油田供注水系統(tǒng)主要由水源井、供水站、注水站、配水間和注水井等五大部分組成。前端為水源井和供水站，進(jìn)行采水、儲水和供水；中端為注水站，進(jìn)行提壓；末端為配水間和注水井，進(jìn)行注水量調(diào)節(jié)與注入。依據(jù)現(xiàn)場流程，智能供注水系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為2個模塊。

2.2.1 源供智能模塊

通過注水環(huán)網(wǎng)上各站注水泵的實(shí)時排量或注水站水罐液位，控制供水站供水泵的實(shí)時排量，達(dá)到恒流供水作用。

依據(jù)供水泵實(shí)時排量或水罐液位，供水站控制上游水源井的啟停和采出水排量。

依據(jù)井下水位自動排序，水源井高啟低停，確保合理采水，保護(hù)井下設(shè)備。

2.2.2 注配智能模塊

以注水環(huán)網(wǎng)為模型，編寫環(huán)網(wǎng)注水動態(tài)平衡補(bǔ)償程序，通過設(shè)定目標(biāo)注水壓力，實(shí)現(xiàn)整個環(huán)網(wǎng)注水壓力的自動控制與調(diào)整，合理分配注水能力，降低注水系統(tǒng)單耗，使注水環(huán)網(wǎng)整體壓力穩(wěn)定。同時，在配水部分加入超、欠注智能補(bǔ)調(diào)模塊，每口注水井每4小時或2小時計(jì)算分析一次，對截止計(jì)算時的實(shí)注量與配注量進(jìn)行對比，重新計(jì)算剩余時間段內(nèi)的配注量，自動進(jìn)行實(shí)注量的調(diào)整。

在各站單獨(dú)的供注水參數(shù)監(jiān)控條件下，供注水站改造以注水站變頻PID調(diào)節(jié)、恒壓注水控制為核心，根據(jù)供注需求，實(shí)施調(diào)節(jié)供水排量、恒定注水壓力、遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)單井注水量等一系列連鎖控制措施，實(shí)現(xiàn)“源-供-注-配-井”智能化管理。

長慶油田供注水系統(tǒng)智能化改造如圖4所示。

圖4 供注水系統(tǒng)智能化改造示意

2.3 中心站建設(shè)

2.3.1 中心站所轄站點(diǎn)PLC（可編程控制器）標(biāo)準(zhǔn)化升級

按照“集輸流程中樞、區(qū)域中心”建設(shè)中心站，對中心站所轄站點(diǎn)PLC進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化升級。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的自動化硬件基礎(chǔ)和運(yùn)行控制要求，PLC標(biāo)準(zhǔn)化程序升級需要：完善數(shù)據(jù)采集程序優(yōu)化，完成核心控制程序開發(fā)，預(yù)留自動化升級程序接口。

此外，PLC還應(yīng)具備以下功能：

1）關(guān)鍵工藝參數(shù)的報警診斷

不但中心站監(jiān)控崗員工能夠通過監(jiān)控平臺及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場工藝參數(shù)的異常報警，而且現(xiàn)場駐站員工也應(yīng)當(dāng)能夠通過簡易的聲光報警等方式及時掌握站內(nèi)工藝異常情況，從而進(jìn)行工藝參數(shù)查看。PLC內(nèi)的工藝報警參數(shù)需要與監(jiān)控平臺參數(shù)設(shè)置保持一致，并且能夠不依托站控服務(wù)器獨(dú)立完成預(yù)警功能。

2）生產(chǎn)設(shè)備的診斷分析

無人值守站的遠(yuǎn)程操作主要是通過現(xiàn)場各種工藝儀表和設(shè)備來保障的，所以PLC還應(yīng)該具有對關(guān)鍵設(shè)備的診斷分析功能，主要是對站內(nèi)變頻器、電動閥、流量計(jì)、緩沖罐液位計(jì)的故障診斷。設(shè)備出現(xiàn)故障后，一方面在SCADA平臺進(jìn)行顯示，另一方面通過站內(nèi)PLC，利用語音、報警燈等進(jìn)行輸出。同樣，設(shè)備故障信息能夠不依托站控服務(wù)器獨(dú)立完成報警輸出。

3）PLC設(shè)備的脫網(wǎng)診斷功能

PLC設(shè)備脫網(wǎng)離線后，站內(nèi)PLC應(yīng)當(dāng)能夠及時發(fā)現(xiàn)故障，并通過語音、報警燈等進(jìn)行輸出，及時提醒駐站員工加強(qiáng)站內(nèi)工藝設(shè)施巡檢，加強(qiáng)與SCADA監(jiān)控平臺的溝通和協(xié)調(diào)。

2.3.2 中心站崗位功能設(shè)置

在中心站設(shè)置運(yùn)行監(jiān)控、站點(diǎn)檢修、遠(yuǎn)程監(jiān)控站運(yùn)行和站外巡檢等崗位，對站點(diǎn)、油水井進(jìn)行現(xiàn)場管理。這些崗位的功能包括：1）執(zhí)行作業(yè)區(qū)調(diào)控中心指令，監(jiān)控轄區(qū)內(nèi)原油的生產(chǎn)和集輸、油田注水和配注執(zhí)行、輕烴生產(chǎn)運(yùn)行等；2）處置預(yù)警信息，監(jiān)控上游各無人值守站點(diǎn)的溫度、壓力、流量和氣壓等運(yùn)行參數(shù)；3）遠(yuǎn)程操作油氣水的集中處理、計(jì)量、外輸及站內(nèi)設(shè)備流程；4）上傳生產(chǎn)報表，負(fù)責(zé)應(yīng)急搶險、日常巡檢和維護(hù)，以及各可控的無人值守井場、站點(diǎn)重點(diǎn)區(qū)域的視頻監(jiān)控等［4］。

3 新型生產(chǎn)管理模式和勞動組織

井站經(jīng)過智能化改造后，油井投球、加藥、取樣、動液面測試、產(chǎn)量核實(shí)和井場清潔等工作由作業(yè)區(qū)技術(shù)人員或巡檢人員操作；站內(nèi)加藥、緊急情況倒改流程等工作由巡檢人員操作；收球、加熱爐補(bǔ)水點(diǎn)火、清潔等由駐站人員操作。其他生產(chǎn)運(yùn)行管理，包括井場監(jiān)控、站內(nèi)生產(chǎn)動態(tài)、預(yù)警報警處理、巡檢、報表生成、啟停輸油泵、切換流程、供注水系統(tǒng)運(yùn)行等，上移至中心站，進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制。生產(chǎn)組織機(jī)構(gòu)隨之相應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，每站可減少用工2～3人。

通過進(jìn)一步優(yōu)化智能化條件下作業(yè)區(qū)的勞動組織架構(gòu)，形成“集約化”的中心站管理模式，長慶油田將原有的“作業(yè)區(qū)—生產(chǎn)單元—班站—崗位”四級管理模式改變?yōu)椤白鳂I(yè)區(qū)—中心站—崗位”三級管理模式；將原有的“作業(yè)區(qū)—生產(chǎn)單元—大站—小站”四級監(jiān)控平臺改變?yōu)椤白鳂I(yè)區(qū)—中心站”兩級監(jiān)控平臺，提高了管理效率。

4 結(jié)束語

通過油田地面工藝智能化改造，長慶油田實(shí)現(xiàn)了油田生產(chǎn)連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行、流程遠(yuǎn)程切換，進(jìn)一步優(yōu)化了數(shù)字化生產(chǎn)管理流程，構(gòu)建了更加集約式的中心站，進(jìn)一步精減了組織機(jī)構(gòu)，優(yōu)化了人力資源配置，提高了管理效率，降低了安全風(fēng)險，減少了油田生產(chǎn)運(yùn)行成本。