采油廠多場(chǎng)景物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

吳軍 王金和 黃寅 邵妍婷 文建國(guó)

[摘? ? 要] 近年來(lái)，油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集、過(guò)程控制、參數(shù)優(yōu)化等凸現(xiàn)重要，將自動(dòng)化技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)、視頻技術(shù)融合的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在智能識(shí)別、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面發(fā)揮越來(lái)越大的作用。為促進(jìn)油田兩化深度融合，提升油氣生產(chǎn)管理水平，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展和建設(shè)應(yīng)用日新月異。本文主要以新疆油田公司采油二廠為例，介紹物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

[關(guān)鍵詞] 油氣生產(chǎn);自動(dòng)化;物聯(lián)網(wǎng);采集傳輸

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 17. 029

[中圖分類號(hào)] F270.7;TP315? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? A? ? ? [文章編號(hào)]? 1673 - 0194（2019）17- 0071- 03

1? ? ? 引? ? 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）是指：通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層三個(gè)層面，全面感知、可靠傳遞、智能處理是物聯(lián)網(wǎng)的三大重要特征。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在采油廠生產(chǎn)中的應(yīng)用，主要是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采油廠油氣水井、計(jì)量間、轉(zhuǎn)油站、處理站等各類生產(chǎn)對(duì)象進(jìn)行全面感知，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和控制、油氣田生產(chǎn)運(yùn)行監(jiān)控和管理，進(jìn)而提高生產(chǎn)操作單元的自動(dòng)化水平，進(jìn)一步提高油氣田生產(chǎn)決策的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

2? ? ? 采油廠生產(chǎn)業(yè)務(wù)現(xiàn)狀分析

目前采油廠油氣生產(chǎn)流程主要包括油氣舉升、產(chǎn)量計(jì)量、油氣集輸、油氣水處理、注入措施5部分。如圖1所示。

（1）油氣舉升：采取各種物理和化學(xué)手段把原油、天然氣從地底采集到地面的過(guò)程。采油廠采出的氣主要以采油過(guò)程中產(chǎn)生的伴生氣為主。

（2）產(chǎn)量計(jì)量：從井口采出的原油天然氣量是反映單井和地層的重要參數(shù)，也反映了舉升設(shè)備的能力，同時(shí)也是油、氣井生產(chǎn)的結(jié)果。

（3）油氣集輸：從井中采出的原油天然氣進(jìn)行集中輸送到處理站。

（4）油氣水處理：從井中采出的原油含有水、天然氣、砂、蠟、硫等各類物質(zhì)，因此需要對(duì)其物質(zhì)分離處理。

（5）注入措施：主要是把水、蒸汽、聚合物、微生物用泵加壓后注入地層。

3? ? ? 關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

3.1? ?油水井物聯(lián)網(wǎng)智能識(shí)別技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備通過(guò)無(wú)線通訊模塊，變送器設(shè)備在初始化完成后，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)掃描，尋找附近的無(wú)線RTU，通過(guò)變送器與RTU之間以層次化為中心的MESH網(wǎng)絡(luò)，選擇其中信號(hào)最強(qiáng)的一個(gè)作為主中繼設(shè)備，在有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，以DATA-ACK握手方式保證數(shù)據(jù)的傳輸，支持?jǐn)?shù)據(jù)暫存與重傳。若主RTU失效或無(wú)法通信，則變送器設(shè)備選擇向其備選的運(yùn)行狀態(tài)正常、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較好的RTU發(fā)起網(wǎng)絡(luò)加入與數(shù)據(jù)通信。

將物聯(lián)網(wǎng)特征技術(shù)——RFID射頻電子標(biāo)簽應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)變送器接口模塊，完成現(xiàn)場(chǎng)變送器的身份標(biāo)識(shí)。采用無(wú)源RFID標(biāo)簽，設(shè)計(jì)RFID編碼庫(kù)，完成RFID標(biāo)簽的編碼，采用128bit編碼機(jī)制，可標(biāo)記2的128次方個(gè)設(shè)備。實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備身份標(biāo)識(shí)，設(shè)備再更換或新增時(shí)，無(wú)須在組態(tài)軟件中重新設(shè)定對(duì)應(yīng)變送器的參數(shù)。如圖2所示。

3.2? ?4G網(wǎng)絡(luò)超級(jí)小區(qū)技術(shù)

采油二廠數(shù)據(jù)傳輸采用自建的4G網(wǎng)絡(luò)，井站數(shù)據(jù)采集點(diǎn)具有站點(diǎn)密集、分布范圍大、并發(fā)上行數(shù)量多的特點(diǎn)。通過(guò)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)超級(jí)小區(qū)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高密度基站覆蓋區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)化，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)超級(jí)小區(qū)技術(shù)，將單基站下多個(gè)扇區(qū)RRU合并。采用超級(jí)小區(qū)技術(shù)、定向傳輸技術(shù)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)部署，解決大規(guī)模4G 網(wǎng)絡(luò)集中、交叉重疊部署應(yīng)用，導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)頻譜、信號(hào)互相干擾，數(shù)據(jù)上線率低的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)并發(fā)單基站扇區(qū)并發(fā)400口井上行點(diǎn)的效果，有效提高大數(shù)據(jù)量傳輸穩(wěn)定性。如圖3所示。

3.3? ?多井集聯(lián)技術(shù)

在非叢式井的條件，多口油井共用一個(gè)RTU的組網(wǎng)模式。建立高效的多井集聯(lián)（一對(duì)多）組網(wǎng)模式，針對(duì)相對(duì)集中的井在有效通訊區(qū)域內(nèi)設(shè)置主從井，RTU和通訊模塊只需加在主井上，從井無(wú)須安裝，優(yōu)于傳統(tǒng)的單井模式。充分發(fā)揮RTU強(qiáng)大的運(yùn)算、存儲(chǔ)、控制、無(wú)線通信能力，保證了數(shù)據(jù)采集、控制的可靠性。大大減少了現(xiàn)場(chǎng)施工量，節(jié)省設(shè)備數(shù)量及經(jīng)濟(jì)成本。3 073口油水井，節(jié)省628個(gè)RTU和CPE。

多井通信模式：無(wú)線傳感器設(shè)備→井口控制單元（井口路由單元）→多井集聯(lián)中繼器（RTU）→中心控制室的數(shù)據(jù)流為多井集聯(lián)通信模式。如圖4所示。

3.4? ?低功耗無(wú)線傳感組網(wǎng)技術(shù)

為了保證無(wú)線傳感設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，要盡量降低系統(tǒng)的功耗，要求硬件采用低功耗芯片、周期休眠等技術(shù)，嵌入式操作系統(tǒng)也進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。

器件低功耗：選擇CPU、Flash、低頻和射頻放大器、無(wú)線收發(fā)、射頻開關(guān)等低功耗器件，從基礎(chǔ)上降低功耗上限。通信低功耗：使用高精度時(shí)間同步算法，提高時(shí)隙對(duì)齊程度，實(shí)現(xiàn)更短的時(shí)隙及更高程度的休眠，有效增加休眠時(shí)間，可降低終端功耗。軟件低功耗：把嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)成多個(gè)事件處理。系統(tǒng)上電初始化時(shí)，主程序只進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，完成后進(jìn)入低功耗狀態(tài)。當(dāng)外設(shè)發(fā)生事件，產(chǎn)生中斷信號(hào)，CPU退出節(jié)電狀態(tài)進(jìn)入事件處理，處理完成后繼續(xù)進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)，降低CPU功耗。

3.5? ?移動(dòng)APP技術(shù)

通過(guò)目前先進(jìn)的移動(dòng)APP技術(shù)，結(jié)合GPS、網(wǎng)絡(luò)通信、地理信息GIS平臺(tái)等關(guān)鍵技術(shù)，研究建立了采油二廠油區(qū)GPS巡檢系統(tǒng)，覆蓋16個(gè)計(jì)量站，1 200口單井。通過(guò)手持終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)單井巡檢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、上傳、入庫(kù)，并研發(fā)與中石油集團(tuán)公司統(tǒng)建A2系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)提取A2系統(tǒng)。同時(shí)系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)員工巡檢路線實(shí)時(shí)記錄、及時(shí)掌握工作狀態(tài)。對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)未覆蓋的油水井，提供經(jīng)濟(jì)有效的數(shù)據(jù)采集、巡檢技術(shù)手段，減少紙質(zhì)記錄的謄抄和重復(fù)錄入工作量，為生產(chǎn)和人員的管理工作提供科學(xué)有效的手段。

4? ? ? 結(jié)? ? 語(yǔ)

通過(guò)自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)共享交換、視頻監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)先進(jìn)技術(shù)技術(shù)，不追求單臺(tái)設(shè)備的高水平建設(shè)，以系統(tǒng)整體的最佳匹配為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)井場(chǎng)、站場(chǎng)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行建設(shè)，同時(shí)集成、整合現(xiàn)有的綜合資源，創(chuàng)新技術(shù)和管理理念，建立全油田統(tǒng)一的生產(chǎn)管理、綜合研究的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用趨勢(shì)。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，是對(duì)傳統(tǒng)油氣生產(chǎn)的一次深刻革命。重點(diǎn)是面向生產(chǎn)一線，井、站（庫(kù)）等基本生產(chǎn)單元的過(guò)程管理是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的重心，是智能油田建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)行管理模式變革的基礎(chǔ)。推行油氣田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)油氣田智能化管理，是節(jié)省投資、降低成本、優(yōu)化用工、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、提質(zhì)增效的有效手段。

主要參考文獻(xiàn)

[1]陳濤，劉景泰，邴志剛.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)研究與運(yùn)用綜述[J].自動(dòng)化與儀表，2005（z1）：46-51.