油田數(shù)字化發(fā)展趨勢(shì)及儀表在油田生產(chǎn)節(jié)能中的應(yīng)用

王海濤（大慶油田自動(dòng)化儀表有限公司）

2000 年以后，中石化、中石油、中海油都逐步建立統(tǒng)一ERP、電子商務(wù)等應(yīng)用，各企業(yè)加強(qiáng)信息技術(shù)的管理、提升應(yīng)用水準(zhǔn)，打造數(shù)字油田。數(shù)字油田是油田信息化建設(shè)過程中的必要階段。該如何進(jìn)行數(shù)字化油田建設(shè)是我們每一個(gè)專業(yè)技術(shù)人員和信息管理者必須要研究的課題，需要在現(xiàn)有的信息化建設(shè)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)大自動(dòng)控制、檢測、數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用范圍，整合大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理的穩(wěn)步提升[1]。

1 大慶油田數(shù)字化現(xiàn)狀

按照大慶油田總體部署，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)（A11）項(xiàng)目2015 年正式開始施工，2016 年正式建設(shè)完畢投入使用，該項(xiàng)目包含大慶油田采油三廠二礦800 余口油井、水井；采油二廠90 余座計(jì)量間。已初步實(shí)現(xiàn)了感知層數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。同時(shí)采油九廠、采油七廠、慶新油田等各大采油廠也陸續(xù)開展數(shù)字化建設(shè)，但建設(shè)的范圍并不大，并沒有實(shí)質(zhì)性的全面鋪開。主要因?yàn)楝F(xiàn)有的感知層儀表的傳輸方式的多樣化，如有線方式、無線ZIGBEE 協(xié)議、無線LORA 協(xié)議等方式，各有優(yōu)缺點(diǎn)，大慶油田約有10 萬口油水井，其中還不包括間、站、庫等大型場所，所以實(shí)施方案需要充分考慮各方面的因素。所以在采油七廠、采油五廠、海拉爾等地分別對(duì)各種感知層儀表傳輸方式進(jìn)行了測試。相信隨著測試的不斷深入，大慶油田會(huì)優(yōu)中選優(yōu)，制定一套屬于大慶油田的專屬數(shù)字化方案。按照大慶油田目前的發(fā)展進(jìn)路來看，還處于數(shù)字化建設(shè)的初級(jí)階段。

2 大慶油田數(shù)字化發(fā)展趨勢(shì)

由于油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)成本較高，大慶油田井間站場數(shù)量龐大，全面啟動(dòng)數(shù)字化建設(shè)難度很大，因此研究低成本數(shù)字建設(shè)技術(shù)，在大慶油田老區(qū)和外圍因地制宜開展數(shù)字化建設(shè)是全面開展油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的必然選擇。我們可以把數(shù)字化油田建設(shè)從低到高分為3 個(gè)層次，這3 個(gè)層次分別是：數(shù)字化階段、可視化階段、智能化階段[2]。

1）數(shù)字化階段：該階段是基于各種有線及無線技術(shù)的感知層儀表的數(shù)據(jù)采集和維護(hù)體系已經(jīng)初步建成，從而通過建立大量的專業(yè)數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用平臺(tái)，通過底層的感知層儀表將各種數(shù)據(jù)包括示功圖、電流圖、油壓、套壓等基礎(chǔ)信息采集上來并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)平臺(tái)，由數(shù)據(jù)平臺(tái)通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行整理和儲(chǔ)存，并將各個(gè)井、間、站的作業(yè)歷史數(shù)據(jù)與現(xiàn)有的作業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，以方便工作人員隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理、查詢和分析。此階段，大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和應(yīng)用平臺(tái)形成企業(yè)級(jí)的數(shù)字化集成系統(tǒng)，隨著數(shù)字化油田建設(shè)的逐步完善，作業(yè)人員可根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷后再進(jìn)行作業(yè)，可大大的提高作業(yè)效率[3]。

2）可視化階段：該階段是基于上一階段數(shù)字化階段化建設(shè)，利用網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、圖形處理等各種先進(jìn)可視化技術(shù)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控各種油井現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)，進(jìn)行例如周界報(bào)警、人臉識(shí)別等技術(shù)進(jìn)行圖形分析，再通過聯(lián)動(dòng)聲音報(bào)警功能，能夠有效地降低井場安全事故的發(fā)生及偷油的情況，同時(shí)可以通過數(shù)字化階段的基礎(chǔ)設(shè)備人為的進(jìn)行遠(yuǎn)程的啟、停井操作，有效地減少不必要的損耗。在主控室即可對(duì)整個(gè)油田作業(yè)情況進(jìn)行全面的掌控。

3）智能化階段：該階段是數(shù)字化油田建設(shè)的最高階段，它不僅充分應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，而且對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析，如通過采集的示功圖自動(dòng)判別是否存在供液不足、皮帶斷裂等情況，組態(tài)平臺(tái)自動(dòng)報(bào)警、遠(yuǎn)程挺井并通知相關(guān)作業(yè)人員及時(shí)處理。做到油田開發(fā)的智能化、生產(chǎn)過程的智能化、管理者決策的智能化等[4]。

3 功圖計(jì)量系統(tǒng)在油田節(jié)能中的應(yīng)用

大慶油田目前普遍使用示功圖加上光桿長度、井深等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來測算單井的產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)單井計(jì)量，大慶油田傳統(tǒng)功圖采集方式為人工采集，測試人員需要逐一對(duì)每口抽油機(jī)井進(jìn)行測試，每次測試需要停井將功圖傳感器安裝于懸繩器上有線載荷位移傳感器效果見圖1，在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于硬件、軟件以及管理等因素都會(huì)對(duì)計(jì)量精度產(chǎn)生影響，功圖采集頻率較低，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。每口井功圖采集頻率要達(dá)到24 副/天，才能達(dá)到精確計(jì)產(chǎn)的目的。為進(jìn)一步保障功圖數(shù)據(jù)采集率，需增加單井硬件設(shè)備，只有采集率得以提升，才能保障計(jì)產(chǎn)率。

圖1 有線載荷位移傳感器效果

大慶油田自動(dòng)化儀表有限公司經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和大量的實(shí)地實(shí)驗(yàn)開發(fā)出一種位移載荷一體化的有線載荷位移傳感器。此產(chǎn)品采用高精度、零漂移的載荷、位移傳感器，即可代替目前常規(guī)的油井示功儀，又可對(duì)重點(diǎn)油井實(shí)施連續(xù)不間斷的監(jiān)測，只需安裝抽油桿的懸繩器上，通過測量抽油桿的加速度，對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)過二次積分得到位移量的原理測量位移，加速度傳感器和載荷傳感器安裝在一起，故為位移載荷一體化設(shè)備，另外信號(hào)傳遞通過485 有線通信的方式傳遞信號(hào)到RTU，RTU 把接收到的功圖數(shù)據(jù)通過4G 傳送給遠(yuǎn)傳平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)示功圖的遠(yuǎn)程監(jiān)控，為油田安全生產(chǎn)和節(jié)能減排提供了技術(shù)保障。

下面簡單介紹功圖的采集原理，功圖的繪制總共分為以下4 個(gè)階段：

1）在活塞剛到下死點(diǎn)前后，活塞上多了一個(gè)活塞截面之上到采油樹之間液柱的重量，油管內(nèi)少了一個(gè)活塞截面之上到采油樹之間液柱的重量。此時(shí)光桿發(fā)生彈性變形雖然在上移，但活塞相對(duì)于油管來說，實(shí)際未動(dòng)，這樣就畫出示功圖中的AB 斜直線，它表示光桿負(fù)載增加的過程，稱為增載線，油管示意圖、增載理論功圖見圖2、圖3。

圖2 油管示意圖

圖3 增載理論功圖

2）當(dāng)彈性變形完畢光桿帶動(dòng)活塞開始上行，固定凡爾打開，液體進(jìn)入油筒并充滿活塞所讓出的油管空間，此時(shí)，光桿所承受的負(fù)載仍和B 點(diǎn)時(shí)一樣沒變化，所以畫出一條直線BC，油管狀態(tài)及上行理論示功圖見圖4。

3）當(dāng)活塞到達(dá)上死點(diǎn)，在轉(zhuǎn)入下行程的瞬間，固定凡爾關(guān)閉，游動(dòng)凡爾打開，活塞上下連通。活塞上原所承受的液柱重量又加在油管上。抽油桿卸掉了這一載荷，油管上加上了這一載荷，于是光桿縮短，光桿下行，活塞相對(duì)于油管沒有移動(dòng)，于是畫出了CD 斜線。它表示光桿上負(fù)荷減少的過程，稱為減載線油管狀態(tài)及減載理論示功圖見圖5。

圖4 油管狀態(tài)及上行程理論示功圖

圖5 油管狀態(tài)及減載理論示功圖

4）當(dāng)彈性變形完畢，活塞開始下行，液體就通過游動(dòng)凡爾向活塞以上轉(zhuǎn)移，此過程中，光桿所受的負(fù)荷不變，于是畫出直線DA，畫成一個(gè)封閉的曲線，即為油管狀態(tài)及下行程理論示功圖，示功圖見圖6。

圖6 油管狀態(tài)及下行程理論示功圖

大慶油田自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn)的載荷位移傳感器能夠有效的控制成本，無線載荷位移傳感器相較傳統(tǒng)的功圖采集方式在功圖采集頻率上有非常大的優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)功圖采集頻率約為5 天一副功圖即0.2 副/24 h，而無線載荷位移傳感器功圖采集頻率參照A11 數(shù)字化項(xiàng)目的相關(guān)要求為48 副/24 h，效率提高240 倍。在節(jié)約人工成本上，按照無線載荷位移傳感器電池使用壽命為兩年，更換電池需人工操作同時(shí)每月需要對(duì)儀表進(jìn)行維護(hù)，按照單井算人工即12 次/年，而傳統(tǒng)功圖采集方式五天采集一副功圖算一次人工即73 次/年，每井每年節(jié)約人工61次。數(shù)字化產(chǎn)品的應(yīng)用改變了采油廠原有員工的工作方式，采油工由每天的巡井改為后臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)控和設(shè)備維護(hù)，另外數(shù)據(jù)平臺(tái)具有功圖分析功能，能根據(jù)功圖情況分析地下抽油工況，從而能指導(dǎo)工人調(diào)節(jié)生產(chǎn)，達(dá)到節(jié)能減排的目的[5]。

4 結(jié)語

數(shù)字化在油田的發(fā)展與建設(shè)的過程中發(fā)揮著經(jīng)營與管理手法都無法替代的作用。因此，我們必須積極研究數(shù)字化在油田發(fā)展與建設(shè)中的新作用，以促進(jìn)油田的安全生產(chǎn)效率，降低員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)而更好地提高油田的生產(chǎn)與管理效率，最終實(shí)現(xiàn)油田的低成本開發(fā)，從而推動(dòng)我國油田建設(shè)的又好又快發(fā)展。