油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)用分析

肖 理

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司 蜀南氣礦計(jì)量自控中心，四川瀘州 646001）

1 建立油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的必要性

1.1 提高油氣資源綜合競(jìng)爭(zhēng)能力的要求

我國(guó)大多數(shù)油田經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的高效率開采，正處在特高含水和特殊開采時(shí)期。雖然為各個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)提供了豐富的石油資源，但長(zhǎng)期的高強(qiáng)度開采也給油田的發(fā)展帶來了很大的困難。特別是油氣田的儲(chǔ)層資源接替不充分，儲(chǔ)層平衡系數(shù)不高，油氣田的綜合含水量達(dá)到94.6%，生產(chǎn)成本的快速增長(zhǎng)，收入和利潤(rùn)的持續(xù)下滑，對(duì)油氣企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力造成了很大的影響。為了更好地完成百年油氣田的目標(biāo)，提高油氣田的經(jīng)濟(jì)效益，使其始終保持行業(yè)標(biāo)桿地位，必須強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，建立起油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系，增強(qiáng)主營(yíng)業(yè)務(wù)以及經(jīng)營(yíng)管理工作，大力推動(dòng)信息化改革工程，增強(qiáng)油氣田發(fā)展期間的綜合效益。

1.2 企業(yè)精益經(jīng)營(yíng)必須具備的要素

要達(dá)到油田信息化的目的，必須要建立一個(gè)智能化的油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)油氣藏的可持續(xù)發(fā)展，必須立足于資源的可持續(xù)使用，并不斷開發(fā)新的技術(shù)。我國(guó)油氣的地下剩余儲(chǔ)量仍相當(dāng)可觀，但是隨著油田開發(fā)的復(fù)雜性，其開發(fā)周期也在不斷增加。傳統(tǒng)的以勞動(dòng)組織和分工為主導(dǎo)的管理體制已不適應(yīng)油田企業(yè)的改革要求，必須通過建立健全物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系，落實(shí)精細(xì)化管理制度，增強(qiáng)油氣田開采期間的管理效益。

1.3 是數(shù)字化、智能化油氣田開發(fā)的主要方向

石油工業(yè)信息化建設(shè)已全面展開，國(guó)家和相關(guān)部門制定了石油工業(yè)信息化建設(shè)的整體計(jì)劃。在油氣田數(shù)字化、智能化建設(shè)中必須實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，構(gòu)建油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)油氣田數(shù)字化的覆蓋率。

1.4 提高對(duì)低油價(jià)的適應(yīng)能力

通過建立油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，降低了油氣田的生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)成本，從而更好地適應(yīng)當(dāng)前的低油價(jià)，維護(hù)自己的核心利益，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。通過建立健全的生產(chǎn)信息化管理體系，對(duì)油田實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的成本浪費(fèi)進(jìn)行了分析，制定相應(yīng)的控制措施，以達(dá)到降低成本和提高效益的目的。

2 油氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)概況

物聯(lián)網(wǎng)的概念最早是由美國(guó)麻省理工大學(xué)于1999年創(chuàng)立的Auto-IDLabsAuto-IDLabs（Auto-IDLabs）系統(tǒng)發(fā)展而來，能夠?qū)⑺形锛寂c諸如RFID 之類的信息傳感器裝置相連，從而達(dá)到智能識(shí)別與管理的目的。通過傳感器、射頻、通訊等技術(shù)對(duì)油氣水井、計(jì)量間、油氣站庫、油氣管網(wǎng)等生產(chǎn)對(duì)象進(jìn)行全面感知，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息在生產(chǎn)指揮中心及生產(chǎn)控制中心集中管理和控制。能夠利用傳感器、射頻等技術(shù)，對(duì)油氣開采的信息進(jìn)行感知，從而達(dá)到精確的采集、精確的數(shù)據(jù)、精確的控制和穩(wěn)定的控制。數(shù)據(jù)傳送子層主要是通過數(shù)據(jù)通訊技術(shù)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的生產(chǎn)和視頻圖像的傳送，與USN 模式下的泛在傳感網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)和泛在傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上相適應(yīng)。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)和管理，主要是通過對(duì)生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的收集，構(gòu)建生產(chǎn)管理和預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，覆蓋油氣生產(chǎn)和處理的全過程。該系統(tǒng)與基于USN 模型的泛在傳感網(wǎng)絡(luò)中間件以及通用傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)相匹配。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣，借鑒石油天然氣工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)3層體系結(jié)構(gòu)，對(duì)其所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分類、整理，從而構(gòu)建了石油天然氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)模型。感知和控制技術(shù)主要應(yīng)用于油氣井、計(jì)量間、油氣站庫、油氣管網(wǎng)等領(lǐng)域，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化控制。包括傳感器技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、紅外技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等。網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)主要應(yīng)用于傳感器和RTU（PLC/DCS）之間的數(shù)據(jù)、圖像和控制等數(shù)據(jù)的傳送，從而使數(shù)據(jù)從生產(chǎn)端和控制端向后端生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控和管理部門之間的連接。石油生產(chǎn)中的海量感知信息的存儲(chǔ)、計(jì)算和處理是石油工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。利用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、綜合分析、安全預(yù)警、生產(chǎn)調(diào)度、應(yīng)急搶險(xiǎn)等綜合數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、生產(chǎn)預(yù)警，支持油氣生產(chǎn)過程管理，進(jìn)一步提高油氣田生產(chǎn)決策的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

隨著石油天然氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，承載業(yè)務(wù)的多樣化、服務(wù)品質(zhì)的不斷提升，影響到網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的因素也越來越多。

3 基于油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3.1 整體結(jié)構(gòu)

針對(duì)石油油氣企業(yè)的整體需求，結(jié)合石油油氣企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，將其劃分為數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、生產(chǎn)管理部分。

3.2 常規(guī)稀油井、拉油罐

由于油氣田大多數(shù)分布環(huán)境氣候惡劣、環(huán)境惡劣，故采用無數(shù)字顯示的RTU 控制盒。RTU 采用4G無線客戶端，將4G 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦S監(jiān)控中心，在每個(gè)井口拉油槽的出口設(shè)置一個(gè)單凸緣式液面?zhèn)鞲衅?，將電加熱控制信?hào)和熱阻信號(hào)與井口RTU 連接，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)油槽溫度的自動(dòng)控制。

3.3 稀油計(jì)量站和配水間

對(duì)于具有全自動(dòng)化的橇裝計(jì)量站，只要在現(xiàn)有RTU 控制器上安裝4G 通信模塊，即可實(shí)現(xiàn)RTU 數(shù)據(jù)的傳輸。對(duì)于磚混計(jì)量站，在每個(gè)計(jì)量間的分離器上分別裝有1個(gè)壓力傳感器、1個(gè)磁翻盤水位計(jì)、1個(gè)旋轉(zhuǎn)式旋流流量計(jì)、2個(gè)電動(dòng)壓油閥、1個(gè)集油管、1個(gè)壓力變送器和1個(gè)溫度傳感器。通過自動(dòng)化改造和工藝改造，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道匯的遙控。最后，實(shí)現(xiàn)了管匯的自動(dòng)選井和分離機(jī)的自動(dòng)計(jì)量。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

為了保證數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)管理等子系統(tǒng)的安全、可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸，提出了一種基于無線技術(shù)的通信方案。無線網(wǎng)組網(wǎng)具有獨(dú)立的組網(wǎng)功能，能夠直接接入油田的生產(chǎn)自動(dòng)化專用網(wǎng)絡(luò)；具有高的訪問密度和較高的帶寬傳送容量，以滿足井下的數(shù)據(jù)傳送需求；支持中央管理的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，具有訪問權(quán)限的控制；采用IP 接口協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)終端裝置。為了以后的網(wǎng)絡(luò)操作和維護(hù)，無線網(wǎng)路的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)化，并且不能有太多的類型。隨著數(shù)字油田建設(shè)的深入，移動(dòng)通信、應(yīng)急救援、移動(dòng)辦公、人員定位、視頻會(huì)議等都與TD-LTE 系統(tǒng)兼容。然而，無線網(wǎng)橋具有固定訪問特性，不能滿足移動(dòng)通信需求，不利于數(shù)字油田開發(fā)的深入?？紤]到經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性、擴(kuò)展性等因素，選擇TD-LTE 來承擔(dān)油田自動(dòng)化數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

3.5 信息安全

①在多個(gè)垂直層級(jí)的網(wǎng)路間設(shè)置一個(gè)工業(yè)防火墻，并設(shè)定適當(dāng)?shù)拇嫒∫?guī)則，有效地控制了不需要的越級(jí)存取，避免了攻擊者透過上層網(wǎng)路侵入及攻擊底層網(wǎng)路，降低網(wǎng)路連通性所造成的安全性風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)多層間的工業(yè)協(xié)議數(shù)據(jù)交換，有效地屏蔽了非法操作，保證了企業(yè)的安全。②在相同的網(wǎng)絡(luò)層級(jí)上，也可以設(shè)置一個(gè)工業(yè)防火墻，將其劃分為不同的安全區(qū)，設(shè)置不同的存取規(guī)則，避免在不同的安全區(qū)間進(jìn)行無意義的訪問，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同安全區(qū)間的工業(yè)協(xié)議進(jìn)行深入的過濾，從而降低安全區(qū)間的安全性問題。

4 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在油氣田生產(chǎn)中的應(yīng)用

4.1 做好三大網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)

在油氣田的經(jīng)營(yíng)過程中以實(shí)現(xiàn)高水平、高效益為目標(biāo)，通過科學(xué)的方法，減少投入，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，使油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)得到了有效的推進(jìn)。在油氣田的智能化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中，有關(guān)部門要做好以下工作：重點(diǎn)推動(dòng)老區(qū)油氣田的石油、天然氣生產(chǎn)的“物聯(lián)網(wǎng)”模式，搞好組織結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式的變革。通過對(duì)油氣田的信息化技術(shù)和智能化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)，投入了1.5億元，主要包括采油廠油水井?dāng)?shù)字采集、轉(zhuǎn)油站，注入站等聯(lián)合站數(shù)字化改造，相關(guān)配套數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，生產(chǎn)管理平臺(tái)建設(shè)等工作。

在三大物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)過程中，需要根據(jù)油氣田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)工作為重要基礎(chǔ)，建立統(tǒng)一的數(shù)字化實(shí)施思路，選擇更加適宜的軟件量油以及工況分析方法，形成更加統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的油氣田油氣生產(chǎn)數(shù)字化管理以及勞動(dòng)組織工示范模式，要求以油氣田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)工作為重要基礎(chǔ)，注重在試點(diǎn)單位內(nèi)開展勞動(dòng)組織機(jī)構(gòu)優(yōu)化改造工作，要求建立起以作業(yè)區(qū)為單位的專業(yè)化管控構(gòu)架，確保采油隊(duì)伍、聯(lián)合站、勘察隊(duì)伍人力資源能夠得到最優(yōu)化配置。在開發(fā)油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，必須嚴(yán)格按照整體規(guī)劃、先易后難的原則，充分發(fā)揮出數(shù)據(jù)在指導(dǎo)油氣田生產(chǎn)，加強(qiáng)油氣田管理整體管理水平中的積極作用。

4.2 重視技術(shù)服務(wù)系統(tǒng)的優(yōu)化

在油氣田智能管理體系的工作中建立了基于石油、天然氣工業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，建立了數(shù)字儀器工業(yè)的數(shù)字化工業(yè)基地，加大石油、天然氣的數(shù)字化建設(shè)設(shè)。為了確保氣田的安全，該油氣企業(yè)將技術(shù)服務(wù)體系優(yōu)化為當(dāng)前的發(fā)施品種，加強(qiáng)技術(shù)改造和產(chǎn)品升級(jí)，努力研究出低成本的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字儀表展重點(diǎn)，建立起了油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，著力破解生產(chǎn)難題。確保信息化管理的質(zhì)量，組建了一支以信息化為核心的軟件開發(fā)、系統(tǒng)維護(hù)、項(xiàng)目建設(shè)等技術(shù)支撐團(tuán)隊(duì)。

4.3 建立數(shù)字化管理機(jī)制

為了在油氣田的信息化環(huán)境下，建立一個(gè)基于信息化的油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，必須從根本上提高其應(yīng)用的數(shù)字化水平。①要建立一個(gè)基本的工業(yè)基地和技術(shù)支援團(tuán)隊(duì)，要對(duì)明傳和專業(yè)知識(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)，保證信息化體系的建設(shè)和后期的運(yùn)作。加強(qiáng)與各大油田油氣企業(yè)的聯(lián)系，加大技術(shù)支援，為油田的數(shù)字化管理工作提供更充分的技術(shù)保證。②要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化建設(shè)和管理工作的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，必須重視對(duì)數(shù)字管理工作進(jìn)行統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)計(jì)劃，建立健全地面工程項(xiàng)目信息化審查機(jī)制。根據(jù)油田實(shí)際情況和工程建設(shè)的實(shí)際情況，建立了運(yùn)行物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的保障體系。因此，必須在實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的同時(shí)，充分利用國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，制訂出適合當(dāng)前生產(chǎn)需要的管理辦法，以保證油田的建設(shè)和應(yīng)用工作順利進(jìn)行。同時(shí)，組建了一個(gè)專業(yè)化的數(shù)字化運(yùn)營(yíng)隊(duì)伍，提升了團(tuán)隊(duì)內(nèi)部的系統(tǒng)運(yùn)維專業(yè)性，確保了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.4 油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本內(nèi)容

在石油天然氣生產(chǎn)信息化系統(tǒng)建設(shè)中，通過對(duì)生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)的調(diào)整，進(jìn)一步優(yōu)化了生產(chǎn)流程，將精細(xì)化管理思想貫徹到了生產(chǎn)實(shí)踐中。油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系建設(shè)工作在解決油氣田勘探開發(fā)生產(chǎn)管理的難題上發(fā)揮出了重要作用，油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系建設(shè)主要以一個(gè)中心、三項(xiàng)基礎(chǔ)建設(shè)為根本目標(biāo)，旨在建立起兩項(xiàng)技術(shù)與管理保障。其中以油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)為核心，以采集油氣田企業(yè)的數(shù)據(jù)為核心，實(shí)現(xiàn)了油氣田生產(chǎn)信息的公開與共享。在此基礎(chǔ)上，通過各企業(yè)的經(jīng)營(yíng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，構(gòu)建了一個(gè)統(tǒng)一的生產(chǎn)管理平臺(tái)，并制定了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)油田的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的指導(dǎo)。

4.5 明確油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

無線、微型、超低功耗、嵌入式和智能化是傳感器發(fā)展的方向。目前已有的傳感器體積大、功耗大、功能單一、安裝配置復(fù)雜等缺點(diǎn)已不能滿足油田的需求，采用無線連接、超低功耗的智能儀器是未來的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前射頻識(shí)別技術(shù)主要集中在低頻、高頻等方面，而超高頻技術(shù)由于其體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，將是RFID 技術(shù)發(fā)展的主要方向。將MEMS 與傳感器技術(shù)的進(jìn)一步整合，MEMS是一種微型設(shè)備或系統(tǒng)，它包括微型機(jī)械、微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、接口、通信和電源。隨著無線傳感器、終端設(shè)備的不斷增加，對(duì)各種數(shù)據(jù)類型的支持，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的集成，使得無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議變得更加復(fù)雜，同時(shí)也更加困難。

5 結(jié)束語

為了加快油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系的建設(shè)和優(yōu)化，必須做好油氣田管理頂層設(shè)計(jì)工作，進(jìn)一步完善油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)各項(xiàng)功能，必須高度重視油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建。通過加強(qiáng)管理力度獲得最大化生產(chǎn)效益，積極開展油氣田智能化升級(jí)工作，結(jié)合油氣田生產(chǎn)基本要求以及相關(guān)目標(biāo)，建立智能化生產(chǎn)模型系統(tǒng)，確保生產(chǎn)期間的各項(xiàng)資源得到最優(yōu)化配置。