物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油氣生產(chǎn)現(xiàn)場的應(yīng)用

向 剛

（中國石油吐哈油田分公司信息技術(shù)公司，新疆 哈密 839009）

0 引言

國內(nèi)油氣資源需求量的持續(xù)提升以及現(xiàn)存油氣田開發(fā)難度的不斷增加，導(dǎo)致油氣開發(fā)企業(yè)面臨較大的發(fā)展壓力。在開發(fā)成本不斷提升的情況下，油氣開發(fā)企業(yè)急需采取適當(dāng)?shù)姆绞綄崿F(xiàn)“降本增效、提質(zhì)增效”的生產(chǎn)目標(biāo)。當(dāng)前，油氣生產(chǎn)的舉升、計量、注入以及集輸?shù)痊F(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)節(jié)的管理通常需要人工來完成，存在效率低下、安全可靠性低等問題。因此，油氣開發(fā)企業(yè)急需引進物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，建立能夠統(tǒng)籌管理生產(chǎn)現(xiàn)場各設(shè)備、工藝和生產(chǎn)流程的信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)油氣生產(chǎn)工作的提質(zhì)增效和降本增效。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)物與物之間、人與物之間的互通，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸與拓展而來的［1］。該技術(shù)能夠借助激光掃描器、射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）以及紅外傳感器等傳感設(shè)備完成對物的狀態(tài)的識別與采集，通過既定的協(xié)議實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與后端管理系統(tǒng)的信息交互，最終達到監(jiān)控、預(yù)警、分析和提升效率的目的。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系主要包括3 個層次（見圖1）。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)三層體系架構(gòu)

感知層是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)，主要包括各類傳感器設(shè)備，如RFID 設(shè)備、GPS 感知終端、攝像頭、二維碼標(biāo)簽、壓力傳感器以及溫濕度傳感器等各類設(shè)備，這類設(shè)備作為終端設(shè)備的“神經(jīng)末梢”，能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場各類狀態(tài)信息的實時采集。傳輸層應(yīng)用的關(guān)鍵在于將感知層各類設(shè)備、物體所采集的信息傳遞給應(yīng)用層，主要涉及各類網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如云計算平臺、移動互聯(lián)網(wǎng)、無線通信以及光纖網(wǎng)線等，是確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的最終體現(xiàn)，能夠與各行業(yè)需求相結(jié)合，實現(xiàn)智能化運行管理目標(biāo)，因此被廣泛應(yīng)用于物資管理、生產(chǎn)管理、智能交通等場景［2］。

2 油氣生產(chǎn)現(xiàn)場中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油氣生產(chǎn)現(xiàn)場的應(yīng)用需要從物聯(lián)網(wǎng)3 層架構(gòu)入手，即將各類監(jiān)控設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備裝設(shè)于站庫、井場等油氣生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的實時采集；依靠無線通信網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)線通信以及移動互聯(lián)網(wǎng)等方式，將采集的數(shù)據(jù)信息傳輸給生產(chǎn)調(diào)度中心；生產(chǎn)調(diào)度中心的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)則能夠自動分析油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進而為生產(chǎn)現(xiàn)場運作管理提供決策指引，滿足現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控、預(yù)警、優(yōu)化等相關(guān)需求。在實際應(yīng)用過程中，感知層的設(shè)備主要包括通過無線、有線等通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的壓力、溫度、流量等傳感器，這些設(shè)備能夠方便生產(chǎn)調(diào)度中心實時采集和傳輸油氣處理站庫、集輸管網(wǎng)、油氣井等的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在全面感知全程設(shè)備運行狀態(tài)的情況下實現(xiàn)智能化控制；傳輸層對通信網(wǎng)絡(luò)形式的選取需要結(jié)合現(xiàn)場情況，如光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸用于間隔較近的井場、站庫等區(qū)域，無線網(wǎng)絡(luò)用于偏遠區(qū)域，以此來降低傳輸層的建設(shè)成本，常用的無線傳輸技術(shù)主要包括數(shù)傳電臺、通用無線分組業(yè)務(wù)（General packet radio service，GPRS）、4G/5G①4G/5G：4G 是指第四代的移動信息系統(tǒng)；5G 是指第五代移動通信技術(shù)。專網(wǎng)、無線網(wǎng)橋、NBloT 等；應(yīng)用層需要結(jié)合油田生產(chǎn)運作需求合理地設(shè)計功能模塊，主要包括工況診斷、故障預(yù)警、智能分析、生產(chǎn)信息統(tǒng)計、生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控以及資產(chǎn)管理等相關(guān)內(nèi)容［3］。

3 油氣生產(chǎn)現(xiàn)場中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的具體應(yīng)用

油氣生產(chǎn)現(xiàn)場的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲以及生產(chǎn)運行管理幾個部分，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要借助各類傳感器采集計量站、計轉(zhuǎn)站、注水站、油氣井、接轉(zhuǎn)站、注水站以及聯(lián)合站等站場數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型為視頻畫面、控制參數(shù)、運行參數(shù)等；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)借助無線、有線兩種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建傳遞、處理現(xiàn)場所采集數(shù)據(jù)的傳輸通道；數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器等，能夠用于存儲處理現(xiàn)場所采集的視頻、生產(chǎn)運行相關(guān)數(shù)據(jù)；生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)則能夠結(jié)合各類數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)對油氣生產(chǎn)現(xiàn)場工序的實時監(jiān)控及優(yōu)化改進，滿足設(shè)備運維管理、自動控制等的需求［4］。

3.1 油氣生產(chǎn)現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)感知層建設(shè)應(yīng)用思路

3.1.1 井場數(shù)據(jù)采集

油氣生產(chǎn)現(xiàn)場可以借助遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）、ZigBee②ZigBee：也稱紫蜂，是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議，底層是采用IEEE 802.15.4 標(biāo)準規(guī)范的媒體訪問層與物理層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點、支持多種網(wǎng)上拓撲、低復(fù)雜度、快速、可靠、安全。無線傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)采集傳感器構(gòu)建現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以此來滿足水套爐站、氣井、電泵井、機抽井以及自噴井等各區(qū)域的運行參數(shù)和視頻狀態(tài)采集需求，實現(xiàn)對電泵、機抽等的遠程控制。在系統(tǒng)運行過程中，壓力傳感器、溫度傳感器等設(shè)備能夠借助ZigBee 無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)信息傳輸至RTU 遠程終端控制系統(tǒng)，經(jīng)RTU 處理后依靠無線傳輸設(shè)備、光纜、工控專線等將數(shù)據(jù)信息傳輸至監(jiān)控中心，滿足數(shù)據(jù)的采集和傳輸需求［5］。

感知層的關(guān)鍵在于借助各類傳感器設(shè)備實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集，確保后臺控制系統(tǒng)能夠結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)實現(xiàn)對現(xiàn)場油氣生產(chǎn)設(shè)備的智能化控制。不同油氣田采集的標(biāo)準參數(shù)主要包括油壓、回壓、套壓、井口溫度以及功圖等數(shù)據(jù)信息，對于部分儲存稠度、黏度較高的原油田或壓力較大的天然氣田，現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)節(jié)通常需結(jié)合油氣狀態(tài)采取加熱輸送等傳輸方式。此外，針對相關(guān)生產(chǎn)運作模式，現(xiàn)場所采集的數(shù)據(jù)也需要增加加熱爐溫度、流量等相關(guān)參數(shù)。

3.1.2 站場數(shù)據(jù)采集

油氣站場數(shù)據(jù)采集主要包括工藝流程參數(shù)和視頻監(jiān)控畫面等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，能夠為生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)的監(jiān)控、調(diào)度指揮、自動控制等應(yīng)用功能提供有效數(shù)據(jù)。其中，站場生產(chǎn)工藝流程數(shù)據(jù)主要包括流量參數(shù)、液位參數(shù)、壓力參數(shù)、溫度參數(shù)、可燃氣體和有毒氣體參數(shù)等，各類參數(shù)主要用于安全管理和生產(chǎn)管理；視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)與井場數(shù)據(jù)采集情況一致，主要涉及生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場、煙霧、火災(zāi)、人員闖入以及刺漏等相關(guān)視頻畫面的監(jiān)控。

3.2 油氣生產(chǎn)現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)傳輸層建設(shè)應(yīng)用思路

物聯(lián)網(wǎng)傳輸層在油氣生產(chǎn)現(xiàn)場建設(shè)應(yīng)用的關(guān)鍵在于確保數(shù)據(jù)能夠高效、穩(wěn)定地傳輸。油氣開發(fā)企業(yè)需要兼顧傳輸?shù)墓δ苄耘c傳輸層的建設(shè)成本，這需要做好現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)運行環(huán)境的調(diào)研工作，結(jié)合各應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)流量傳輸要求和各網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的特性合理選擇，實現(xiàn)不同傳輸技術(shù)的有效結(jié)合。在實際應(yīng)用過程中，油氣開發(fā)企業(yè)可以在場站、井場等不同區(qū)域選擇不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸模式。在井場傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，油氣開發(fā)企業(yè)應(yīng)確保傳輸層能滿足泵類設(shè)備、抽油機、加熱爐等各類設(shè)備的控制信息傳輸需求，以及井場的各類視頻監(jiān)控信號和生產(chǎn)運行參數(shù)的傳輸需求。由于受到井場位置分布等因素的限制，油氣開發(fā)企業(yè)傳輸層可以采取光纖網(wǎng)絡(luò)、無線基站、虛擬專有撥號網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Dial Network，VPDN ）專網(wǎng)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)傳輸模式。

3.2.1 井場傳輸網(wǎng)絡(luò)

由于井場內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸距離相對較短，在考慮成本、功能性的情況下，油氣開發(fā)企業(yè)可以借助ZigBee技術(shù)實現(xiàn)RTU 終端與現(xiàn)場流量、壓力、溫度等各類傳感器設(shè)備的聯(lián)系，滿足現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的傳輸需求。對于井場外部區(qū)域，由于數(shù)據(jù)傳輸距離較遠，油氣開發(fā)企業(yè)可以結(jié)合移動互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋情況合理地選擇網(wǎng)絡(luò)傳輸模式，將VPDN 專網(wǎng)用于4G/5G 等信號較強的區(qū)域，利用光纖網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)井場數(shù)據(jù)的高效傳輸。

3.2.2 場站傳輸網(wǎng)絡(luò)

場站相對井場而言，所匯集的數(shù)據(jù)量更大，需同時滿足設(shè)備控制、視頻監(jiān)控以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集等各類數(shù)據(jù)信號的傳輸需求，對數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸安全的可靠性和穩(wěn)定性要求較高。因此，在實際應(yīng)用時，油氣開發(fā)企業(yè)可以采用光纖構(gòu)建傳輸網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合日常辦公、生產(chǎn)運作、視頻監(jiān)控等的各類需求劃分不同的網(wǎng)絡(luò)，避免因日常辦公網(wǎng)絡(luò)與工控網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)導(dǎo)致病毒入侵、黑客攻擊等問題出現(xiàn)，以及對傳輸網(wǎng)絡(luò)的安全性造成影響。

3.3 油氣生產(chǎn)現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層建設(shè)應(yīng)用思路

為滿足油氣生產(chǎn)現(xiàn)場的高效管理需求，應(yīng)用層應(yīng)按照分層管理的思路架設(shè)，建設(shè)前結(jié)合油氣田現(xiàn)狀，劃分為不同的片區(qū)，并設(shè)置單個片區(qū)的基礎(chǔ)管理以及所有片區(qū)的全面管理兩個管理層級。前者主要從事區(qū)域內(nèi)井場及場站的事故處理、生產(chǎn)運維和現(xiàn)場監(jiān)控等相關(guān)工作，能夠結(jié)合現(xiàn)場情況和上級指揮完成對站場設(shè)備的遠程控制等操作；后者則能夠監(jiān)控不同井場、場站的運行情況，具有單井報警、多參數(shù)組合報警、集輸報警等預(yù)警和智能化處理功能，能夠匯總所采集的液面、壓力相關(guān)數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)據(jù)提出生產(chǎn)運作優(yōu)化建議，還能夠滿足現(xiàn)場設(shè)備指揮調(diào)度等各項功能需求。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油氣生產(chǎn)現(xiàn)場的應(yīng)用效果及注意事項

油氣開發(fā)企業(yè)能夠依靠基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的信息化管理系統(tǒng)實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的高效管理。此外，油氣開發(fā)企業(yè)在設(shè)備巡檢方面能夠利用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)滿足站場無人值守的運作需求。因此，日常巡檢頻次大幅度降低，最終被故障巡檢取代，實現(xiàn)了人力成本的有效控制。借助各類視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，油氣開發(fā)企業(yè)能夠更有效地把控現(xiàn)場生產(chǎn)運作情況，實現(xiàn)對環(huán)境污染問題的有效控制，還可以借助各類生產(chǎn)運行參數(shù)對油氣開發(fā)工藝流程進行優(yōu)化改進，大幅度提升生產(chǎn)運作效率和質(zhì)量。

然而，在實際應(yīng)用過程中，油氣開發(fā)企業(yè)也需要重點關(guān)注數(shù)據(jù)采集傳感器的成本和壽命問題、數(shù)據(jù)傳輸層安全問題以及標(biāo)準統(tǒng)一性等問題，提前做好解決相關(guān)問題的預(yù)案。在數(shù)據(jù)采集傳感器方面，油氣生產(chǎn)現(xiàn)場所應(yīng)用的壓力、溫度等無線傳感器需要借助傳感器內(nèi)置電池才能運行，為滿足電池續(xù)航能力增強、傳感器功耗控制等的需求，油氣開發(fā)企業(yè)通常采取傳感器定制生產(chǎn)模式，這導(dǎo)致傳感器安裝與維護成本相對較高。因此，油氣開發(fā)企業(yè)需針對此類問題做好技術(shù)研發(fā)等相關(guān)工作。此外，油氣田現(xiàn)場單井?dāng)?shù)量分布廣泛，有線傳輸模式雖然安全性更高，但在成本和部署效率方面難以令油氣開發(fā)企業(yè)接受；無線傳輸網(wǎng)絡(luò)往往會存在較高的安全隱患，這需要油氣開發(fā)企業(yè)對無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行必要的加密處理，合理采取調(diào)制、編碼的方式提升無線傳輸信道的安全性和可靠性，但安全技術(shù)的應(yīng)用也需要適應(yīng)終端設(shè)備的計算能力，這需要油氣開發(fā)企業(yè)做好相關(guān)研究工作。

5 結(jié)語

油氣開發(fā)企業(yè)需要積極引進物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)緩解當(dāng)前在油氣生產(chǎn)等過程中面臨的環(huán)境保護壓力、成本控制壓力和生產(chǎn)效率提升壓力。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用過程中，油氣開發(fā)企業(yè)應(yīng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建包括感知層、傳輸層、應(yīng)用層在內(nèi)的3 層系統(tǒng)架構(gòu)，利用感知層的傳感器、攝像頭等設(shè)備采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息；借助ZigBee、RTU、光纖、VPDN 以及無線網(wǎng)橋等實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的傳輸；利用應(yīng)用層各功能模塊實現(xiàn)對井場、場站各設(shè)備的遠程控制、故障預(yù)警、生產(chǎn)優(yōu)化等，從而實現(xiàn)油氣生產(chǎn)過程降本增效與提質(zhì)增效。