吉林油田低成本油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究

摘要：在總結(jié)傳統(tǒng)數(shù)字油田建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，吉林油田結(jié)合生產(chǎn)實際，自主研發(fā)了井、間、站低成本物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，形成了“簡單、實用、低成本”的特色物聯(lián)網(wǎng)成套技術(shù)，打造了“自主研發(fā)、自主設(shè)計、自主建設(shè)、自主運維”的數(shù)字油田建設(shè)新模式。該技術(shù)突破傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系架構(gòu)，采用新型特色低成本物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)傳輸方式、井場視頻監(jiān)控方式、井況診斷方式、產(chǎn)品安裝維護方式、供電方式、平臺部署、經(jīng)濟性等方面做出較大改進。

關(guān)鍵詞：數(shù)字油田；低成本；自主研發(fā)；創(chuàng)新

一、吉林油田低成本油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架

吉林油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)充分吸收借鑒集散控制系統(tǒng)的設(shè)計思想，采取分布式架構(gòu)，分散采集，集中存儲、計算、監(jiān)控。以云平臺為系統(tǒng)核心，全油田一個平臺，以運營商4G網(wǎng)絡(luò)、VPDN接入網(wǎng)、油田生產(chǎn)網(wǎng)構(gòu)成傳輸系統(tǒng)，單井設(shè)備、計量間RTU通過運營商無線網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)，站場通過油田生產(chǎn)網(wǎng)接入系統(tǒng)，監(jiān)控客戶端通過油田生產(chǎn)網(wǎng)接入，如圖１。

軟件上構(gòu)建一體化管控系統(tǒng)，全油田數(shù)據(jù)集成于一套系統(tǒng)中，構(gòu)建數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用開發(fā)層、展示交互層三層架構(gòu)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源、算法資源、應(yīng)用功能資源全油田共享。

二、油井解決方案

前端井場物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備包括三款設(shè)備：抽油機停井報警儀、測控儀、井場電子眼。抽油機井安裝抽油機停井報警儀、測控儀，螺桿泵井和電潛泵井安裝測控儀，每個井場安裝井場電子眼。

（一）抽油機停井報警儀

抽油機停井報警儀是吉林油田獨有的一款物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，由電源模塊、加速度檢測模塊、4G傳輸模塊構(gòu)成。該設(shè)備安裝于抽油機游梁上，通過傳感器實時監(jiān)測游梁運動狀態(tài)判斷抽油機是否停井，當(dāng)游梁停止運動，該設(shè)備會向物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)出停井信號，物聯(lián)網(wǎng)平臺通過短信、微信、網(wǎng)絡(luò)等方式向用戶發(fā)出停井報警提示，其主要作用在于及時發(fā)現(xiàn)異常停井。通過該設(shè)備可以精確計量抽油機井生產(chǎn)時間，為采油時率管理提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)依據(jù)[1]。

（二）測控儀

測控儀是吉林油田在吸收借鑒現(xiàn)有電參數(shù)采集設(shè)備、電力計量設(shè)備、時控開關(guān)設(shè)備、電源設(shè)備、RTU、DTU設(shè)備的功能基礎(chǔ)上，結(jié)合采油生產(chǎn)實際研制的一款集電源、采集、控制、計量、傳輸功能于一體的產(chǎn)品。通過該產(chǎn)品可以定時或?qū)崟r采集電機電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電量等多項參數(shù)，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控啟停井、自動間抽運行、平衡度測試等功能，如表１。

（三）井場電子眼

井場電子眼是一款串口攝像頭，采用中國移動4G網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，可以定時或?qū)崟r抓拍多種分辨率的井場照片，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)電子巡井功能。井場電子眼具有連拍功能，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺可擬合成動畫，便于用戶查看井場動態(tài)變化。井場電子眼由測控儀提供12V電源，安裝時用戶只需將電子眼電源插頭插好即可。井場電子眼安裝調(diào)試無須復(fù)雜軟件配置，用戶只需將設(shè)備序列號和井號錄入物聯(lián)網(wǎng)平臺即可。

（四）設(shè)備間關(guān)系

抽油機停井報警儀、測控儀、井場電子眼三款產(chǎn)品各自獨立運行，在功能上互相驗證和支撐。抽油機停井報警儀報警時，用戶可利用井場電子眼和測控儀檢驗停井報警信息是否準(zhǔn)確；用戶遠(yuǎn)程啟停井時，抽油機停井報警儀可反饋啟停井是否成功信息；測控儀采集數(shù)據(jù)提示井況異常時，用戶可利用井場電子眼查看現(xiàn)場情況。

三、計量間解決方案

計量間安裝吉林油田研制的低成本計量間采集控制柜，采集溫度、壓力、流量、翻斗計數(shù)、可燃?xì)怏w報警等信號。溫度測量采用較一體化溫度變送器更為經(jīng)濟的熱電阻（三線制），降低計量間建設(shè)費用；壓力測量采用壓力變送器，信號制式為兩線制4-20mA信號，流量信號采集采用RS485通信方式。計量間信號傳輸采用DTU通過VPDN專網(wǎng)接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

四、油氣站場解決方案

油氣站場站控系統(tǒng)采取分布式架構(gòu)，采用吉林油田研制的多功能采集控制柜、注水機組自保控制柜、水源井控制柜等采集控制站內(nèi)各類參數(shù)。站控系統(tǒng)通過油田生產(chǎn)網(wǎng)接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺。由于吉林油田油氣站場物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是對已有站場上進行物聯(lián)網(wǎng)改造，因此改變了傳統(tǒng)的集中設(shè)置控制柜集中布線的方式，采取分散設(shè)置控制柜，儀表就近接入控制柜，解決了施工造成站內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施破壞的問題，同時也解決了老舊站場井場挖漏維修造成線纜易被挖斷的難題。

在站場自動化上，充分利用已有設(shè)施功能，結(jié)合變頻器型號雜、品牌多、新舊不一的實際，改變了控制方式，取消了應(yīng)用RS485通信方式采集控制變頻器，改為利用變頻器AI、AO端子的方式實現(xiàn)變頻器的遠(yuǎn)程采集控制。

在工控安全上，站場網(wǎng)絡(luò)出口唯一，通過設(shè)置ACL、配置白名單、IP與MAC地址綁定等措施實現(xiàn)工控網(wǎng)絡(luò)訪問控制安全。

五、吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要創(chuàng)新點

對比傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有如下特點。

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同

吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用分布式結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用鏈?zhǔn)郊軜?gòu)，相比傳統(tǒng)技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化、優(yōu)化，系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性問題得到系統(tǒng)性解決。采用傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)時，當(dāng)POE電源、無線網(wǎng)橋、交換機電源、交換機、RTU電源、RTU等任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，用戶都不能獲取物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)采用分布式結(jié)構(gòu)，設(shè)備間獨立運行，獨立傳輸，功能上相互驗證，當(dāng)一個設(shè)備失效時，可以通過另外兩個設(shè)備獲取相應(yīng)信息。例如：抽油機停井報警儀失效，可以通過井場電子眼、測控儀確認(rèn)是否停井；測控儀失效，可以通過井場電子眼和抽油機停井報警儀確認(rèn)油井工作狀態(tài)。

按照系統(tǒng)方法論的觀點，當(dāng)系統(tǒng)構(gòu)成的每一個部件的可靠度為90%時，由14個部件構(gòu)成的系統(tǒng)的可靠度僅為43%，對比傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品配置更加簡單，取消了傳統(tǒng)技術(shù)中使用的示功儀、RTU、無線網(wǎng)橋、開關(guān)電源、空氣開關(guān)、交換機等設(shè)備，井場物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量由14件減少到3件，消除了故障多發(fā)環(huán)節(jié)，提高了設(shè)備的上線率。

油氣場站部分改變以往控制柜集中部署的方式，按照站內(nèi)采集點分布就近部署控制柜，符合吉林油田油氣站場物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是在現(xiàn)有裝置基礎(chǔ)上改造的實際，減少了對站內(nèi)現(xiàn)有地面的破壞，減少了土建工作量，也方便了維修維護，解決了以往存在的線纜經(jīng)常被挖斷的瓶頸問題[2]。

（二）網(wǎng)絡(luò)傳輸方式不同

吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用中國移動物聯(lián)網(wǎng)貼片卡，通過VPDN方式實現(xiàn)井場物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入油田生產(chǎn)網(wǎng)，取消了井場的無線網(wǎng)橋，節(jié)省了井場立桿等建設(shè)費用，大大降低了維護強度和安全風(fēng)險，提高了傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在網(wǎng)絡(luò)安全上，VPDN是利用IP網(wǎng)絡(luò)的承載功能結(jié)合相應(yīng)的認(rèn)證和授權(quán)機制建立起來的安全的虛擬專用網(wǎng)。在具體實現(xiàn)上采用隧道技術(shù)，即物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)封裝在隧道中進行傳輸。隧道技術(shù)的基本過程是在油田生產(chǎn)網(wǎng)與中國移動網(wǎng)絡(luò)的接口處，將數(shù)據(jù)作為負(fù)載封裝在一種可以在公網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式中，在油田生產(chǎn)網(wǎng)與公網(wǎng)的接口處將數(shù)據(jù)解封裝，取出負(fù)載。被封裝的數(shù)據(jù)包在公網(wǎng)上傳遞時所經(jīng)過的邏輯路徑被稱為“隧道”。VPDN采用專用的網(wǎng)絡(luò)安全和通信協(xié)議，VPDN用戶可以經(jīng)過公網(wǎng)，通過虛擬的安全通道和油田生產(chǎn)網(wǎng)進行連接，而公網(wǎng)上的用戶則無法穿過虛擬通道訪問油田生產(chǎn)網(wǎng)[3]。

（三）井場視頻監(jiān)控方式不同

吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)不采用連續(xù)流方式視頻監(jiān)控，改為拍照方式實現(xiàn)井場監(jiān)控，大大降低了傳輸流量。相比連續(xù)流監(jiān)控，功能更加實用，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺管理功能可以保證每一張照片都被檢視，而連續(xù)流視頻則無法保證視頻一直被審核。通過此種方式也大大降低了各類存儲和服務(wù)器等建設(shè)費用、運維費用和管理人員投入等費用。

（四）井況判斷方式不同

吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)不使用示功圖分析判斷井況，而是利用吉林油田獨有的電參數(shù)自動解釋技術(shù)通過電功圖實現(xiàn)井況的自動變化報警和部分典型異常井況的自動識別。示功儀的取消，降低了單井物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)費用和維護費用，降低了安裝維護難度和安全風(fēng)險。

（五）產(chǎn)品安裝維護便利化

吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品安裝維護簡單，無須復(fù)雜軟件配置，大大降低了對安裝、維護人員的技術(shù)要求，采油工人經(jīng)過簡單培訓(xùn)即可安裝、維護；單井設(shè)備僅需綁定序列號，無須配置，即插即用；計量間控制柜標(biāo)準(zhǔn)化接線，量程變換等移至組態(tài)軟件端完成，安裝維護人員只需按照色標(biāo)接線即可，無須配置。而傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要求安裝維護人員具備相當(dāng)?shù)膶I(yè)技術(shù)，掌握PLC組態(tài)、RTU配置、攝像機配置、無線網(wǎng)橋配置等技術(shù)才能勝任，維修維護技術(shù)門檻高，由此也造成故障不能得到及時有效的處理[4]。

（六）電源方式不同

吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)在設(shè)計上盡量減少電源數(shù)量，抽油機停井報警儀采用電池供電，井場電子眼由測控儀供電，取消了所有開關(guān)電源設(shè)備，從根本上解決了電源部分故障多的問題。在計量間控制柜設(shè)計上充分考慮采油廠供電的實際，加強可靠性、抗沖擊性能、電路保護性能的設(shè)計，投用以來從未發(fā)生過供電原因造成的設(shè)備損壞。

（七）統(tǒng)一的平臺部署

吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)在平臺部署上采取集中統(tǒng)一部署于云平臺的方式，取消了以往分散部署于采油廠的服務(wù)器，實現(xiàn)平臺統(tǒng)一運維。解決了以往服務(wù)器分散部署于采油廠時存在的機房環(huán)境差、安全防護部署不到位、運行維護不方便的問題。同時服務(wù)器的統(tǒng)一云化部署，大大方便了大數(shù)據(jù)挖掘、智能化算法的快速部署與應(yīng)用，實現(xiàn)了從OLTP向OLAP的轉(zhuǎn)變，建成了國內(nèi)目前最完整的高頻油井電參數(shù)據(jù)資源庫[5]。

（八）經(jīng)濟實用

吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)單井物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備費僅為6000元左右，僅為傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備費的1/5，各型控制柜價格僅為傳統(tǒng)設(shè)備的1/2。

六、結(jié)語

吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，利用抽油機停井報警儀解決異常停井發(fā)現(xiàn)難的問題，利用測控儀解決井況異常發(fā)現(xiàn)不及時的問題，利用井場電子眼解決人工巡檢不到位、不及時的問題，借助于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，又衍生出很多實用性功能，用簡單的產(chǎn)品實現(xiàn)了不簡單的功能。就系統(tǒng)自身而言，經(jīng)過對傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的改進、簡化、優(yōu)化，從根本上解決了系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性的問題，為保持高上線率奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，解決了物聯(lián)網(wǎng)用不住的瓶頸問題。

參考文獻(xiàn)

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