张金阔
(玉门油田信息中心，甘肃酒泉735019)
油气生产物联网在油田生产中的应用
张金阔
(玉门油田信息中心，甘肃酒泉735019)
为了推进中国石油油气生产信息化建设，提高油气生产管理水平，实现信息化与工业化的融合，中国石油提出了建设油气生产物联网系统。油气生产物联网系统是利用物联网技术，建立覆盖中国石油油气地面生产各环节的数据采集与监控子系统、数据传输子系统、生产管理子系统，实现生产数据的自动采集、生产过程的自动控制、生产工艺的流程优化、远程监控，生产预警等功能，实现油气生产过程管理，促进生产方式的转变，从而提升油气生产管理水平和综合效益。
油气生产；数据采集；TD－LTE；SCADA系统
Abstract：In order to promote China's oil production of oil and gas information construction,improve the management level of the oil and gas production and achieve the fusion of informatization and industrialization,China petroleum and construction of oil and gas production iot system is proposed.Oil and gas production iot system is to use the Internet of things technology,estab⁃lished China oil surface oil and gas production of each link of the data acquisition and monitoring subsystem,data transmission subsystem,production management subsystem,realize the automatic acquisition of production data,the automatic control of pro⁃duction process,production process optimization,remote monitoring,early warning functions such as production,oil and gas pro⁃duction process management,promote the transformation of production mode,so as to enhance the level of oil and gas produc⁃tion and management and comprehensive benefits.
Key words：oil and gas production;data acquisition;TD－LTE;SCADA system
1 项目背景
中国石油为加快业务领域信息化建设，全面提升企业整体管理水平，在2000年制定的《中石油信息技术总体规划》的基础上，结合公司的发展和信息系统建设情况，形成了《中国石油“十二五”信息技术总体规划》清晰描述了中国石油在“十二五”期间的信息工作管理体制、组织结构及主要工作内容。“油气生产物联网系统(A11)”是勘探开发与管理类中的一个重要信息系统建设项目，已被集团公司列为“十二五”信息技术总体规划重点建设的三大标志性工程之一。
该系统围绕油气生产运行需要，以实现生产操作自动化和优化生产管理流程为手段，提高工作效率，进而优化劳动组织用工，服务油田生产的精细化管理，最终达到“增产增效不增员、节能、节约运行成本”的目的。玉门油田展开了数字化建设、建立全油田统一的生产管理、综合研究的数字化管理系统，实现“同一平台、信息共享、多级监视、分散控制”，达到强化安全、过程监控、节约人力资源和提高效益的目标。
2 油气生产物联网系统的体系架构
油气生产物联网系统按照物联网的体系架构分为三部分，分别是数据采集与控制子系统、数据传输子系统、生产现场监控与管理子系统。
2.1 数据采集与控制子系统功能
数据采集与控制子系统主要实现运行参数自动采集、生产环境自动监测、物联网设备状态自动监测、生产过程监测及远程控制功能。
2.2 数据传输子系统功能
数据传输子系统的实现是以作业区为单位建立覆盖所有生产单元的生产专网，在采油厂实现生产网与办公网的物理隔离；针对数量众多、分布零散的单井、计量间，采用无线传输方式解决生产数据采集以及视频信息的传输问题。
2.3 生产管理子系统功能
生产管理子系统提供生产过程监测、生产分析与工况诊断、物联网设备管理、视频监测、报表管理、数据管理、辅助分析与决策支持、系统管理、运维管理功能。
3 系统设计方案
3.1 感知层
3.1.1 视频监控
在油气井场安装130万像素高清红外网络摄像机进行视频图像采集和处理，采用1.8GHz CPE将摄像机的视频信号通过4G专网将信号传输至通信基站，经过信号处理后传输至机房核心网，通过解码设备可以在监控大屏和终端软件上显示，同时将实时图像存储在NVR。系统分为两级结构；一级为油田数字化指挥中心——主要实现管理、监视的功能；二级为作业区监控室——主要实现控制、存储和监视的功能，视频画面接入油田办公网，进行实时视频采集、监控，能够及时监控环境安全状况和设备运行状况。对环境安全状况和设备运行状况进行视频分析预警，实现异常状况的及时发现和处理。
3.1.2 机采井
在抽油机的悬绳器和工字卡之间安装无线示功仪，能够精准、同步地测试抽油机井的载荷、位移，并实时提供示功图，根据测试的示功图可分析油井工作情况，计算油井产量。在井口取源部件上安装无线压力表，测量油管、套管的压力。在井场电控柜里安装远程智能电机测控单元，全天候监测电机的三相电参和远程控制抽油机的启停，在远程控制启停前现场语音警示，提醒现场作业人员远离电机运行危险区域。所有现场仪表和设备通过2.4G ZigBee将数据传输至RTU。
3.1.3 注水井
通过单井安装无线压力传感器、流量计，智能流量控制器，实时采集注水井井口数据(其中包括井口压力、瞬时流量、累计流量)通过2.4GZig Bee无线网络发送到RTU终端，RTU将数据通过4G无线传输到数据处理点(数据采集服务器)，数据处理点对采集的数据进行解析，解析后的数据通过WEB页面展示出来。在自动状态下，用户能够通过现场控制面板、远程上位机人工设定瞬时流量，仪表根据设定的流量自动开启或者关闭流量调节阀(PID控制)，实现对注水流量的控制要求；在手动状态下，用户可以通过按键或现场控制器设定，直接实现对注水流量的控制。存储生产数据，方便、快捷查询生产历史数据，完成各种报表输出。
3.2 网络层
井场RTU数据需要进行低速数据的采集和传输，井场视频监控则要实现高速数据的采集和传输。油田视频监控和信息采集的主要难点在于：如果采用有线方式，网络质量较好，但成本极高，采油点分布交广，较稀疏，为每个采油点都部署有线传输，工程成本极高，实现难度大。如果采用无线方式，虽然架设方便，但以2G、3G为代表的公网，传输速率低，链路传输时延高，仅能传输图片或较低清晰度的少量摄像头，且公网在采油区的覆盖往往较差，无法满足采油区的网络覆盖需求；遇到突发、紧急事件时，公网容易遇到拥塞、断网等各种问题，难以满足油田对通信的高可靠性要求。
基于以上考虑，我们采用了目前最先进、且已得到大规模应用和验证的第四代移动通信技术，也就是LTE技术。LTE是目前国际上主流的新一代移动通信技术，采用OFDM(正交频分复用)、MIMO(多天线)、HARQ、AMC等关键技术，传输速率高、时延低。很好地满足了油气田生产物联网的应用要求。
在无线通信系统中，频段越高，传输损耗越大，覆盖半径越小。较低的频段虽然覆盖半径大，但低频段基本被占满，很难获取。目前用于专网的频段，一般采用1800频段(1785-1805MHz)，1800频段的优势在于频段资源较宽(一共10MHz)，因此传输速率高，可支持大量的高清视频监控，但覆盖半径较小，如果全部采用1800频段组网，建网成本较高。LTE专网还可以采用230频段，230频段资源较窄，因此传输速率比1800频段低，但由于频段较低，因此覆盖距离远，建网成本低。
综合考虑230频段及1800频段组网的优劣势，创新性地采用230、1800融合组网方案：利用LTE230系统实现广覆盖，解决采油区大范围内的信息采集业务需求(例如，油压等数据)；利用LTE1800覆盖局部热点地区，解决重要设备、采油点的视频监控需要。
3.3 应用层
SCADA系统提供生产过程监测、生产分析与工况诊断、物联网设备管理、视频监测、报表管理、数据管理、辅助分析与决策支持、系统管理、运维管理功能。
SCADA中心控制系统层由硬件系统和软件系统组成，硬件系统主要是平台的建设如：工程师站、操作员站、通讯系统、视频监控系统等组成；软件系统主要是有SCADA站控软件、组态软件、数据库软件、量油软件、应用软件以及服务器软件等。SCADA中心控制系统主要负责完成整个系统及所辖油水井生产数据的自动采集、生产过程的实时监控，实现站内生产数据实时监测、安全风险预警提示、油水井工况动态分析、运行信息自动生成等功能，并与上位管理系统进行数据通信，达到对增压点及所辖井场生产过程监控的目的，以加快油田数字化快速建设，有效指导油田开发。
4 在生产中的应用
单井生产系统分析优化系统平台功能可划分以下模块：数据实时采集与传输、系统和专业数据库管理、生产数据统计分析、工况实时诊断分析、智能优化决策与模式设计、生产系统智能控制、网上智能办公等。实现实时采集、实时分析、实时控制、实施发布的整体目标。
4.1 生产数据监控
新建并集成已有的数据采集与控制系统，实现对采油、采气、注水、集成等油气生产系统的各类参数的自动化采集与实时展示及异常报警。实现井场、站场等重点、关键设备运行参数的监测，在监控中心内配合视频监控，可以24小时电子巡井、巡线、设备巡察。实现对生产参数的异常监测、单点报警和基于系统拓扑关系的关联预警。发现异常后维护队伍及时到现场落实、维护，包括常见油井问题报警、常见水井问题报警、常见气井问题报警、集输管线报警、注水管网报警。
4.2 实时视频监控
对油气生产过程的视频采集、实施监控和展示，以及视频分析预警，包括检测、统计、视频报警和报警联动。对采油井场、计量间、注水井场、注水泵站的环境和注采设备，集输泵站的环境和重要的集输设备，进行实时视频采集、监控，能够及时监控环境安全状况和设备运行状况。对环境安全状况和设备运行状况进行视频分析预警，实现异常状况的及时发现和处理。
4.3 功图数据分析查询
示功图是作为反映有杆泵抽油机的工作状态最直观有效的分析手段。通过示功图，能够及时发现抽油机砂卡、脱杆、凡尔漏失等工作状态的变化和供液不足、气体影响等油藏的动态变化，不但有助于及时发现、排除抽油机工作故障，同时通过历史功图变化和功图换算单井产液量的变化，为油田生产管理，尤其是稳产高产提供动态油藏数据。
同时，单井计量的开展，将极大地优化采油生产的地面集输流程，优化地面管线不但能够降低工人巡视管线的工作量，更主要的是节约地面管线造成的跑冒漏损失和管线成本。
4.4 报表自动生成
数据报表是生产过程中至关重要的一个部分，通过数据报表，可以清晰、直观、有效的了解与掌握各生产单元的生产情况，有助于职能单位对当前的油气生产情况进行宏观的把握和全局的统筹。目前许多单位，尤其是井场等生产单元仍采用人工巡表、手工抄表、人力送表的数据上报机制。自动报表的生成，极大改善了操作人员到现场看表、抄表的现状，很大程度的解放了劳动力。通过油田管控系统的数据自动采集功能，实现了数据的实时采集与监测、报表的自动生成与上报。以便操作人员投入更多精力在提高生产效率方面。
同时自动报表系统支持数据的存储、实时与历史数据查询以及数据趋势曲线与比对功能，与纸质的报表相比，更能准确、快捷的体现生产情况。
4.5 远程指挥管理
作业区现场单井和站库都安装有高清摄像机，通过隔离网闸与油田办公网相连，油水井的各类参数通过WEB方式可以在办公网内浏览，为管理者决策提供了资源基础。
5 在生产中的效果
油气生产物联网系统旨在利用物联网技术，建立覆盖全公司各类井场、站场和管道的规范统一的数字化生产管理平台，实现生产数据自动采集、远程监控、生产预警，支持油气生产优化管理。通过对生产流程、管理流程、生产组织方式和组织机构的优化，促进生产效率和管理水平的提升。
5.1 优化劳动组织模式，增产不增人
数字油田生产物联网系统，实现油田生产形成“井站一体、电子巡护、远程监控、智能管理”的数字化油田开发管理模式。生产一线的井场和中小型站场实现无人值守，达到人员集中管理、运行集中控制、数据集中处理的数字化管理模式，及时掌握生产运行状况，实现远程控制操作，劳动组织模式由分散趋于集中。
5.2 提供决策依据，提升生产效率
通过对单井效率和损耗进行分析统计，对效率过低、损耗过高的单井及早采取措施，提升生产效率；通过对油井各类参数的变化规律，自动识别出油井间歇出油的规律，为间歇出油井的管理提供可靠依据，实现精细化生产；通过对生产情况、生产计划、生产任务进度跟踪、生产趋势、指标对比、注水计划和完成情况等生产动态进行跟踪，实时反映生产状态变化，及时提供决策依据。
5.3 全面工况分析，及时故障预警
数字油田物联网系统根据井场上传的生产实时数据，分析各种参数的变化情况，及时对隐患进行预警，事先介入维修，避免设备进一步损坏造成的更大损失，及停产造成的产能损失。
5.4 故障报警实时上传，缩短设备维修时间
数字油田物联网系统将生产数据和报警实时上传到作业区中控室，工作人员第一时间发现故障警报，并迅速通知维修部门，维修部门通过全面分析设备数据，及时准确地制定合理的维修方案，缩短了故障预警及设备维修时间，减少了设备停工时间，提升了单井产量。
5.5 实施视频监控，建设平安油田
在重要井场部署视频监控，实现安全生产，一旦发现安全隐患立即采取措施；在重要卡口部署视频监控，可以实时监控进出作业区的车辆和人员，及时发现偷盗、破坏等行为，并及时制止、减少损失。
[1]张飞舟.物联网应用与解决方案[M].北京：电子工业出版社,2012.
[2]王映民.TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社,2010.
[3]陈书贞.LTE关键技术与无线性能[M].北京：机械工业出版社,2012.
[4]高志亮.数字油田在中国——油田物联网技术与进展[M].北京：科学出版社,2013.
[5]吕志安.zigBee网络原理与应用开发[M].北京：北京航空航天大学出版社,2008.
Application of Oil and Gas Production of Things in Oilfield Production
ZHANG Jin-kuo
(Yumen Oilfield Information Center,Jiuquan 735019,China)
TP393
A
1009-3044(2017)24-0242-03
2017-07-10
张金阔(1985—)，男，甘肃酒泉人，玉门油田信息中心助理工程师，学士，现从事玉门油田各作业区油水井数据采集建设、4G基站建设、安防视频监控建设及中石油A11项目建设及设备运行维护工作。
