物聯網在數字油田的應用

曾 韜

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 數字油田概述

1.1 數字油田概念

數字油田 （digital oil field，DOF）來源于 “數字地球（digital earth）”。所謂“數字地球”，是指在全球范圍內按地理坐標和空間位置將所有的信息對應地組織存儲起來，構造成一個統(tǒng)一的信息模型，并提供一種直觀的、方便的、有效的、快速的、交互的檢索方式、顯示方式和使用方式，為全人類服務。

數字油田的概念最早可追朔到1991年，在當時的《Oil&Gas》雜志上就出現了智能油田（smart field）詞匯和論述。但是，當時數字油田的確還是一個較為模糊的概念，尚處于構想階段，然而，其基本思想卻立即得到了普遍認可。國外通常引用的是美國劍橋能源研究協會（Cambridge energy research associates，CERA）的數字油田概念：數字油田的愿景是不同地域的操作者、伙伴或服務公司通過使用改進的數據、知識管理、強大的分析工具、實時系統(tǒng)和更有效的業(yè)務流程（business processes）等而受益。1999年，中國石油大慶油田有限責任公司（簡稱大慶油田）在國內首次提出數字油田的概念，并將數字油田作為企業(yè)發(fā)展的一個戰(zhàn)略目標。

1.2 數字油田產生及發(fā)展過程

油田信息化的高級階段——數字油田產生及發(fā)展過程大概可分為以下階段。

·準備階段，即在20世紀90年代前。油田企業(yè)向機械化、電氣化、自動化、信息化、數字化、可視化、智能化、集成化方向發(fā)展，為數字油田的出現奠定了技術和應用基礎及提供了迫切的需求。

·萌芽階段，即20世紀90年代至21世紀之交。勘探開發(fā)一體化、可視化和虛擬現實、智能井（smart well）技術日趨成熟，ERP、電子商務的應用進入石油業(yè)，信息集成、數據挖掘等技術推進了數據資產化和數字油田理念產生的進程。

·起步階段，即世紀之交至2005年底。其標志是2000年2月CERA召開的題為“數字油田——新一代油藏管理技術”的大會。2003年2月，CERA又以“將來的數字油田”為題發(fā)表報告，倡導利用IT技術，廣泛地實現油田勘探、開發(fā)、生產的集成化、效率化、最優(yōu)化和實時化。而且預言，由于利用數字油田技術，今后5～10年，可以新增石油儲量1 250億桶。還指出今后發(fā)展的5項新技術，即以4D地震為代表的遠程測量傳感（remote sensing）技術，使復雜數據一元化表示的可視化（visualization）技術，智能鉆井、完井（intelligent drilling and completion）技術，自 動 化 （automation） 技術和信息集成 （data integration）技術。盡管數字油田的觀點、認識、概念很多，產品、方案也開始出現，但成熟的成功應用實踐還不多。

·發(fā)展階段，即從2005年底起至今。以2005年10月在美國達拉斯舉行的石油工程師協會 （society of plastics engineers，SPE）年會為標志，會上發(fā)表了Sell、Chevron等數字油田的應用實踐案例。現在，已有25個不同的“Smart Field”項目在世界各地實施。Sell公司，從2000—2004年已經完成200口智能井，之后三年計劃完成660口智能井。Total公司裝備了目前世界上最先進、大容量、高速的虛擬現實系統(tǒng)，可處理2 PB的數據。IDC的2006年石油工業(yè)10大技術預測中，將數字油田排在了第6位。

1.3 數字油田的內涵和技術

關于數字油田的定義有眾多版本，本文只列出三種有代表性的定義。

（1）以大慶油田為代表的國內石油公司定義

“數字油氣田”是以油氣田為研究對象，以石油氣的整個生產流程為線索，建立勘探、開發(fā)、地面建設、儲運銷售以及企業(yè)管理等多專業(yè)的綜合數據體系，并將各專業(yè)的數據和應用系統(tǒng)進行高度融合，在建立油氣田生產和管理流程優(yōu)化應用模型的基礎上，利用可視化技術和模擬仿真以及虛擬現實等技術對數據實現可視化和多維表達，并且通過智能化分析模型，為企業(yè)經營管理提供輔助決策信息，進一步挖掘生產和管理環(huán)節(jié)的潛力，使信息化建設更好地服務于企業(yè)生產和管理，為油氣田企業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造良好的信息支撐環(huán)境。

（2）BP公司e-Field定義

數字油田是技術和業(yè)務流程的集合，它們對油田的所有資產，從油藏到銷售終端，實時地獲取、監(jiān)視和分析油田數據，提供實時的、連續(xù)的、遠程的監(jiān)控和管理，可以頻繁地獲取油藏圖像；快速地瀏覽集成的油藏、井筒和設備單元的記錄；使用門戶等可視化工具方便地訪問數據，并對其解釋和模擬。基于對地表和地下預測模型技術的數字決策支持系統(tǒng)（digital decision-support system）被用于分析實時數據和直接或間接地控制開發(fā)生產環(huán)境。

（3）Shell的 Smart Fields的定義

一個貫穿整個設備資產生命周期（throughout the asset life cycle）的由“測量—模擬—控制（measure-model-control）”到 “測量—監(jiān) 控—決 策—執(zhí) 行 （measure-monitor-decideexecute）過程的轉變。其核心思想和技術是閉環(huán)（close）、優(yōu)化（optimise）和集成（integrate）。

數字油田可以說就是油田信息化和自動化的代名詞，是全面地應用信息技術、計算機技術、通信技術、自動控制技術、石油勘探開發(fā)技術、現代管理思想、方法和技術等，對傳統(tǒng)產業(yè)進行武裝、提升和改造，在決策管理層、執(zhí)行層和過程控制層以及企業(yè)內部和外部，全面提升生產技術能力、經營管理能力和市場應變力。它是企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的關鍵環(huán)節(jié)，是企業(yè)現代化的基本標志，是提高企業(yè)核心競爭力的重要手段，是走新型工業(yè)化道路的必然選擇，是體制創(chuàng)新、管理創(chuàng)新和加強企業(yè)管理的重要途徑，是科技進步的重要表現和組成部分，是帶動各項工作提高水平的突破口，是企業(yè)求生存、圖發(fā)展的必由之路。總之，數字油田是油田信息化的高級階段，是油田信息化達到網絡化、數字化、模型化和科學化的全新標志，是油田信息化的宏觀目標，是油田信息化的重要里程碑，也是油田信息化的鮮明旗幟。圖1是數字油田的示意圖。

2 物聯網在數字油田的應用

2.1 物聯網概念

物聯網是指通過射頻識別（RFID）、傳感器、GPS等信息獲取設備，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡概念。物聯網的延伸概念：將電子化、信息化滲透到各行各業(yè)的愿景，在機器之間、機器與人之間、人與現實環(huán)境之間實現高效的信息交互方式，并通過新的服務模式使各種信息技術融入社會行為，是信息化在人類社會綜合應用中達到的更高境界。

2.2 物聯網與數字油田

石油行業(yè)是物聯網應用的重要行業(yè)，尤其是石油生產環(huán)節(jié)的數字油田的應用推廣給全球物聯網應用帶來千載難逢的契機。中國電信作為國內最主要的物聯網應用商之一，及時把握機會，對石油行業(yè)客戶的物聯網應用需求進行了一年多廣泛而深入的調研，于2009年成功研發(fā)并推出服務于數字油田的物聯網應用產品 “基于CDMA通信網絡的油井生產遠程監(jiān)控系統(tǒng)”（以下簡稱“油井生產遠程監(jiān)控系統(tǒng)”）。作為數字油田的重要應用系統(tǒng)，油井生產遠程監(jiān)控系統(tǒng)通過對油井生產過程的自動化監(jiān)測，實時地獲取、監(jiān)視和分析生產數據，提供實時的、連續(xù)的、遠程的監(jiān)控和管理。系統(tǒng)可以歸納為3個環(huán)節(jié)：數據采集—數據傳輸—遠程監(jiān)控，該系統(tǒng)屬于典型的物聯網應用。

2.3 油井生產遠程監(jiān)控系統(tǒng)

2.3.1 系統(tǒng)概述

油井生產遠程監(jiān)控系統(tǒng)包括3個子系統(tǒng)：油井生產數據遠程采集傳輸系統(tǒng)、油井生產遠程分析管理系統(tǒng)、油井生產遠程控制系統(tǒng)。油井生產遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現了以生產基地中控室為中心的油田生產運行模式。中控室通過實時監(jiān)測發(fā)現問題并發(fā)出遠程控制指令。只有在遠程系統(tǒng)無法解決的情況下，才需要技術人員到現場解決問題。這種模式不僅使職工的工作條件有了根本改善，也使現場工作效率大幅度提高。油田生產遠程監(jiān)控系統(tǒng)是數字油田的重要基礎。隨著信息技術和自動化工藝的不斷發(fā)展，生產遠程監(jiān)控系統(tǒng)在油田生產中的應用越來越廣，為油田高效開發(fā)、降低消耗、安全生產、減輕員工勞動強度、提高工作效率和管理水平提供了可靠的保障。系統(tǒng)通過傳感器、視頻攝像頭等對油氣井生產情況進行定期數據采集，通過CDMA終端把數據發(fā)送至前線中控室對數據進行分析管理，以掌握油井生產狀況，并進行必要的遠程控制；同時將數據傳輸至油田生產基地中控室，試點生產基地可以同步了解到油井生產情況，圖2為該系統(tǒng)的架構示意圖。

2.3.2 油井生產數據自動采集傳輸系統(tǒng)

油井生產遠程監(jiān)控系統(tǒng)的前端系統(tǒng)是油井生產數據自動采集傳輸系統(tǒng)。油井生產狀況采集傳輸系統(tǒng)分為三種類型：第一種是一體化示功儀系統(tǒng)，第二種是全無線系統(tǒng)，第三種是叢式井系統(tǒng)。

（1）一體化示功儀系統(tǒng)

系統(tǒng)主要設備是CDMA一體化示功儀，是以16位微處理器為核心，集采集、存儲、2.4 Gbit/s ZigBee微功率無線模塊和CDMA模塊于一體的高精度功圖采集終端，其結構如圖3所示。示功儀安裝在抽油機的抽油桿上，內置加速度傳感器、載荷傳感器、CDMA模塊和電池，可實現油井核心數據采油機功圖的自動采集、傳輸。一體化示功儀內的RTU模塊將載荷傳感器和加速度傳感器采集來的數據進行濾波、計算處理，形成示功圖，通過CDMA模塊遠程傳輸到生產基地服務器。系統(tǒng)系統(tǒng)也可以擴展采集油溫、油壓、電量等生產數據，傳感器數據通過ZigBee模塊無線發(fā)送至一體化示功儀上，而示功儀通過加裝ZigBee接收模塊，可獲取傳感器數據。

整個系統(tǒng)具有安裝簡單、維護方便、可靠性高、性價比高等特點，具體如下。

·系統(tǒng)體積小，安裝維護方便。把載荷傳感器、加速度傳感器和無線數據傳輸模塊集成到一個小裝置內，直接安裝到抽油機井口的懸繩器上，無需其他任何接線。抽油機井上只需安裝一臺示功儀即可實現油井地面功圖的遠傳。系統(tǒng)采用加速度測量位移，避免了拉線法的體積大、機械部件多、加工復雜、使用中卡線斷線等許多缺點。

·本地存儲，遠程終端單元可以存儲120個示功圖，在網絡掉線的情況下能夠保證數據不丟失。

·模塊化設計，便于調試和更換元器件，方便維護，節(jié)約成本。

·電子手抄器設置參數，使用手抄器以無線方式設置通信參數，無需開蓋。

·電量自動報警。

·遠程升級，RTU和DTU內的嵌入式程序均可以通過CDMA網絡進行遠程升級。

·功能擴展：能夠遠程采集溫度、壓力，一體化示功儀通過無線模塊接收溫度和壓力信號，再通過CDMA模塊把信號遠程傳輸到上位機服務器。

·實時采集：能夠遠程實時監(jiān)測抽油機井地面示功圖，一體化示功儀從采集、處理、存儲、發(fā)送數據到存入服務器全部實現自動化，無需任何人工參與。根據時間即可實現記錄的查詢。

（2）全無線采集傳輸系統(tǒng)

所有的傳感器都通過短距離無線傳輸（ZigBee）方式傳輸至數據采集傳輸終端（RTU），由RTU傳輸至生產基地服務器。全無線系統(tǒng)適用于油田的所有井型，可以有效解決油田、油氣和水井現場生產以及相關數據的實時采集、傳輸、處理等工作中的問題。通過遠程實時監(jiān)控，不僅可以大大降低成本，節(jié)能增效，減輕工人勞動強度，提高生產、工作效率，還可以有效防止破壞、盜竊采油設施的不法行為，保障油田生產安全。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于能夠自動實時采集油水井工況的許多參數，這些參數包括載荷、位移、壓力、溫度、電參量、流量等，而且全部實現無線數據傳輸，避免了施工埋線、線纜老化等問題。系統(tǒng)具有安裝維護簡單、使用方便、功能齊全、性能可靠、運行安全等特點。全無線系統(tǒng)主要由以下部分組成：遠程終端單元（RTU）、CDMA模塊、ZigBee無線模塊、無線一體化示功儀、無線壓力傳感器、無線溫度傳感器、無線流量計等，如圖4所示。

系統(tǒng)功能和特點如下：

·每個RTU管理一口井上的壓力、溫度等參數；

·具有自動登錄網絡、斷線自動重連的功能，用戶免于維護數據連接；

·實現油井工況數據的自動實時采集、解析、入庫，無需人工干預；

·系統(tǒng)采用超低功耗MSP430系列微控制器，最大限度地降低系統(tǒng)耗電；

·采用數字溫度、壓力表直觀準確地顯示油井溫度壓力。

（3）叢式井系統(tǒng)

叢式井系統(tǒng)適用于叢式井或距離不大于500 m的井群。該系統(tǒng)中所有傳感器統(tǒng)一編號，都通過無線模塊與井群RTU交互數據。井群RTU協調DTU模塊管理傳感器網絡，本地存儲和顯示所有井采集的數據和管理參數，負責將所有井數據通過DTU模塊傳送到服務器。該系統(tǒng)突破了遠程控制終端單元只能管理一口井的瓶頸，減少了遠程控制終端的使用數量，節(jié)省成本和通信費用，更大程度上優(yōu)化了井群工況數據采集系統(tǒng)。對于叢式井或距離不大于500 m的井群，該系統(tǒng)提供了完整的解決方案。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于集中管理井群，節(jié)省大量的成本，還具有可靠、開放、靈活、性價比高等特點。叢式井系統(tǒng)包括：井群遠程終端單元（井群 RTU）、數據傳輸模塊（DTU）、無線模塊、各種傳感器，如圖5所示。無線傳感器包括無線一體化示功儀、無線壓力傳感器、無線溫度傳感器、無線流量計等。

系統(tǒng)功能和特點如下：

·集中管理，RTU管理井群，每個遠程控制終端單元（RTU）可以管理多口油水井，減少RTU的使用數量；

·集中傳輸，減少CDMA等無線網絡終端設備，減少數據卡的使用數量，節(jié)省通信費用；

·通用性強，設備采用模塊化設計，可以和多種無線模塊連接；

·兼容性好，RTU可以兼容視頻監(jiān)控設備、紅外報警設備、遠程控制設備；

·開放式結構，系統(tǒng)擴展方便。

·系統(tǒng)具有保密功能，從而防止了非操作人員的誤操作。

2.3.3 油井生產遠程分析管理系統(tǒng)

系統(tǒng)概述：油井生產數據遠程采集傳輸系統(tǒng)只是將數據采集至生產管理單位，而油井生產遠程分析管理系統(tǒng)是對采集的數據進行有效利用的部分。系統(tǒng)通過對功圖、電參、壓力、溫度等多元數據的分析，對油井生產狀況進行綜合診斷分析及優(yōu)化。系統(tǒng)包括以下6個子系統(tǒng)：數據采集子系統(tǒng)、數據管理子系統(tǒng)、分析預測子系統(tǒng)、工程分析子系統(tǒng)、遠程計量子系統(tǒng)、優(yōu)化設計子系統(tǒng)，如圖6所示。

數據采集子系統(tǒng)：采集錄入功圖、功率、功率因素、電壓、電流、油壓、套壓等生產參數。

數據管理子系統(tǒng)：生成油井靜態(tài)數據庫、實時動態(tài)數據庫、采油設備數據庫、油井生產日報數據庫，依據數據庫開發(fā)數據查詢、動態(tài)圖件生成、圖件查詢。

分析預測子系統(tǒng)：根據油井具體參數，應用油水復合法、采液指數法、Petrobras法等方法，對油井生產進行預測。

工程分析子系統(tǒng)：主要應用于超深井、水平井的自噴、電潛泵采油、酸化、壓裂作業(yè)井下單級、組合油管柱設計、校核。系統(tǒng)中建立了多種工況下（起下管柱、正常生產、封隔器座封、酸化、壓裂作業(yè)等）的管柱受力計算方法，包括對油井壓力場計算、油井溫度場計算、稠油井注蒸汽、電加熱、回采等工藝的井筒溫度場計算。可根據實時采集的功圖、電流、扭矩、壓力等數據，實現油井的實時分析與診斷。繪制稀油區(qū)塊油井宏觀控制圖、稠油熱采區(qū)塊宏觀控制圖。

遠程計量子系統(tǒng)：以實測示功圖、壓力、溫度、轉速、電參數等采集參數作為分析有桿/無桿泵工作狀況的主要依據，建立先進的、適用的油水井系統(tǒng)數學模型及算法；診斷出油水井工況和存在的問題；計算出各種復雜工況下的油井的產液量；同時進行各種有效的數據分析與統(tǒng)計，并可以遠程智能控制與調節(jié)油井的工作狀態(tài)。系統(tǒng)可準確及時地統(tǒng)計和掌握客戶的用電信息；對用電設備、電能表的運行狀態(tài)和客戶的用電情況進行實時監(jiān)控、分析管理。

優(yōu)化設計子系統(tǒng)：通過對油井歷史數據的挖掘、當前數據的分析，應用軟件強大的數值仿真功能，智能化地實現當前工況診斷、油井生產預測、區(qū)塊狀況預測等功能，為油井設計、油井生產、作業(yè)維護等提供合理方案。通過泵抽時間、沉沒度、泵抽產量等數據，繪制沉沒度與時間關系圖，確定合理間抽制度，提高間抽井效率。

2.3.4 油井生產遠程控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)屬于遠程智能調控系統(tǒng)，具有對抽油機井、電泵井、螺桿泵井等的工況進行實時采集、實時分析、實時控制的功能，同時還具有間抽設置、遠程開關井、遠程變頻等遠程控制功能。通過下達采集、調控等指令，自動完成實時監(jiān)測油井的壓力、溫度、功圖、動液面、電參數等，遠程智能調控電機啟停、閥門開度、電機頻率等，保證了采集調控的迅捷、精準，并降低了油井工人的勞動強度，提高了油水井的自動化管理水平。油井智能調控系統(tǒng)實現遠程油井采油動態(tài)資料數據的自動化采集和傳輸，由遠程變頻控制單元利用功圖、壓力、溫度和電參量數據對油井工況進行綜合診斷，依據油井綜合診斷結果選擇最佳變頻和啟停方案，實現對采油設備的最高效變頻控制，達到提高泵效的最佳應用效果。其結構如圖7所示。

3 油井生產遠程監(jiān)控系統(tǒng)應用案例及效果

中國電信油井生產遠程監(jiān)控系統(tǒng)目前已在黑龍江大慶油田、天津大港油田和新疆克拉瑪依油田得到了應用，使油田實現了油井自動監(jiān)測和控制、實時數據采集、油井液量計量、油井工況診斷優(yōu)化設計等功能，在實現簡化地面流程的作用同時，還實現了提高油井系統(tǒng)效率的目的，為簡化油田地面流程，節(jié)省產能建設和提高系統(tǒng)效率等方面做出了重要貢獻，獲得了用戶的高度認可。圖8～11反映了系統(tǒng)在大港油田使用前后的效果。