基于物聯網技術的油田稠油注采工藝監控平臺研究

敬興龍，武建軍，楊力，李暉

(1. 新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；2. 克拉瑪依紅有軟件有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；3. 中石油新疆油田公司，新疆 克拉瑪依 834000)

基于物聯網技術的油田稠油注采工藝監控平臺研究

敬興龍1，武建軍2，楊力1，李暉3

(1. 新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；2. 克拉瑪依紅有軟件有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；3. 中石油新疆油田公司，新疆 克拉瑪依 834000)

提出了一種基于物聯網技術的油田注采工藝監控平臺的搭建方法，將傳統的RTU數據采集遙測系統、SCADA系統等與新型的WSN與LTE網絡通信技術等綜合運用，搭建了一套新型智能化監控平臺，實現了數據采集存儲、現場設備遠程控制、無線數據傳輸、故障預診斷等多項核心功能。該套系統目前主要集中在傳感層與網絡層的研究，隨著該套監控平臺的搭建完成，未來可進一步開展應用層的研究。

長期演進 無線傳感器網絡 物聯網 智能油田 監控平臺

物聯網技術近年來迅猛發展，傳感層、通信層、應用層等各個層級都取得了比較廣泛的研究成果，但結合實際的應用目前進展緩慢。基于物聯網技術的稠油注采工藝處理過程監控系統從稠油注采工藝處理過程入手，技術上通過物聯網技術、LTE網絡實現對稠油生產工藝的安全監測，實時高效地感知生產現場，大幅度地提升稠油生產現場管理、安全操作和自動化水平，實現稠油井區、注汽站、稠油處理站等關鍵生產環節的實時生產數據采集、生產環境實時監控、設備運行狀態管理監控、實時故障診斷，業務單元預警分析，實現物聯網技術和稠油生產過程緊密結合，優化地面工藝，提升蒸汽驅油效率，降低開發成本。

1 基于物聯網技術的稠油注采工藝處理過程監控系統簡介

該系統利用物聯網傳感技術感知油田稠油采輸過程的各個環節，包括單井生產過程中的壓力、溫度、電流、功率，多通閥組的控制與計量切換，簡配站的單井產液流量、日產量；同時監測熱采鍋爐的干度、壓力、注汽流量、溫度以及環境參數等，借助生產、安全信息及各種通信手段傳遞現場動態信息，實現采油生產工況實時診斷、管控；對油田采油各生產環節參數、效率、損耗進行分析，優化工作參數；實時實現對油田采油各生產環節的“大閉環”智能控制。實現“同一平臺、信息共享、多級監視、分散控制”，起到強化生產安全、過程監控、節約人力資源和提高效益的作用，達到為油田稠油生產方案的調整提供實時的數據分析與故障診斷等決策依據的目的。系統結構如圖1所示。

圖1 基于物聯網技術的稠油注采工藝處理過程監控系統架構

2 數據采集遙測系統

井場數據采集與控制核心為現場儀表及RTU機箱。現場儀表采集固定載荷、角位移、壓力、溫度、H2S體積分數等參數。其中現場傳感器的選取結合物聯網傳感層的特點可選擇各種新型的無線壓力、溫度、載荷等傳感器，突出物聯網傳感層研究在工業現場的具體實踐；RTU機箱主要包括RTU模塊、無線網橋、電機監控模塊等。

3 數據傳輸子系統

數據傳輸子系統包含多項通信技術研究，結構如圖2所示。

圖2 數據傳輸子系統結構示意

3.1異構融合組網

3.1.1結合LTE網絡基礎設施的多層次混合物聯網組網協議

LTE網絡的基礎設施與物聯網固定匯聚節點融合，可以確保網絡中的傳感器在任一時間與LTE網絡的連通性。

1) 支持LTE的物聯網協議棧框架，實現基于LTE網絡的數據處理協議、多終端自適應接入協議及自適應組網協議等。

2) 適合LTE網絡應用需求的物聯網節點專用軟件架構(底層協議棧、驅動、操作系統及中間 件等)。

3) 結合路由刷新周期、傳感終端所負責采集的物聯網覆蓋范圍、匯聚節點周圍的瓶頸效應及網絡壽命等因素，分析和設計適用于該混合網絡結構的網絡協議，包括路由協議和拓撲控制等。

4) 混合網絡結構模式和單獨固定匯聚節點模式相比可以提高網絡性能(包括時延、能耗等)，主要采用仿真的方法進行評價，并構建實驗系統進行性能驗證。

5) 建立路徑長度與選擇策略的關系模型，實現在傳感器節點只能采用多跳路徑與匯聚節點進行通信的情況下自適應選擇特定固定匯聚節點進行通信，并解決固定匯聚節點周圍的瓶頸效應問題。

3.1.2LTE網絡與WSN網關設備及互聯技術的研究

LTE網絡與WSN網關設備及互聯技術的研究包括作為匯聚節點的傳感終端的網關功能研究以及與LTE網絡基站的網關功能研究。需要考慮網絡的動態性、無線媒質的丟失特性、節點傳輸范圍的有限性對物聯網設計與性能的影響。具體包括：

1) 傳感終端的快速切換與可靠通信機制研究。網絡動態、無線媒質的丟失特性以及移動業務特性，要求多個傳感終端之間支持快速接入與可靠通信，支持自適應快速切換。

她沒害你，咋就騙了你的錢，你半年沒進校門，學校要把你除名，費多大的勁，才讓你讀完大學，這教訓還不夠嗎？看你擰頭別筋的樣子，去大連吧。但是有一條，不能干不靠譜的事。

2) 基于LTE的物聯網查詢與匯報機制研究，包括LTE網絡基站發現機制、作為采集節點的物聯網路由選擇方案設計、數據匯報機制和協議設計。

3) LTE網絡基礎設施與物聯網中高層節點(包括固定匯聚節點)互聯互通與協議轉換技術研究。中高層節點采用雙模制式，通過協議轉換，利用基站間的有線鏈接實現WSN中高層節點—基站—基站—WSN中高層節點的互聯互通。

3.1.3LTE網絡基礎設施與WSN中高層節點的深入融合

LTE網絡與WSN的融合不僅表現為通過終端的融合，而且可以實現WSN與LTE網絡的基礎設施的融合。通過融合LTE網絡的基礎設施與WSN中高層節點的功能，可以實現資源的充分利用及滿足特殊情況下(如地震導致基站間光纖通信中斷)的應急通信等需求。

WSN中高層傳感節點包括多媒體傳感器、矢量傳感器及底層物聯網匯聚節點等設備，均具有高帶寬要求、高能耗等特性，均可作為兩網融合的切入點。LTE網絡基礎設施如基站等具有較好的選址、較高的計算能力及充足的能量與帶寬，故將兩者作設備級融合。其融合可分為以下幾步：

1) 松耦合。WSN中高層節點與LTE基站簡單集成，兩者共享能源、位置、帶寬等資源，兩種網絡在拓撲上相互隔開，形成松散的耦合結構。研究內容包括基站與WSN中高層節點的硬件接口定義、數據交互協議、公共信息管理等。

3.1.4WSN與LTE網絡融合的電磁兼容性

WSN與LTE網絡的融合將涉及到兩者之間的電磁兼容問題，為滿足各種業務應用場所的需要，采用不同的無線通信技術作為物聯網的通信手段，如在實際的數據傳輸量較小時，采用如Zigbee等無線通信技術的物聯網；而在視頻安全監控上，所要求的數據傳輸量較大時，采用如Wi-Fi等無線通信技術的物聯網。因此，在同一個融合網絡中，將同時存在低速、中高速的物聯網與LTE網絡。

3.1.5低速和中高速WSN與LTE網絡融合的信號傳輸模型

根據不同短距離無線通信技術的信號傳輸特點，特別是Zigbee，Wi-Fi等技術特點，在現有研究成果的基礎上，根據WSN的拓撲結構，分析研究WSN的信號傳輸模型，并在此基礎上，結合LTE網絡的信號傳輸模型，提出在網絡融合條件下的信號傳輸模型，為研究低速、中高速WSN與LTE網絡融合的相互干擾和共存奠定理論基礎。

3.2LTE系統組成

LTE系統引入了正交頻分復用多址(OFDMA)和多天線多輸入多輸出(MIMO)等關鍵傳輸技術，顯著增加了頻譜效率和數據傳輸速率(峰值速率能夠達到上行50Mbit/s，下行100Mbit/s)，并支持多種帶寬分配，頻譜分配更加靈活，系統容量和覆蓋顯著提升。

1) OFDMA。在OFDMA系統中，用戶僅使用所有的子載波中的一部分，如果同一個幀內的用戶的定時偏差和頻率偏差足夠小，則系統內不會存在小區內的干擾，比碼分系統更有優勢。

2) MIMO。頻率資源的使用是有限的，無論在時域、頻域還是碼域上處理信道容量均不會超過香農極限。多天線的使用使得不同用戶的信號可以用不同的空間特征來表征，使得空域資源的使用成為可能。空域處理可以在不增加帶寬的情況下成倍地提升信道容量，也可以改善通信質量、提高鏈路的傳輸可靠性。

3) 自適應調制編碼(AMC)。根據信道條件分配傳輸功率和碼率，以提高傳輸速率或系統吞吐量。自適應技術在室內環境中具有很明顯的優勢，因為在室內環境中傳播時延很小，發射機和接收機之間的相對速度也較慢。在該種情況下，自適應技術可以逐幀使用。

4 稠油生產工藝監控子系統

1) 圖表顯示實現流程監控。以圖表曲線的形式對稠油生產的各個環節采集的數據進行直觀展示，包括油井生產參數、鍋爐運行參數、集輸水處理設備運行參數、油藏開發參數等，使生產管理人員可以直觀地了解稠油生產各個環節的參數運行與變化。

2) 數據分析。根據稠油生產不同環節的業務分析需求，建立標準的數據分析模型，通過對大量數據的整合、分類、抽稀、對比、統計進行綜合分析，使管理人員可以直觀了解稠油生產的動態參數變化。

3) 故障診斷。建立稠油生產油藏注采、設備運行診斷的標準模型，通過對參數的變化來診斷稠油油藏開發變化、設備運行出現的主要問題，并進行相應的報警觸發，實時提醒管理人員進行故障排查與對策實施。

4) 生產預警。通過成熟的業務預測模型來預測稠油油藏開發未來的趨勢變化，包括產量、遞減率、含水量變化等關鍵指標的預測預警，使管理人員可以根據油藏開發的預測提前制訂優化措施。

5) 智能控制和自學習規則建立和優化。借助成熟的專家系統、BP神經元網絡、Petri網等成熟算法，根據現場的生產數據和應對措施，建立智能控制系統，并且根據系統反饋，對系統進行自動校正和學習，提供系統的控制精度和準確性。如遠程油井啟停、沖次控制、變頻器頻率修改、注汽閥門控制、計量閥門控制和控制器參數更改等，涉及傳輸協議、參數地址、指令代碼與解釋，積累了大量可供推廣和參考的管理模型和管理經驗。

5 數據管理系統(DMS)子系統

將所有數據引入油田生產信息管理系統，取代了以往靠統計人員通過大量的數據錄入與分析才能得到的分析結果，能快捷全面地統計分析各種生產報表信息及統計分析結果，而且可根據生產需求方便靈活地更改查詢及統計。

6 結束語

文中從稠油注采工藝處理過程入手，以實時高效感知生產現場、提升稠油生產現場管理、安全操作和自動化水平以及最大限度地降低生產成本為目的，綜合運用多項物聯網相關技術，搭建了一套集中的系統化管理平臺。特別是LTE網絡、WSN技術等無線技術的運用改變了傳統的通過地埋方式的光纜敷設以及遠距離光纖架設的工作量大、成本高的缺點。該平臺的搭建還為未來物聯網應用層多項新技術、新功能提供了廣闊的開發平臺。

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StudyonMonitoringPlatformofHeavy-OilInjection-ProductionProcessBasedonIOTTechnology

Jing Xinglong1， Wu Jianjun2， Yang Li1， Li Hui3

(1. Xinjiang Hualong Oilfield Technology Co. Ltd.， Karamay， 834000， China；2. Hongyou Software Co.Ltd.， Karamay， 834000， China；3. CNPC Xinjiang Oilfield Corporation， Karamay， 834000， China)

One construction mean is proposed for oilfield injection-production process monitoring platform based on IOT technology. A set of new intelligent monitoring platform is set up with integrating traditional RTU data acquisition telemetry systems， SCADA systems， new WSN and LTE network communication technology， etc. And the core functions of data acquisition and storage， on-site equipment remote control， wireless data transmission， fault diagnosis and others are realized. This system mainly focuses on study of sensor layer and network layer at present， with completion of monitoring platform construction， the study on application will be developed further in the future.

long term evolution； wireless sensor network； IOT； intelligent oilfield； monitoring platform

稿件收到日期： 2013-06-05，修改稿收到日期2013-09-18。

國家物聯網發展專項資金(財企[2013]297號)。

敬興龍(1987—)，男，四川射洪人，2010年畢業于西南石油大學測控技術與儀器專業，現就職于新疆華隆油田科技股份有限公司，主要從事油田自動化生產設備及系統化工程技術研究工作，任助理工程師。

TP273

B

1007-7324(2013)06-0017-04