自動控制技術(shù)在氣田開發(fā)中的應(yīng)用

黃湛

（中國石油西南油氣田公司，成都 610051）

0 引言

西南油氣田公司作為中國石油天然氣股份有限公司旗下的地區(qū)公司，主要經(jīng)營四川及西昌盆地的石油天然氣勘探開發(fā)、集輸和銷售以及與之配套的礦區(qū)服務(wù)業(yè)務(wù)，是我國第一個天然氣年產(chǎn)量超百億立方米的大氣區(qū)，第一個以生產(chǎn)天然氣為主的千萬噸級大油氣田。經(jīng)過川渝石油人50多年的艱苦努力，公司建成了重慶、蜀南、川中、川西北、川東北五個油氣區(qū)，為區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展做出了重要貢獻。西南油氣田公司結(jié)合天然氣行業(yè)新的發(fā)展趨勢和區(qū)域經(jīng)濟現(xiàn)狀，確定了建設(shè)300億大氣區(qū)和一流天然氣工業(yè)基地的發(fā)展目標(biāo)。隨著公司氣田油氣勘探開發(fā)的不斷推進，自動控制技術(shù)在川渝氣田開發(fā)中的應(yīng)用也由點到面，在提升管理水平、降低勞動強度、提高生產(chǎn)效率、減少人員配置方面起著日益重要的作用。

1 應(yīng)用歷程

回顧自動控制技術(shù)在川渝氣田開發(fā)中的應(yīng)用歷程，大致可以分為三個階段。

第一階段，以大天池SCADA系統(tǒng)的建設(shè)投用為標(biāo)志，以SCADA系統(tǒng)為核心的自動控制技術(shù)開始逐步應(yīng)用于天然氣采輸領(lǐng)域。

SCADA系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)），是以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動控制系統(tǒng)。它通過對氣田開發(fā)現(xiàn)場的設(shè)備、儀表進行監(jiān)視和控制，實現(xiàn)對天然氣采輸過程的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、信號報警及安全聯(lián)鎖等功能。到目前為止，SCADA系統(tǒng)仍然是當(dāng)前氣田開發(fā)領(lǐng)域自動控制技術(shù)應(yīng)用的核心[1]。

但由于這一時期對天然氣采輸工藝特點研究并不深入，針對性不強，對系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境惡劣，高度分散，維護困難估計不足，同時受到當(dāng)時計算機、通信技術(shù)的限制，造成系統(tǒng)的開放性差，維護、升級、擴容以及與其它應(yīng)用系統(tǒng)的連接非常困難，數(shù)據(jù)傳輸周期長，穩(wěn)定性、可靠性差，在很大程度上限制了自動控制系統(tǒng)在天然氣開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用。

第二階段，以溫泉井、黃龍場氣田自動控制系統(tǒng)的建設(shè)投用為代表。SCADA系統(tǒng)在技術(shù)上更加成熟，采用了開放性良好的WINDOWS操作系統(tǒng)和SQL Server關(guān)系性數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)維護、升級、擴容以及與其它應(yīng)用系統(tǒng)的連接相當(dāng)簡便。

這一時期對控制對象，特別是針對天然氣采輸工藝特點的研究得到不斷加深。設(shè)計上，自控專業(yè)與工藝專業(yè)的結(jié)合日趨緊密，控制邏輯的設(shè)計與儀表選型更加貼近氣田開發(fā)實際。

同時采用自建光纖網(wǎng)絡(luò)作為通信載體，使得數(shù)據(jù)傳輸可靠、穩(wěn)定，真正實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)和控制指令的實時傳輸，打破了自動控制系統(tǒng)在氣田開發(fā)應(yīng)用的瓶頸。

第三階段，以氣田地面工程數(shù)字化建設(shè)為標(biāo)志，公司全面推進自動控制技術(shù)在氣田開發(fā)中的應(yīng)用。按西南油氣田公司數(shù)字化氣田建設(shè)的統(tǒng)籌規(guī)劃，數(shù)字化氣田主要包括了數(shù)字化油氣藏、數(shù)字化井筒、數(shù)字化地面等內(nèi)容。西南油氣田公司地面工程數(shù)字化建設(shè)的主要內(nèi)容包括：SCADA系統(tǒng)建設(shè)、作業(yè)區(qū)地面工程數(shù)字化建設(shè)、公司數(shù)據(jù)平臺建設(shè)及光通信工程建設(shè)等。其中，SCADA 系統(tǒng)將實現(xiàn)輸氣管網(wǎng)及氣田重點核心站場的監(jiān)視和控制；作業(yè)區(qū)地面工程數(shù)字化建設(shè)將覆蓋SCADA 系統(tǒng)未包括的其他站場及井站的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集等內(nèi)容，從而實現(xiàn)西南油氣田公司數(shù)字化建設(shè)的全面覆蓋；通過數(shù)據(jù)平臺建設(shè)實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及視頻信息在公司集中管理，并為各應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。通過光通信系統(tǒng)工程建設(shè)覆蓋公司核心生產(chǎn)區(qū)域的數(shù)字通信網(wǎng)，搭建信息高速通道，為生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)於ɑA(chǔ)。地面工程數(shù)字化建設(shè)包括的主要內(nèi)容為：自動采集數(shù)據(jù)的采傳存、手工上報數(shù)據(jù)的采傳存、工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、遠程喊話等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲、實時發(fā)布，建立公司統(tǒng)一的生產(chǎn)數(shù)據(jù)整合、匯聚、存儲、應(yīng)用平臺，整體提高公司生產(chǎn)自動化管理水平[2]。如圖1所示。

圖1 西南油氣田公司數(shù)字化氣田系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

2 自動控制技術(shù)在氣田開發(fā)中的應(yīng)用情況及效果分析

2.1 西南油氣田公司地面工程數(shù)字化建設(shè)的總體構(gòu)架

目前西南油氣田公司構(gòu)建了以閥室、井站及站場構(gòu)成的現(xiàn)場層、站場/中心站監(jiān)控室及區(qū)域控制中心構(gòu)成的監(jiān)控層、地區(qū)調(diào)度管理中心及總調(diào)指揮中心構(gòu)成的調(diào)度層和應(yīng)用平臺及生產(chǎn)指揮管理系統(tǒng)構(gòu)成的應(yīng)用層的四級數(shù)字化生產(chǎn)管理流程框架。現(xiàn)場層通過RTU/PLC實現(xiàn)現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、聲光報警、入侵探測、工業(yè)視頻監(jiān)控、雙向語音對講及喊話、遠程控制、狀態(tài)檢測及實時故障報警、電量檢測及智能管理等功能。監(jiān)控層通過作業(yè)區(qū)的區(qū)域控制中心、中心站監(jiān)控室和站場監(jiān)控室實現(xiàn)對生產(chǎn)的遠程監(jiān)控并執(zhí)行生產(chǎn)指令。調(diào)度層通過總調(diào)指揮中心和各區(qū)域調(diào)度管理中心實現(xiàn)對生產(chǎn)的調(diào)度管理。應(yīng)用層則是通過數(shù)據(jù)平臺對系統(tǒng)采集的各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行匯聚處理，并用于展示和各類基于數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)解釋的應(yīng)用[3]。

2.2 自動控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及效果

根據(jù)西南油氣田公司數(shù)字化氣田建設(shè)規(guī)劃方案的要求，公司在氣田開發(fā)生產(chǎn)上將依托覆蓋公司全部現(xiàn)役場站的網(wǎng)絡(luò)（作業(yè)區(qū)以下至單井站）及統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集平臺，實現(xiàn)一線生產(chǎn)單元各類日常生產(chǎn)、圖片的采集、管理數(shù)據(jù)和視頻、存儲、傳輸、轉(zhuǎn)換；完成數(shù)據(jù)自動采集，統(tǒng)一向上提供原始數(shù)據(jù)服務(wù)，支撐上層各類綜合應(yīng)用的發(fā)展，實現(xiàn)集中管理、一次采集、多業(yè)務(wù)應(yīng)用。同時，利用成熟的SCADA系統(tǒng)，根據(jù)控制邏輯遠程實現(xiàn)對各類執(zhí)行器的控制，從而達到遠程自動控制工藝設(shè)備的目的。真正達到實現(xiàn)氣田開發(fā)生產(chǎn)過程看得見、控得住的目標(biāo)。目前西南油氣田公司地面工程數(shù)字化建設(shè)中主要的自動控制技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和效果如下：

1）生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)視及多業(yè)務(wù)應(yīng)用

現(xiàn)場儀表采集各類生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)（如：壓力、溫度、液位等），傳入各閥室、井站/站場的RTU/PLC后通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至各級監(jiān)控中心進行實時顯示，使各級生產(chǎn)管理人員能夠通過HMI實時了解掌握氣井生產(chǎn)狀態(tài)，管網(wǎng)運行情況，及時發(fā)布調(diào)度指令，甚至通過自動控制系統(tǒng)直接對生產(chǎn)過程進行干預(yù)，以確保生產(chǎn)安全受控。同時將各類原始數(shù)據(jù)向上發(fā)送至數(shù)據(jù)平臺進行集中存儲、轉(zhuǎn)換和對外發(fā)布，用于展示和支撐各類上層應(yīng)用，為基于數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)解釋的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

2）工藝設(shè)備的遠程控制和限值報警

通過設(shè)定各類儀表采集數(shù)據(jù)的報警限值對生產(chǎn)現(xiàn)場的各類異常情況進行報警，提醒生產(chǎn)管理人員及時檢查異常情況并進行處置。同時根據(jù)預(yù)設(shè)的控制邏輯在生產(chǎn)數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)限值時實現(xiàn)對工藝設(shè)備（如：截斷閥、調(diào)節(jié)閥等）的遠程自動控制，以避免異常工況升級為破壞事故。

3）生產(chǎn)現(xiàn)場入侵報警和工業(yè)視頻監(jiān)控

通過在生產(chǎn)現(xiàn)場布置紅外入侵探測器，對進入生產(chǎn)現(xiàn)場的異常人員進行報警，并聯(lián)動工業(yè)視頻攝像機轉(zhuǎn)向入侵位置進行攝像、拍照取證，也能通過語音喊話系統(tǒng)警示入侵人員離開生產(chǎn)區(qū)域。同時工業(yè)視頻攝像機對重點工藝區(qū)域進行監(jiān)視，并通過通信網(wǎng)絡(luò)將視頻、圖片上傳至數(shù)據(jù)平臺，提供生產(chǎn)現(xiàn)場的視頻、圖片的展示。如圖2所示。

4）通信網(wǎng)絡(luò)

傳輸網(wǎng)絡(luò)主要解決公司SCADA數(shù)據(jù)傳輸和生產(chǎn)信息化通信、辦公數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信、話音通信、圖像視頻、會議電視等業(yè)務(wù)通信。西南油氣田公司骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)依托管道光纖同步建成川渝自有光通信系統(tǒng)，配套完善新增及改擴建生產(chǎn)，開展機房智能化改造及集中網(wǎng)管系統(tǒng)建設(shè)，推動石油專網(wǎng)向融合通信的演進，構(gòu)建統(tǒng)一承載多業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)平臺。作業(yè)區(qū)以上主用通信電路依托地面石油專網(wǎng)光纖通信傳輸，備用電路為VSAT衛(wèi)星通信或采用租用公網(wǎng)數(shù)字電路方式。同時不適用有線通信接入方式的生產(chǎn)場站，可采用國內(nèi)移動運營商所提供的無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸[4-7]。如圖3所示。

進入“十二五”期間西南油氣田公司全面啟動了數(shù)字化氣田建設(shè)，全面推進自動化控制技術(shù)在氣田開發(fā)中的應(yīng)用，根據(jù)公司數(shù)字化氣田建設(shè)規(guī)劃方案，通過SCADA系統(tǒng)建設(shè)、生產(chǎn)信息化建設(shè)及光通信工程建設(shè)，實現(xiàn)井場自動采集覆蓋率由26%上升至85%；中心站自動采集覆蓋率由13%上升至100%；站場自動采集覆蓋率達100%，光纜覆蓋40個作業(yè)區(qū)。按集團公司“六統(tǒng)一”建設(shè)原則，通過2-3年建設(shè)，使公司地面工程數(shù)字化建設(shè)水平處于集團公司一流水平，實現(xiàn)減員增效。

為了公司數(shù)字化氣田建設(shè)順利實施，公司提前組織編制發(fā)布了《油氣田生產(chǎn)信息化建設(shè)總體技術(shù)方案》、《SCADA系統(tǒng)建設(shè)總體技術(shù)方案》、《生產(chǎn)信息化建設(shè)作業(yè)區(qū)標(biāo)準化設(shè)計》和《油氣田生產(chǎn)信息化建設(shè)工程施工及驗收規(guī)范》并根據(jù)股份公司勘探與生產(chǎn)分公司發(fā)布的《中國石油天然氣股份有限公司油氣田地面工程數(shù)字化建設(shè)規(guī)定（試行）》進行了修訂。同時在數(shù)字化氣田建設(shè)全面鋪開之前，2011年開展了6項生產(chǎn)信息化建設(shè)示范工程。

2012年6月西南油氣田公司完成了6個生產(chǎn)信息化建設(shè)示范工程，共建成作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心6座，中心站10座，改造站場、閥室和井站128座，完成投資2694.33萬元，實現(xiàn)無人值守井站62座，減少現(xiàn)場用工人數(shù)272人，節(jié)約員工成本2720萬元/年。為公司全面開展數(shù)字化氣田建設(shè)累積了經(jīng)驗。

2013年西南油氣田公司數(shù)字化氣田建設(shè)全面鋪開，共將進行9個SCADA系統(tǒng)建設(shè)項目、30個生產(chǎn)信息化建設(shè)項目以及與之相配套的光通信工程。屆時西南油氣田公司將建成覆蓋整個川渝氣田的地面工程數(shù)字化系統(tǒng)，為氣田開發(fā)減員增效注入更強大的動力。

圖2 工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

3 自動控制技術(shù)應(yīng)用存在的問題及解決方案建議

在數(shù)字化氣田建設(shè)的過程中，為自動控制技術(shù)在氣田開發(fā)中的應(yīng)用累積了大量的經(jīng)驗，以SCADA系統(tǒng)為核心的自動控制系統(tǒng)在氣田開發(fā)中的成功應(yīng)用表明，作為氣田開發(fā)技術(shù)的一環(huán)，對于提高氣田生產(chǎn)運行的安全可靠性與經(jīng)濟效益，實現(xiàn)天然氣生產(chǎn)、調(diào)度的自動化，提高氣田開發(fā)的效率和水平具有現(xiàn)實意義。針對自動控制技術(shù)在氣田開發(fā)中的推廣應(yīng)用，還有以下幾方面問題亟待研究解決。

由于目前應(yīng)用的自動化信息系統(tǒng)是逐年分階段建成的，因此采用的軟件系統(tǒng)較多，數(shù)據(jù)接口存在差異，在下階段的建設(shè)和改造工作中還需對軟件系統(tǒng)進行進一步的優(yōu)化調(diào)整，一方面采用業(yè)界廣泛認可，成熟的系統(tǒng)軟件，盡可能減少系統(tǒng)內(nèi)軟件數(shù)量；另一方面要加強數(shù)據(jù)接入研究，確保各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)按統(tǒng)一的數(shù)據(jù)編碼接入公司數(shù)據(jù)平臺，供各應(yīng)用系統(tǒng)使用。公司目前在自動化控制方面的設(shè)計、管理及維護方面，專業(yè)力量還較為薄弱，維護技術(shù)人員偏少。自動化是一個專業(yè)性很強的領(lǐng)域，涉及儀表檢測、計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)通信、供配電等多個專業(yè)。在公司數(shù)字化氣田建設(shè)鋪開推廣后，對自動化專業(yè)人員數(shù)量和質(zhì)量提出了更高的要求，建立一支掌握核心技術(shù)，專業(yè)配套完整，具備現(xiàn)場動手能力的專業(yè)隊伍都是十分必要的，建立一支既懂工藝，又能熟練掌握自動化技術(shù)的使用者和管理者隊伍，是氣田自動控制系統(tǒng)應(yīng)用成敗的關(guān)鍵。

圖3 川渝地區(qū)光纜路由結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)束語

自動控制技術(shù)在氣田開發(fā)中的廣泛應(yīng)用，需要大批懂技術(shù)、會操作的操作人員進行系統(tǒng)操作和維護管理，因此對一線操作員工和技術(shù)維護人員的培訓(xùn)工作非常必要。可以依托系統(tǒng)集成商的技術(shù)力量開展多方面的技術(shù)培訓(xùn)。在系統(tǒng)組態(tài)過程中組織技術(shù)人員深入?yún)⑴c，了解掌握系統(tǒng)構(gòu)架、組態(tài)編程和工作原理，為系統(tǒng)的維護管理做好知識儲備；在系統(tǒng)試運投產(chǎn)過程中，開展對操作員工的集中培訓(xùn)，熟悉人機界面、操作流程和對異常情況的應(yīng)對方法，為生產(chǎn)操作管理打好基礎(chǔ)。相關(guān)配套運行管理體系尚未建立。隨著自動化控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，公司大量井站將采用無人值守，由中心站實時遠程監(jiān)控、定期巡檢的管理方式，對生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)和安全生產(chǎn)管理體系提出了新的要求，相應(yīng)管理制度需要盡快建立。□

[1] 張毅華,黃湛.自動控制技術(shù)在溫黃氣田開發(fā)中的應(yīng)用.石油,石化,化工自動化及儀表控制技術(shù)研討會論文集/中國自動化學(xué)會.海口:2007:60-65.

[2] 西南油氣田分公司油氣田地面工程數(shù)字化建設(shè)總體技術(shù)方案技術(shù)框架分冊.成都:西南油氣田公司,2012.

[3] 西南油氣田分公司油氣田地面工程數(shù)字化建設(shè)總體技術(shù)方案技術(shù)規(guī)范分冊.成都:西南油氣田公司,2012.

[4] 中國石油天然氣股份有限公司油氣田地面工程數(shù)字化建設(shè)規(guī)定(試行).北京:中國石油天然氣股份有限公司勘探與生產(chǎn)分公司,2011.

[5] 油田地面工程建設(shè)規(guī)劃設(shè)計規(guī)范.SY/T0049-2006.北京:石油工業(yè)出版社,2006.

[6] 油氣田及管道儀表控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范.SY/T0090-2006/北京:石油工業(yè)出版社,2006.

[7] 胡壽松.自動控制原理[M].北京:科學(xué)出版社,2013.