基于SCADA系統的數字化油田的設計

劉 亮，陸 地

（中國石油集團工程設計有限責任公司 北京分公司，北京100085）

本世紀是油田地面工程技術完善提高的階段，按照“安全可靠、經濟高效、節能降耗”的原則，油田地面工程在注重自身方案優化的同時，積極與油藏工程、采油工程密切合作，力爭地面與地下整體優化，采用SCADA對生產數據進行采集，實現了井站無人值守。因地制宜地研發一批先進、經濟、適用的工藝技術設備，以優化設計、節能降耗為特點，把油田自動化技術推向一個新水平。

數字化管理是油田發展階段面臨的新課題，是進一步轉變方式、提升發展質量的重要舉措。

1 數字化管理的定義

數字化管理是指利用計算機、通信、網絡、人工智能等技術，量化管理對象與管理行為，實現計劃、組織、協調、服務、創新等職能的管理活動和管理方法的總稱。通俗的說就是要“聽數字指揮、讓數字說話、用數字控制”。數字化油田應具備3個特征[1]：

時效性時效性是指實時監測所有生產動態并將其體現到模型中，始終為決策者提供最新的動態模型，優化決策與實施都在第一時間作出反應，同步進行。

一體化協同在技術上采用的是實時遠程控制，實時數據共享，實時調整運行與實時決策修正，在管理上實施閉環式管理，即勘探、開發、管理全過程的所有人員形成一個緊密協同的項目組，而不是分隔式的專業管理。

持續性持續最優化開發油田。

2 數字化管理的實例

數字化油田即實現智能化、自動化、可視化、實時化閉環控制。

尼日爾AGDAM油田利用數字化管理，改變傳統管理方式，提高了生產效率，降低了安全風險，減輕了勞動強度，控制了用工數量。至今已成功運行了5年，收到了較好的經濟及社會效益。

尼日爾AGDAM油田位于撒哈拉沙漠腹地，油田所管轄61口油井、2口氣井、16口注水井。整個油田有1個CPF，CPF 位 于 AGDAM；1個 FPF，FPF 位 于SOKOR；9個 OGM。CPF與 FPF間距為62 km，PF下轄 4個 OGM，CPF與 OGM間距約3～4 km。FPF下轄5個OGM，FPF與OGM距離為4～5 km。CPF與FPF采用12芯光纜連接，CPF與OGM間采用4芯光纜，FPF與OGM間采用4芯光纜。點多、面廣、線長、管理難度大。

數字油田總體架構設計充分結合尼日爾油田管理和運營特點，構建穩定、可擴展、集成的統一框架。充分考慮到基礎環境、專業數據和業務應用的完整性以及契合性，覆蓋油田所有專業應用，同時考慮到油田實際的公共鏈路以及網絡情況，充分重視標準體系和安全體系的建設。

按照多層進行系統構架，圍繞數據核心，構建符合油田需要的地面地下一體化數據模型，規范數據采集、處理流程，保證入庫數據質量，中心數據庫按專業建立各自的數據子集，通過統一的數據總線（接口）為上層應用服務，上層應用只需關注業務數據的內容、格式，不用考慮其訪問方式。上層應用按照SOA架構建設，在集成的架構上通過統一的門戶進行訪問。考慮到未來項目擴展需求，該框架具有很強的擴展能力。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 System block logical drawing

2.1 單井井場數字化管理項目內容

單井井場數字化建設以實現前端數字化管理的基本需求為基礎，以滿足單井正常生產和數字化管理為重點，主要實現油井生產數據采集、電潛泵電機三相電參數監測、電潛泵遠程啟停、井場集油管線壓力采集、井場視頻實時監控、闖入智能分析、井場遠程語音警示等功能，達到單井井場生產數據實時采集、電子巡井、危害識別、風險預警、油井工況智能診斷的目的，具體內容如下：

1）井口數據采集

井口數據：油壓、套壓、回壓、井口溫度。

井下數據：入口壓力、電機溫度、吸入口溫度、泄漏電流等。

為油井工況分析實時采集油井數據，為油井工況分析、單井口設備提供實時監控。

2）電潛泵電機三相電參數采集與控制

電潛泵數據：額定電壓、額定電流、運行頻率、運行電流、欠載值、過載值、直流電壓、運行狀態數據、起動、停機、復位等。

數據同步傳送至井場交換傳輸設備，實現抽油機運行狀態監測和遠程啟停控制功能。

3）井場集油管線壓力監測

在井場集油管線出口安裝壓力變送器，監測井場集油管線運行壓力。

4）井場 RTU

RTU用于采集井口數據，由于尼日爾風沙較大而且砂粒極小，故對RTU機柜的防護等級要求較高，為IP65。以適應單井井場的數據傳輸和處理，同時井場RTU預留至少6個RS485和2個RJ45接口，RS485讀取油井和注水井的壓力、溫度、流量數據并進行控制。RJ45用于與光電轉換模塊通訊。

RTU機柜內帶有光電轉換模塊OT，OT將RTU收集的數據通過光電轉換模塊轉換成光信號上傳到FPF或CPF光端機FOTE內，FOTE再將光信號轉換成電信號上傳到SCADA系統的實時服務器內。這樣，操作人員就可在足不出戶情況下，監測到整個油田的數據，并可根據工藝需要啟停油井設備。

為保證RTU在斷電情況下數據不丟失，在RTU機柜內安裝了可供RTU工作6 h的UPS電池。

5）視頻監控與闖入智能分析

井場內選擇適當位置安裝一體化攝像機（不帶云臺）和智能分析視頻服務器（具有闖入智能分析、語音警示功能），實現井場實時視頻監控、闖入報警和圖像抓拍功能。

6）井場照明

井場安裝照明燈，實現井場照明。

7）井場遠程語音警示

井場安裝喇叭、功放，實現井場遠程語音警示功能。

8）井場與FPF，CPF數據傳輸方式

光纜通訊方式：井場與站點距離較近、地勢較好時應選擇使用光纜、網線等有線傳輸方式。

無線網橋傳輸方式：當井場與FPF，CPF距離較遠或投資成本過高時，井場安裝無線網絡設備，采用基站設備實現數據傳輸。

通過上述設備可實現在上位機SCADA人機界面完成以下功能：①在線對油水狀況的實時描述；②根據油水井的動態監測數據和測試信息，運用三維可視化技術，實現對任一油水井在地下的狀況進行模擬；③根據數字化的故障診斷手段，實時地對油水井故障情況做出判斷，指導工作人員進行維修。

2.2 OGM數字化管理項目內容

單井的油送到OGM后，通過測試分離器將單井來油進行計量。每個OGM可接4～5口單井，每口井可通過多通閥進行選擇，送到測試分離器內進行簡單的氣液分離，通過渦街流量計測量分離出來的天然氣，用質量流量計測量分離出來的原油，并同時分析出含水率。各個油井的來油通過管匯匯集，統一送到CPF或FPF。

1）測試分離器的數據采集

數據包括伴生氣的氣量、油量及含水；

2）管匯上的溫度、壓力的數據采集

3）OGM 的 RTU

RTU用于采集測試分離器及管匯上的數據，將數據通過光纜上傳到CPF或FPF。

2.3 FPF數字化管理項目內容

OGM的油送到FPF后，通過三相分離器將來油分別進行計量。通過三相分離器上的渦街流量計測量分離出來的天然氣，用質量流量計測量分離出來的原油，同時利用三相分離器油腔上油水界面儀控制原油管線上調節閥，以控制油腔的油水界面，防止水摻入油管線。分離出來的原油通過外輸泵送到CPF站內，分離出來的天然氣送到電站用于發電，分離出來的水送到蒸發池。

由于FPF內的工藝設備較多，故FPF內控制系統包含了DCS（集散控制系統）、分SCADA（數據采集系統）、ESD （緊急停車系統）、F&G （火氣系統）、FOTE（光端機）、PAGA（公共報警系統）、FAS（火災報警系統）、CCTV（工業電視）、PABX（程控交換機）、IDS（周界報警系統）、PMS（電站綜合管理系統）、LAN網、火炬自動點火PLC系統等。

1）SCADA系統用于下轄5個OGM及井口的所有數據采集，SCADA系統位于整個控制網絡的最頂層。所有FPF內的控制及通訊系統的數據都通過RS485接口上傳到SCADA內。SCADA系統再通過RJ45接口與FOTE相連接。通過12芯的光纜將數據上傳到位于CPF內的主SCADA系統內。同時，通過網絡將位于CPF站內的GPS系統的時鐘信號取來，然后再將時鐘信號發布到FPF內所有系統，以便統一各個系統的邏輯關系。

2）DCS系統負責FPF站內的所有工藝設備的控制管理。三相分離器、電脫鹽、電脫水、換熱器、加熱爐、電站、燃氣壓縮機、火炬系統、外輸泵、脫氣罐等設備的控制，并將所有數據通過RS485接口上傳到SCADA系統內。

3）ESD系統將進站管匯上的壓力及出站的壓力檢測信號聯鎖，當進站壓力超低或出站的壓力超高時，或電站發生故障，或關鍵設備出現故障而無法生產時，或F&G系統發生報警并觸發聯動時，緊急關斷進出口的緊急關斷閥門及相關設備，并觸發關斷井口電潛泵。

4）F&G系統，FPF站安裝很多可燃氣體探頭，火焰探頭、氫氣探頭、手動報警按鈕等。當一個火區內多個探頭同時監測到可燃氣體超高或有火焰時，馬上觸發F&G系統報警，并根據緊急關斷的等級觸發ESD系統，并將報警信號通過PAGA系統傳達到FPF站內的每個角落。

5）FAS系統，FPF站的所有房間內的煙感探頭、溫感探頭、感溫電纜等通過總線方式傳到FAS系統。當房間有火災時，探頭觸發系統報警，并將報警信號通過PAGA傳達到FPF站內的每個角落。

6）光端機FOTE系統，將光纜傳來的光信號轉換成電信號，并通過RJ45接口把相應數據傳到各個系統。FOTE為開放的多業務傳輸平臺，承載語音、音頻、串行數據、以太網、視頻和其他特有通訊協議。冗余管線結構實現節點間連接。用來連接FPF控制系統、CPF控制系統、OGM、井口等，為數據的傳輸提供可靠、冗余、可重構的、靈活的信道。而且，無需外部時鐘源，無須人為干預，多級容錯能力。傳輸帶寬容量為2.5 Gb/s。

各個業務分配專屬帶寬，帶寬固定，各個業務互不干擾。FOTE可根據業務的變化隨時修改寬帶分配。FOTE主要面向業務更加綜合的企業專網。CPF與FPF間主干光纖為12芯，FPF與OGM，CPF與OGM間分支光纜為4芯光纜。井口到FPF或CPF光纜為4芯光纜。

7）CCTV系統，FPF站的所有監視探頭、井口監視探頭、OGM監視探頭將視頻信號傳到自身所帶的OT光端機內，將視頻信號轉化成光信號，通過光纖傳到FOTE后，將光信號轉換成電信號，通過矩陣打到電視幕墻上顯示。這樣，操作人在控制室內可以監視所有油田的信息，不但可以看到FPF及下轄井口、OGM的設備運行情況，還可以監視CPF內設備及下轄井口、OGM的設備運行情況。

8）PAGA系統，FPF站內安裝了多個話站，操作人可通過擴音器向全廠發布信息，也可通過單個話站與某個巡檢員個別對話，以保證一定的私密性。

9）PABX程控交換機，負責整個油田的電話通訊通暢。

10）IDS周界報警系統，采用震動電纜，敷設在FPF周圍位于鐵絲網外側1 m處。當有陌生人闖入時，系統自動報警，并聯動與附近軍營的報警。

11）電站負責整個FPF及下屬OGM及井口的供電，FPF電站采用濟南柴油廠的機組，整個機組由其所帶的PMS負責。PMS與DCS系統通過RS485通訊，將電站的關鍵數據上傳到CPF內的主SCADA內，這樣操作人員就可在CPF中控室集中管理。

12）火炬的自動點火有8種方式，以保證點火的成功，其所帶的PLC系統控制火炬的點火及控制，并接受遠程DCS的監控。

13）LAN網為油田的局域網，油田的工作人員可以在此網段上交流通訊。

2.4 CPF數字化管理項目

CPF控制系統除了全部FPF設備外，還有交接計量及標定系統、GPS時鐘系統、壓縮機控制系統、加熱爐控制系統、油罐自動消防系統、氮氣及儀表風系統、陰保變壓整流器控制系統、主SCADA系統。交接計量系統采用DNIEL公司的液體超聲波流量計，標定系統采用體積管及水標系統。

根據API MPMS5.8的規定，利用體積管標定液體超聲波流量計，再利用水標撬標定體積管。液體超聲波流量計算機、體積管流量計算機、標定PLC系統及上位人機界面操作臺都安裝于中控室內。操作人員可以在中控室通過與現場人員用步話機聯系通訊，將標定工作完成。

GPS系統，由于GPS系統必須使用4顆衛星定位，故在CPF中控室上安裝1個天線，以防周圍有建筑物阻擋，GPS時鐘發布給每個控制系統，以及FPF控制室內的每個控制系統，以保證系統同步操作。

天然氣壓縮機控制系統，三相分離器分離出來的天然氣，經過壓縮機升壓后送到SOLAR電站及加熱爐作為燃料，同時將一部分氣體送到FPF的電站，彌補FPF分離出來的天然氣的不足。

由于尼日爾的原油是高凝油，當介質溫度為41℃時，原油就凝結，井口的原油溫度約為60℃，當輸送到CPF站時，原油溫度降為50℃，故在進站管匯后需要加熱爐將原油加熱到85℃后再送到三相分離器進行分離。加熱爐為相變爐，其自身帶控制系統PLC。PLC與DCS通過RS485接口，將6臺加熱爐的全部數據上傳到DCS，以便操作人員隨時了解加熱爐系統的運行情況。

全部油田的數據經過主SCADA系統的Web服務器發布到營地的通訊中心及管理中心，這樣管理人員就可以在足不出戶的情況下，在營地或首都尼亞美監視全部油田的運行狀況和生產數據。由于SCADA系統的歷史數據庫采用了工業標準熱插拔內置硬盤，其容量為2*1 TB，并有冗余容錯的技術。配置2對千兆自適應以太網口，采用網卡鏡像技術，可以存儲大約6個月的數據以供使用。

通過建立勘探開發集成的數據平臺和統一共享的數據模型，逐步形成規范的勘探開發一體化工作流程，實現多學科團組協同工作，從而提高項目規劃與決策的科學性。

3 工藝、設備操作管理以及安全

尼日爾油田是一個綜合的大型油田，其中涉及工藝、設備操作管理以及安全生產保障。

3.1 生產管理

面向油田生產的綜合管理，生產運行情況，維護情況以及處理廠化驗數據進行統一的管理，生成統一數據，規范管理過程，提高管理效率，保證油田的安全生產。

3.2 生產輔助決策

系統全面、直觀、快速反映不同層次、不同環節的生產運行狀況，實現日生產動態及作業動態顯示，本年度油氣日生產趨勢、年累計生產趨勢并能和日計劃趨勢與年累計計劃趨勢的對比分析，累計數據及日對比分析和與去年同期對比分析。

3.3 資產管理

吸收和借鑒國際先進的管理思想和理念，采用先進的信息工程技術，實現設備資產管理的規范、科學和高效，提高設備資產利用率，有效地降低設備維護成本。

3.4 應急管理

油田涉及鉆采、集輸和凈化等復雜工藝，一旦出現泄漏、井噴等事故，后果非常嚴重。為了提高企業安全管理水平和抵抗風險的能力，需要建立全息化油田和應急管理的平臺，借助現代化、信息化的管理手段進行安全生產監管和應急管理。

3.5 工程信息管理

將井站管廠的信息在基礎地理空間框架中進行可視化表達，并為其它系統提供所需的空間信息統計與分析服務。

4 結語

將控制系統設置成數字化管理，利用計算機、通信、網絡、人工智能等技術，量化管理對象與管理行為，實現計劃、組織、協調、服務、創新等職能。結合油田特點，集成、整合現有的綜合資源，創新技術和管理理念，建立全油田統一的生產管理、綜合研究的數字化管理系統，實現“同一平臺、信息共享、多級監視、分散控制”，達到強化安全、過程監控、節約人力資源和提高效益的目標。

[1]賈愛林，郭建林.石油勘探與開發[J].智能化油氣田建設關鍵技術與認識，2012，39（1）：118-122.

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[5]中國電子工程設計院.GB50174-2008電子信息系統機房設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2008.

[6]劉亮.自動化技術與應用[J].網絡系統在工程上應用，2007，26（7）：75-77.

[7]劉亮，馬鑫.油田中心處理站安全系統的可靠性設計[J].中國儀器儀表，2006（10）：52-54.