油水井措施施工數字化監控平臺的設計與實踐

楊峰，楊灝，魏江偉，張進科　(中石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西 高崚 716000)

油水井措施施工數字化監控平臺的設計與實踐

楊峰，楊灝，魏江偉，張進科(中石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西 高崚 716000)

[摘要]如何在目前數字化油田的大環境下實現措施施工的有效管理,是油田急需解決的問題。根據油田油水井生產實際,通過對油水井措施施工目前存在的問題及其需求分析,提出了油水井措施施工數字化監控平臺的設計技術路線和設計方案。油水井措施施工信息化監控系統主要由現場數據采集及傳輸單元和遠程服務器監控平臺兩個部分組成。2014年分別在長慶油田馮地坑作業區、馬房山作業區堵水調剖措施施工現場進行了現場數據采集及傳輸單元的安裝、調試和測試,達到了預期的設計效果,為國內其他油田的措施施工提供了參考。

[關鍵詞]油水井;措施施工;數字化管理;監控平臺;技術路線;方案設計

隨著油田開采時間增加，對已投產的油水井通過采用先進的工藝措施如壓裂、酸化、堵水等來提高油田采油速度和采收率，是油田注水開采階段提高經濟效益的重要手段。然而，因現場作業區域分散、地域距離遠、交通和信息交流不便，使得采油廠管理人員和技術人員難以隨時掌握現場措施施工動態，關鍵性數據信息難以及時獲得，而且過程中外界環境、現場技術人員的能力和責任心等因素影響了管理人員對現場施工情況的全面了解。因此，實現措施施工工藝過程的信息化監控管理[1]、開發數字化監控平臺具有重要的現實意義。

1現狀分析

1.1　存在問題

油水井措施施工工藝主要有壓裂、酸化和堵水調剖工藝。通過對這些施工工藝過程的分析和現場調研發現目前存在的問題：①壓裂和酸化措施可能由于工藝參數不合理，造成壓不開、壓竄、砂堵、砂卡等事故；②堵水調剖措施可能由于措施執行不到位，如堵劑用量不足而導致措施處理無效等問題；③井場措施施工中經常接觸石油、天然氣等易燃易爆和其他有毒有害物質，易發生人員傷亡、環境污染等事故；④施工現場通訊條件差，數據采集及控制較難實現，對突發事件，需要進行專家會診比較困難；⑤現場施工數據采集、現場指揮、現場施工操縱等主要是在儀表車上進行，儀表車上的數據、施工現場的視頻都沒有傳輸到遠端的監控中心，無法從網上實時查看施工現場狀況并對現場進行指揮控制。

1.2　需求分析

通過對油水井措施施工存在問題的分析，油田生產管理部門亟需研發和建設一套滿足油田措施施工實際需要的實時數據采集、視頻監控和遠程傳輸系統，將施工前期、中期、后期的關鍵生產數據信息和視頻圖像信息傳輸到采油廠的管理中心，從而實現信息共享和應用、壓裂方案設計、遠程專家診斷和現場監控。

2技術線路

根據不同措施工藝類型所需采集監控的工藝參數，確定現場數據采集儀表的技術指標，包括儀表測量介質適應性、測量精度、工作溫濕度、信號輸出方式、安裝方式等[2,3]。在現有壓裂、酸化儀表車軟硬件環境中，部署針對性開發的數據接口模塊，實時獲取壓裂儀表車的監測數據。開發、集成一套適用于油田壓裂、酸化、堵水調剖3種不同工藝措施關鍵生產數據監控的RTU系統，采取標準化設計、模塊化集成，確保橇裝式儀表系統的現場安裝和使用的便攜性以及可靠性。結合油田的數字化網絡現狀，充分考慮目前各種成熟、主流的無線通訊方式，選擇適合措施施工現場條件的數據傳輸方式，并開發相應軟件程序和數據接口。開發完成油水井措施施工參數實時采集監控系統軟件平臺及數據發布組件，實現監控軟件對施工現場工況的實時數據采集、趨勢曲線繪制、報表數據生成、歷史數據檢索、異常報警提示、視頻圖像監控、B/S結構數據及視頻發布等功能。

3方案設計

3.1　現場數據采集及傳輸單元

1)現場傳感器壓裂、酸化、堵水調剖施工中主要監控和采集的參數包括壓力、排量、砂比等，以上參數的獲得均要通過壓力傳感器、流量計、專用傳感器來實現，傳感器的準確與否和使用可靠性、壽命均將直接影響施工質量和施工安全。方案設計選用電容式壓力傳感器、電磁式流量計、發射性密度計完成現場數據采集。

2)攝像機考慮到數據遠程傳輸以及網絡帶寬因素，選擇低照度感紅外一體化帶云臺標清網絡攝像機，根據監控需求現場設置兩個視頻監控點，通過設置云臺自動巡航功能實現主要生產區域的視頻監控覆蓋。

3)RTU單元RTU單元作為現場數據采集及傳輸單元的核心處理器部分，既要負責各個傳感器數據的采集接入，又要考慮與儀表車等第三方PLC/RTU系統的數據通訊，此外還應具有標準的RJ45和RS232口以便于實現與無線網橋、GPRS DTU的數據通訊。

4)通訊模塊常規通訊方式分為有線傳輸和無線傳輸，按照網絡類型分為內網通訊和公網通訊。根據措施施工現場實際工況，通訊方式設計為2種方式：①井場已建數字化通訊網絡的情況下，通過一套5.8G工業級無線網橋實現RTU采集箱數據向井場網絡的接入，無需布線且保證了通訊距離和通訊效果，也便于現場安裝；②拉油井場等偏遠地區未連通數字化通訊網絡的情況下，通過一套GPRS DTU實現RTU采集箱數據通過公網的透明數傳，在廠監控平臺進行數據接收。

5)集成橇橇裝結構設計是設備框架和設備整體組合的一種形式設計，主要考慮到設備移動的便攜性、接口的簡易度、安裝的牢固性等因素。現場傳感器因為需要與工藝管道等直接連接，因此需要采取螺紋、法蘭、卡箍等方式進行安裝固定；除傳感器之外的攝像機單元、RTU單元、通訊單元均可集成到橇上。設計考慮設備的集成、運輸、使用，集成橇設計功能和要求：①采用立方體結構設計，運輸時橇體全方位密閉，無活動部件外露；②橇內集成RTU箱、攝像機、補光燈、無線網橋(單個)及配套附件；③傳感器到RTU單元的信號線兩端均采用戶外儀表專用快速接頭連接；④攝像機和無線網橋支架采用升縮式結構設計，可調節架高高度；⑤橇體外殼采用304不銹鋼材質，防護等級IP65。

3.2　遠程服務器監控平臺

遠程服務器主要用于現場油水井措施施工參數的采集、處理、存儲、視頻監控及轉發、網頁發布等。服務器硬件因數據負載量不大，方案設計選用工控機。

1)操作系統考慮到系統的易用性和驅動程序的完整性，遠程服務器的操作系統選用Windows XP with SP3版本，操作系統加裝工業組態軟件、SQL數據庫、DTU驅動、視頻ActiveX驅動、專用接口驅動等。

2)組態軟件選用技術成熟、功能強大的工業組態軟件作為開發平臺，極大地縮短軟件平臺和網站發布的開發周期，減少開發費用；后期維護難度低，便于功能擴展。組態軟件的功能和要求：①支持工業標準RTU通訊協議；②支持ActiveX控件嵌入及轉發；③支持長時間的數據存儲備份；④支持軟件平臺的Web網站發布。

4應用實踐

2014年5～11月分別在長慶油田馮地坑作業區、馬房山作業區堵水調剖措施施工現場進行了現場數據采集及傳輸單元的安裝、調試和測試，遠程服務器架設在馮地坑前線指揮部機房并實現了預期功能。

4.1　硬件功能部分

1)數據采集RTU控制器帶兩路RS485通訊，一路作為Modbus主站用于讀取智能流量計內的瞬時和累計流量；一路作為Modbus從站用于GPRS DTU上傳數據到服務器。

2)數據傳輸集成橇上的無線網橋與井場數字化通訊桿上的無線網橋通訊實現廠局域網的接入；當廠局域網通訊故障時RTU內的GPRS DTU通過中國移動公網將數據打包發送至指定公網IP。

3)視頻監控兩路視頻固定于集成橇內，帶伸縮桿調節高度、陣列LED燈夜晚補光，視頻支持本地SD卡存儲并通過局域網實時傳輸至監控后臺。

4)設備安裝集成橇放置于施工現場，壓力變送器通過三通、截止閥安裝于水井取壓口，智能流量計通過高壓卡箍固定于加藥管道。

4.2　軟件功能部分

1)RTU軟件實現模擬量A/D轉換采集、流量計Modbus RTU通訊以及GPRS DTU通訊調試。

2)視頻嵌入軟件通過視頻攝像機廠家提供的SDK工具開發ActiveX控件，實現視頻圖像在力控組態軟件上的圖像顯示、視頻操作等。

3)服務器軟件平臺在力控組態軟件上開發數據顯示、趨勢曲線、數據報表、異常報警、網站發布等功能模塊。

5效果評價

油水井措施施工信息化監控的應用實踐，對油田常規生產模式在數字化建設的基礎上進一步技術改造，實現壓裂、酸化、堵水措施現場的實時監控和信息共享，通過近半年的運行效果跟蹤，目前各項功能均能夠實現，主要效果：①實現油田壓裂、酸化、堵水措施現場的實時監控和信息共享；②加強措施施工過程管理能力，提升施工的有效率，降低生產成本；③關鍵工藝參數和視頻圖像的監控，及時發現事故苗頭，消除安全隱患；④廠級管理平臺數據記錄和共享，為專家會診、措施優化提供數據支持。油水井措施施工信息化監控的試驗探索，進一步顯示了油田由自動化向信息化、智能化發展的必然趨勢，為油田企業安全生產、精細管理和提高企業競爭力提供參考。

[參考文獻]

[1]朱天壽.油氣田數字化管理[M].北京：石油工業出版社，2011.

[2] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，2003.

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

[編輯]帥群

[引著格式]楊峰，楊灝，魏江偉，等.油水井措施施工數字化監控平臺的設計與實踐[J].長江大學學報(自科版) ,2015,12(26):84~86.

[中圖分類號]TE938.2

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)26-0084-03

[作者簡介]楊峰(1972-)，男，工程師，現從事油田數字化建設與管理工作，yfcq@petrochina.com.cn。

[收稿日期]2015-05-04