基于物聯網的無人值守井站技術研究與應用

張 偉，張 煜，王軍鋒，田啟武，羅凌燕，周冰欣，雍 碩

（中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750001）

基于物聯網的無人值守井站技術研究與應用

張 偉，張 煜，王軍鋒，田啟武，羅凌燕，周冰欣，雍 碩

（中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750001）

長慶油田于2009年起全面推進油田數字化建設，隨著油田物聯網技術及數字化設施的深入實施與推廣，井站數據的實時采集傳輸與設備自動化控制能力逐步提升，油田井站管理逐步實現了網絡化、可視化以及智能化。在數字油田的背景下，針對長慶油田井站運行模式，2016年正式啟動了無人值守井站建設工作，經過一年的改造與完善，逐步摸索與建立以物聯網為基礎的無人值守井站技術方案。結合采油三廠的無人值守井站的推進情況，著重研究了基于物聯網的油田無人值守井站技術及實際應用。

數字油田；無人值守井站；物聯網；遠程控制；技術研究

隨著長慶油田向5 000×104t油氣當量目標邁進，油田地面系統每年新建的各種管線、站場數量十分可觀[1]。為管理這些新建的輸油站點，不得不新增人員，油田企業靠新增定員擴大生產不符合“全油田減員增效”的戰略發展方針。長慶油田分公司第三采油廠已實現全覆蓋光纜3 900 km，建成數字化井場1 872座，占比87%；站點336座占比99.4%。其中5 331口油井，1 957口注水井實現了數字化平臺上線。然而，要通過數字化基礎建設及功能實現無人值守井站，仍然需要深入研究完善相關技術，才能最終達到降低生產安全風險，提高勞動效率，減員增效的目的。

1 長慶油田井站目前生產模式

油井、注水井、增壓接轉站和輸油管道是油田重要的生產要素。2008年以前長慶油田地面系統生產模式為“二級半布站生產方式”，即以聯合站為中心，利用數字化增壓站增壓，接轉站轉油、樹枝狀串管集輸，有效擴大了生產管理半徑。2008年以后油田生產流程進行優化整合，由之前的“二級半布站生產方式”變為“二級布站生產方式”，即井場輸油至增壓點，然后直接輸至聯合站進行原油處理，省略了接轉站流程，進一步降低了生產能耗。

其生產模式（見圖1）。

圖1 長慶油田井站生產示意圖

1.1 井場運行概況

井場是原油生產和油田注水的主要場所，通過原油集輸管線接入增壓站點。其生產設施主要包括油水井、抽油機、加熱爐、集油管道、配水間等。大多數井場都分布在野外，由于受人為破壞以及自然環境如雷電、風沙、暴雨等影響較大，同時現場盜竊現象時有發生，故在產建投產完畢后，在地面上建立圍墻對油井或井組（多口井）進行保護。井場內日常生產工作均為人工手動操作完成，需要人工進行的操作內容主要集中在油水井生產和安全環保方面，特別是巡回檢查，防止原油偷盜需要24 h人工值守[2]。

其操作項目（見表1）。

表1 井場操作項目統計表

1.2 站點運行概況

增壓站是對油氣進行集中處理的作業場所，建設在較為集中的原油生產區域，主要功能包括原油和注水集中輸送（原油穩定輸送、伴生氣回收、油田注水等）。其由集油閥組、單井油氣計量分離器、緩沖罐和輸油泵等外輸設備等組成。生產區域的集輸站點通過集輸管線匯聚，輸送至聯合站進行原油處理（原油脫水、輕烴回收、采出水處理、油田注水等）。

2 實現井站無人值守的意義及問題

2008年，長慶油田油氣當量2 500×104t時，員工人數為7萬人。2013年，長慶油田油氣當量達5 195×104t時，員工總數仍然是7萬人左右。數字化是長慶油田公司實現5 000×104t用工7萬人這一目標的重要支撐，這就要求數字化系統穩定運行，減輕員工勞動強度，減少用工，提高安全生產水平，最終實現井場和站點的無人值守操作。

2.1 井場運行方面存在主要問題

井場看護無法實現全天候監控，尤其是夜間的井場看護存在較長時間盲區，不能實施有效監控，給不法分子帶來可乘之機，造成原油大量偷盜流失。

井場油水井生產運行、狀態監測需要人工現場操作與落實，才能保證油水井正常生產。

抽油井意外停井而不能及時被發現予以解決處理，嚴重影響油田采油產量，造成采油效率降低，嚴重影響了生產效益。

單井集油管線距離較遠，巡護路線較為危險，需要人工巡護，且巡護頻率較低，存在較大安全風險。

2.2 站點運行方面主要問題

輸油設備自控程度不夠高，需人工控制緩沖罐液位，啟停外輸泵進行輸油，不能實現連續平穩輸油。

上下游輸油站點不能及時協同輸油，造成下游聯合站點原油處理設備（三項分離器）來液不平穩，影響原油處理效果，且增加員工工作量。

人工記錄外輸壓力監控管線運行情況，不能有效及時發現問題，導致應急維護滯后，易造成較大安全生產事故。

在進行同步電機零功率因數試驗時，靜止變頻電源由于存在輸出濾波器，因此，一般情況下只能夠進行簡單的電壓/頻率控制。矢量計算能力減弱，其有功分量和無功分量在純正弦波輸出模式下很難單獨調節。因此，實現等效負載下同步電機零功率因數有一定困難，強行實現，需要對電源及其輸出變壓器特殊設計，并大幅度增加逆變器以及輸出鐵磁元件輸出功率，使靜止逆變器(方案)失去原有相當的成本優勢。

3 基于互聯網構建井站數據采集系統

3.1 井場數據采集系統

采油井場系統數據采集是通過井場設備的各個傳感器單元獨立完成，傳感器單元將采集的井場參數通過井場傳感器網絡發送給井場采集點[3，4]。采集點將收到的井場數據統一融合和處理，通過無線互聯網絡將井場數據傳送給增壓站數字化監控平臺進行監控。其采集內容主要包括井場的視頻圖像、抽油機功圖數據、抽油機電壓、電流、井口壓力數據關鍵單元（見圖2）。

圖2 井場數據采集示意圖

3.2 站點數據采集系統

采油增壓站點系統數據采集是通過輸油設備上的各個傳感器單元獨立完成，傳感器單元將采集的設備運行參數通過站點傳感器網絡發送給增壓站監控管理平臺進行遠程監控。其采集內容主要包括緩沖罐運行液位、輸油泵運行頻率、站點外輸壓力及溫度等關鍵單元（見圖 3）。

圖3 站點數據采集示意圖

4 實現井站無人值守的技術與應用

目前根據長慶油田數字化建設標準主要在井場、站點、平臺中心運用以下關鍵技術[5-9]：

井場：功圖量油、抽油機遠程啟停、穩流自動控制配水儀、視頻監控、數據采集。

站點：設備數據實時采集、自動變頻連續輸油、外輸情況實時監控。

數字化平臺：利用數據庫技術對井站數據進行界面顯示。

4.1 井場數字化無人值守配套技術

油田井場無人值守配套技術以確保井場各生產設施正常生產運行為重點，主要實現油水井生產數據采集、抽油機電機單相電參數監測、抽油井遠程啟停、注水井遠程調配、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，達到井場遠程監控、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，同時取消人工駐井看護。

4.1.2 井場生產動態監控技術 自主研發了站控生產運行分析技術，利用抽油機和管線的載荷、壓力傳感器實時上傳油井的生產數據、示功圖數據，通過每10 min對油井生產情況進行分析，實時掌握井場油水井的生產狀態與井場管線運行壓力，及時發現油井生產異常，取消了人工現場憋壓診斷，減少人工測井，縮短油井故障處理時間，單井故障診斷率達到98%，躺井周期由5 d縮短至1 d，提高了生產效率。同時該技術具備油井計量功能，根據數字化功圖及有效沖程，折算地面有效產量，計量誤差達到1.9%，滿足油井計量要求，油井單量周期由5 d延長至15 d。

4.1.3 抽油機啟/停遠程操作技術 在抽油機配電柜安裝電參數據采集模塊與控制模塊，通過對電參數的分析，增壓點監控人員可以根據情況實現對抽油機運行狀態監測和遠程啟停控制操作功能。

4.1.4 智能注水技術 在單井配水間配套定制穩流自動控制配水儀，通過自控儀內部壓力與排量傳感器，傳遞至站控管理平臺，監控中心人員通過實時通訊和控制，可設定、修改注水工藝參數信息，遠程設置配注量，根據管壓和設定注水量值，注水井可自動和遠程調配，實現注水過程的智能監測和遠程控制，全廠的在線配注合格率達到了98.8%以上。

4.2 站點數字化無人值守配套技術

站點無人值守監控技術建設主要實現站點變頻連續輸油、多級站點聯動智能輸油等功能，達到站點平穩運行目的。

4.2.1 研發增壓站聯動智能輸油技術 為集輸匯管沿線的增壓點設定自動啟停液位，對增壓站的生產液位進行循環比對，當一座增壓站正在輸油，而另一座增壓站達到輸油液位時，設定未起輸增壓站起泵液位自動增加10 cm，延遲起泵時間，在保證增壓站正常運行的前提下，盡可能錯開輸油高峰。通過對各增壓撬起泵情況全天候監控統計，聯動控制程序寫入后，同時起輸的增壓站數量由之前的6～7個降低到2～3個，有效緩解管線運行壓力，降低運行能耗，保障了生產的平穩運行。

4.2.2 設計增壓站連續輸油技術 對數字化增壓站PLC數字控制柜進行程序調整，配套緩沖罐磁致伸縮液位計，根據緩沖區液位高低關聯自動調節外輸泵的輸油頻率，控制外輸的排量，保證連續性輸油，減少員工啟停抽油泵操作，保護輸油設備，降低人工操作風險，目前全廠已實現連續輸油站點128座。

4.2.3 站點外輸監控技術 以增壓點站控平臺為核心，在平臺上開發建立“三道防線”監控頁面，通過外輸管線流量計及壓力變送器，對站點上下游外輸流量、壓力及輸油差別進行實時監控，一旦壓力、壓差或輸差異常，系統會自動進行提示、報警，便于監控人員及時進行操作，并且所有的預警報警信息及處理結果，將自動記錄，便于查詢，目前全廠已全部覆蓋使用該項技術，取得較好的監控效果。

5 結論

油田井站無人值守數字化技術研究與應用，解決了油田井站的無人值守和數據采集監控自動化需求，使油田數字化管理模式發生了新的變化，管理水平又上了一個新的臺階。經過在采油三廠一年多的運行，系統運行穩定、可靠、信息準確，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，提高了井場的防事故、防誤操作、防盜、防火能力，使值班人員和相關領導能及時準確地了解各井場的現場情況，對重點區域進行全方位的預警，從而大大降低了油田井站的日常巡視、檢修等費用及人員成本，產生了良好的社會效益和經濟效益，具有較好推廣價值。2016年采油三廠實現無人值守井場921個，覆蓋率50%以上，無人值守站點10座，減員302人，年節省1 800萬元。

增壓站作為核心輸油站點， 具有較大操作風險，要實現無人值守，不僅要有一套能夠長期穩定、可靠運行的生產管理系統，而且需要有一系列動作靈敏、可靠性高的基礎設備（電動閥、自啟動發動機等）與之相配合，還需具備一系列的技術措施、組織措施、管理制度和先進的管理手段與之相適應。因此，無人值守站點后期的推廣需要把提高設備、系統的可靠性作為后期研究的主要目標。

軟件的模塊化的開發需要進一步研究和完善。基于站控SCADA站控系統，對現場硬件、軟件系統的模塊化開發，已經能夠明顯的感受到在無人值守建設推廣中帶來的優勢，也為現場井站日常的運行和維護提供了必要的手段，結合分析油田各類生產現場需求，目前模塊化的軟件運行與自動化設備控制功能模塊仍需進一步融合完善，最終整合出一套適應于油田的、可配置的軟件開發系統，讓系統維護人員徹底從繁雜重復的工作中解脫出來。

［1］夏政，張箭嘯，劉滬．標準化設計在長慶油田規模化建設中的應用［J］.石油工程建設，2010，37（3）：43-46.

［2］金文光．安防系統工程方案設計［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2006.

［3］張寶華，等．無人值守變電站綜合監控系統［J］.電力科學與工程，2009，25（9）：76-78．

［4］朱天壽．油氣田數字化［M］.北京：石油工業出版社，2011.

［5］王濤，周琦．污水提升泵站無人值守的改造［J］.中國給水排水，2010，26（10）：38-40.

［6］王志強，郭嵐．監控調壓在無人值守閥室中的應用［J］.重慶科技學院學報（自然科學版），2007，（2）：31-32.

［7］董正玉，宋洪新．關于無人值守降壓站.管理方案的探討［J］.現代企業教育，2009，（18）：40-42.

［8］李作金．提高無人值守變電站的安全管理和運行可靠性［J］.內蒙古石油化工，2010，（24）：128-129.

［9］姚冰怡．熱力站無人值守的熱網監控系統［J］.煤氣與熱力，2007，（4）：34-36．

Based on the networking system of unattended wells station research and application of technology

ZHANG Wei，ZHANG Yu，WANG Junfeng，TIAN Qiwu，LUO Lingyan，ZHOU Bingxin，YONG Shuo
（Oil Production Plant 3 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yinchuan Ningxia 750001，China）

Changqing oilfield in 2009 to comprehensively promote the construction of digital oilfield,with the further promotion and implementation of oilfield networking technology and digital facilities,real-time data acquisition and transmission equipment automation control ability gradually improve well station,oil well station management and gradually realize the visualization and intelligent network.In the context of digital oilfield,Changqing oilfield well station operation mode,2016 officially launched the unmanned station construction work well,after a year of renovation and improvement,and to establish networking scheme of unmanned wells station based gradually.Combined with the construction of unattended well station in three oil production plant,the technology and practical application of unmanned storage station based on the Internet of things are emphatically studied.

digital oilfield；unattended well station；Internet of things；remote control；technology research

TE938.2

A

1673-5285（2017）10-0107-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.028

2017－10-08

張偉，男（1985－），江蘇南通人，工程師，本科生，主要研究方向為油田數字化網絡技術。