油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)分析

李兵元 李愷 吳斌 丁煜暉

[摘? ? 要] 分析了某油氣生產(chǎn)能源集團(tuán)公司（簡(jiǎn)稱A集團(tuán)公司）油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的現(xiàn)狀，討論了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的作用和建設(shè)規(guī)劃，并就油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的未來(lái)的發(fā)展愿景進(jìn)行了分析。

[關(guān)鍵詞] 油氣生產(chǎn);物聯(lián)網(wǎng);現(xiàn)狀;規(guī)劃;展望

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 03. 042

[中圖分類號(hào)] TP311? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? A? ? ? [文章編號(hào)]? 1673 - 0194（2020）03- 0102- 04

1? ? ? 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

“油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”就是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油氣田井區(qū)、計(jì)量間、集輸站、聯(lián)合站、處理廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息在采油采氣廠生產(chǎn)指揮中心及生產(chǎn)控制中心集中管理和控制的系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

感知層實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的智能感知識(shí)別、信息采集處理和自動(dòng)控制，并通過(guò)通信模塊將物理實(shí)體連接到網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)信息的傳遞、路由器和控制，包括延伸網(wǎng)、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)層可依托公眾電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，也可以實(shí)現(xiàn)依托行業(yè)專用通信資源。

應(yīng)用層包括應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件和各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供信息處理、計(jì)算等通用基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施、能力及資源調(diào)用接口，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在眾多領(lǐng)域的各種應(yīng)用。

2? ? ? 物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀

A集團(tuán)公司下轄十?dāng)?shù)家油氣田生產(chǎn)企業(yè)，油氣生產(chǎn)企業(yè)主要是通過(guò)產(chǎn)能建設(shè)中配套、集團(tuán)公司集中建設(shè)和自籌資金這幾種方式來(lái)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)。通過(guò)多年的建設(shè)，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)在減少一線用工需求、節(jié)能降耗和提高生產(chǎn)時(shí)率等方面效果顯著，也創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，其中更是有多家油氣田公司實(shí)現(xiàn)了油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)全覆蓋。下面將從幾個(gè)方面分析物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的現(xiàn)狀。

2.1? ?生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

這是應(yīng)用層中的重要組成部分，提供物聯(lián)網(wǎng)信息的處理、顯示和控制并為其他應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這一系統(tǒng)是成熟的獨(dú)立的軟件系統(tǒng)，在A集團(tuán)公司有多種軟件在現(xiàn)場(chǎng)使用，主要包括：國(guó)外公司GE公司iFIX組態(tài)軟件、霍尼韋爾SCAN 3000和DCISYSTEM SIX組態(tài)軟件等，國(guó)內(nèi)的三維力控公司的eForceCon組態(tài)軟件和組態(tài)王等。

2.2? ?傳輸網(wǎng)絡(luò)

油田礦權(quán)區(qū)域里地形復(fù)雜，沙漠沙丘起伏，雅丹地形溝壑縱橫，戈壁平坦一望無(wú)際，山區(qū)隔山向望;網(wǎng)絡(luò)技術(shù)幾十年來(lái)發(fā)展迅速，迅速演化;不同的年代有不同的需求，油氣田公司根據(jù)這些因素，選擇最適宜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，”有線+無(wú)線，長(zhǎng)距離+短距離”。

長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸：大數(shù)量、高速度、高帶寬、費(fèi)用高昂，主要是光纖網(wǎng)絡(luò)。

短距離數(shù)據(jù)傳輸：布設(shè)便捷、使用靈活、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)節(jié)約，主要有數(shù)傳電臺(tái)、ZigBee、4G、WIFI和網(wǎng)橋，同事還有正在普及的有LORAWAN和NB-IOT，以及5G等。

2.3? ?信息安全

國(guó)家對(duì)涉及網(wǎng)絡(luò)安全的單位強(qiáng)制要求進(jìn)行保護(hù)，等級(jí)保護(hù)制度已經(jīng)提升到了法律層面，按照等保2.0的規(guī)定，油田的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)按照等保全三級(jí)進(jìn)行保護(hù)。按照國(guó)家的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，大部分采油氣廠尚未建成完整和獨(dú)立的油氣生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)。

2.4? 運(yùn)維現(xiàn)狀

總體來(lái)看，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)維管理工作主要還是自行選擇外部運(yùn)維隊(duì)伍對(duì)本單位的系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。許多油田企業(yè)還沒(méi)有建立統(tǒng)一和高效的運(yùn)維體系。

2.5? 環(huán)境、安全現(xiàn)狀

油氣田企業(yè)擁有數(shù)量眾多的稀油、稠油和天然氣井，開(kāi)發(fā)條件多樣，開(kāi)采工藝復(fù)雜，生產(chǎn)過(guò)程中面臨著高溫高壓和有毒氣體的風(fēng)險(xiǎn)，還存在跑冒滴漏的風(fēng)險(xiǎn)。

大部分的油區(qū)工作現(xiàn)場(chǎng)距市區(qū)生活基地有著較遠(yuǎn)的距離，上下班需要送班，存在行車安全，運(yùn)行費(fèi)用高昂，現(xiàn)場(chǎng)員工生活保障也很有難度。

很多油區(qū)分布在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)和牧場(chǎng)草原中，有很大的綜治難度和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

2.6? 應(yīng)用系統(tǒng)現(xiàn)狀

從2009年起，新疆油田就開(kāi)始了智能油田的建設(shè)，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)、單井診斷與優(yōu)化等多個(gè)項(xiàng)目已獲得應(yīng)用，并取得良好應(yīng)用效果、創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。目前正在開(kāi)展產(chǎn)量變動(dòng)分析和預(yù)測(cè)系統(tǒng) 、智能倉(cāng)儲(chǔ)信息系統(tǒng)的建設(shè)以及智能油田平臺(tái)開(kāi)發(fā)和大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用工作。

2.7? 人員現(xiàn)狀

按照油公司改革和三項(xiàng)制度改革，人數(shù)將有大幅的人員減少，人均管井?dāng)?shù)將大幅上升。

2.8? 生產(chǎn)管理模式

管理模式一：部分采油氣廠的生產(chǎn)作業(yè)區(qū)實(shí)現(xiàn)了“遠(yuǎn)程監(jiān)控、按需巡檢、中小站場(chǎng)無(wú)人值守”的生產(chǎn)運(yùn)行模式和“監(jiān)控中心—現(xiàn)場(chǎng)班組”的兩級(jí)生產(chǎn)管理模式。

管理模式二：大部分采油氣廠的生產(chǎn)作業(yè)區(qū)以人工巡檢為主、員工手工抄錄數(shù)據(jù)和“采油氣廠—采油氣站隊(duì)—現(xiàn)場(chǎng)班組”的三級(jí)生產(chǎn)管理模式。

2.9? 物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋率不足，且建設(shè)成本高昂

在油氣開(kāi)發(fā)程度處于后期的油氣企業(yè)，油井眾多，產(chǎn)量很低，總體物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)程度較低;由于油氣水井和站場(chǎng)數(shù)量巨大，A集團(tuán)公司的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)總費(fèi)用巨大。

3? ? ? 物聯(lián)網(wǎng)作用分析

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)在油氣生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)和管理中起到了很好的作用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也已經(jīng)滲透到了勘探、開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中。在勘探與評(píng)價(jià)、開(kāi)發(fā)工作中、生產(chǎn)過(guò)程中都有大量的應(yīng)用，將推進(jìn)油田信息化的轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)數(shù)字油田到智能油田的飛躍。

物聯(lián)網(wǎng)的作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1? 改變生產(chǎn)運(yùn)行模式

油氣水井：“定時(shí)巡檢、現(xiàn)場(chǎng)抄表”轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑h(yuǎn)程監(jiān)控、按需巡檢”;

中小型站場(chǎng)：“駐點(diǎn)值守”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁o(wú)人值守”;

大型站場(chǎng)：“多人值守”轉(zhuǎn)變?yōu)椤吧偃酥凳亍?

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)：“事后人工排障”轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤崆邦A(yù)測(cè)”。

3.2? 生產(chǎn)運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)變促進(jìn)生產(chǎn)管理模式轉(zhuǎn)變

大量一線工人后撤集中;

生產(chǎn)流程優(yōu)化和再造，多種崗位整合，班組結(jié)構(gòu)發(fā)生變化;

三級(jí)生產(chǎn)管理模式向“監(jiān)控中心—現(xiàn)場(chǎng)班組”的兩級(jí)生產(chǎn)管理模式轉(zhuǎn)變。

3.3? 生產(chǎn)管理模式的轉(zhuǎn)變促進(jìn)人力資源配置優(yōu)化

管理層級(jí)壓縮，三級(jí)生產(chǎn)管理模式向“監(jiān)控中心—現(xiàn)場(chǎng)班組”生產(chǎn)管理模式轉(zhuǎn)變，對(duì)經(jīng)營(yíng)管理也提出新的要求;

生產(chǎn)流程優(yōu)化、再造、多種崗位整合及班組結(jié)構(gòu)變化，對(duì)專業(yè)技術(shù)隊(duì)伍有很強(qiáng)的需求。

以上的變化會(huì)造成人員需求下降，崗位的整合和班組結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)操作技能隊(duì)伍就提出新的需求，技能要求提高，需要一專多能，多專多能。這些新的需求的產(chǎn)生，正好契合了油公司模式和三支隊(duì)伍的崗位序列的改革的需要，能夠有力的推進(jìn)經(jīng)營(yíng)管理、專業(yè)技術(shù)、操作技能三支隊(duì)伍崗位體系建設(shè)。

3.4? 促進(jìn)組織機(jī)構(gòu)體系創(chuàng)新改革

通過(guò)生產(chǎn)運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)變、生產(chǎn)管理模式轉(zhuǎn)型、人力資源配置優(yōu)化，從而奠定了組織機(jī)構(gòu)體系創(chuàng)新改革的基礎(chǔ)，建立“新型油氣田作業(yè)區(qū)”，逐步實(shí)現(xiàn)管理層次控制在兩級(jí)，為A集團(tuán)公司深化人事勞動(dòng)分配制度（“三項(xiàng)制度”）改革起到促進(jìn)作用，為集團(tuán)公司推進(jìn)“油公司”模式打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4? ? ? 物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃

A集團(tuán)公司根據(jù)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀和作用，提出了深入推進(jìn)數(shù)字化、可視化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行從人工值守向人機(jī)結(jié)合和無(wú)人值守轉(zhuǎn)變;對(duì)老油氣田采用低成本的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，在若干年的時(shí)間內(nèi)分期分批實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)全覆蓋的戰(zhàn)略規(guī)劃。

同時(shí)，按照戰(zhàn)略規(guī)劃，做好頂層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)A集團(tuán)公司的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入，采用統(tǒng)一的技術(shù)平臺(tái)，基于統(tǒng)一的技術(shù)構(gòu)建通用應(yīng)用，采用集中監(jiān)控指揮調(diào)度系統(tǒng)，建成生產(chǎn)監(jiān)控與調(diào)度中心、應(yīng)急指揮中心和信息集成與展示中心。

5? ? ? 物聯(lián)網(wǎng)研究方向

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要在多方面進(jìn)行研究以降低建設(shè)成本和拓展物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

5.1? 減少現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備配置及數(shù)量，降低設(shè)備采購(gòu)成本

溫壓一體變送器：兩個(gè)傳感器集成為一個(gè)傳感器，降低了傳感器的費(fèi)用。

三合一智能RTU：集合RTU、4G通訊、電參三種設(shè)備功能為一體。

5.2? 數(shù)據(jù)透?jìng)骷夹g(shù)研究（減少RTU、CPE/網(wǎng)橋）

LORAWAN和NB-IOT都可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線儀表數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)透?jìng)髦良斜O(jiān)控平臺(tái)。在監(jiān)控平臺(tái)端配置儀表，無(wú)須現(xiàn)場(chǎng)操作，組網(wǎng)靈活，運(yùn)維簡(jiǎn)單，取消RTU、CPE/網(wǎng)橋，簡(jiǎn)化傳輸鏈路，降低單井建設(shè)成本。

5.3? 新型數(shù)據(jù)采集設(shè)備

新型無(wú)源無(wú)線傳感技術(shù)：以聲表面波核心技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)自主芯片的研究與設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)針對(duì)油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)的新型無(wú)線無(wú)源采集系統(tǒng)。

自主控制技術(shù)中繼網(wǎng)關(guān)：研究具備自主控制技術(shù)能力的智能網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)智能自主判斷、自主控制和優(yōu)化鏈路資源。

5.4? 巡檢機(jī)器人研究

利用巡檢機(jī)器人替代人工完成大中型站場(chǎng)巡檢中遇到的急、難、險(xiǎn)、重和重復(fù)性工作。

5.5? 三維場(chǎng)站和數(shù)字孿生

利用新型的真三維數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，構(gòu)建可視化工廠，融合海量的繁雜、冗余、零散的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)決策效率和準(zhǔn)確度的大幅度提升。

數(shù)字孿生技術(shù)：對(duì)油機(jī)井油氣舉升系統(tǒng)，井口采油樹(shù)，計(jì)量及運(yùn)輸管道，各種閥門及增壓泵，三相分離、脫水、凈化等工藝流程，進(jìn)行三維建模和數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生。

5.6? 電網(wǎng)監(jiān)測(cè)

通過(guò)研究配網(wǎng)搶修中快速研判故障的方法對(duì)于能夠快速準(zhǔn)確定位各種故障問(wèn)題，節(jié)省人力物力，縮短故障的停電時(shí)間。

6? ? ? 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)展望

目前，A集團(tuán)公司油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)情況如下：

（1）最好的油氣田生產(chǎn)單位整體實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、云平臺(tái)→數(shù)據(jù)處理;

（2）中等的油氣田生產(chǎn)單位整體實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、云平臺(tái);

（3）較差的油氣田生產(chǎn)單位，部分采油廠有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，整體來(lái)看還差得較遠(yuǎn)。

由此可以看出，還處在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的早期階段，物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)還有較長(zhǎng)的路要走。

中期規(guī)劃，在未來(lái)的七八年的時(shí)間內(nèi)，A集團(tuán)公司將在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)方面做好以下工作。

（1）實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)全覆蓋。集團(tuán)公司的油氣田生產(chǎn)企業(yè)全部實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)有效覆蓋：滿足要求的油氣水井?dāng)?shù)字化，中小型站場(chǎng)無(wú)人值守，大型站場(chǎng)少人值守;生產(chǎn)運(yùn)行模式從“定時(shí)巡檢”變成“故障巡檢 ”。

生產(chǎn)管理流程扁平化：生產(chǎn)管理中心？圮現(xiàn)場(chǎng)班組，采油廠一線員工數(shù)量明顯減少，工作效率有明顯提高。

（2）實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理和資產(chǎn)管理。開(kāi)始從傳感器實(shí)時(shí)采集設(shè)備及站場(chǎng)獲得的溫度、壓力、流量、振動(dòng)等海量數(shù)據(jù)中，通過(guò)挖掘分析、處理、應(yīng)用，創(chuàng)造新的價(jià)值。故障預(yù)測(cè)、遠(yuǎn)程診斷、生產(chǎn)流程優(yōu)化、能耗優(yōu)化等諸多方面開(kāi)始有了初步的應(yīng)用成果。

遠(yuǎn)期愿景，在前面的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)基礎(chǔ)上，更精細(xì)地控制生產(chǎn)模式，更進(jìn)一步針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的每個(gè)環(huán)節(jié)獲得更細(xì)致的能見(jiàn)度，更好地優(yōu)化生產(chǎn)周期，優(yōu)化能源分配，結(jié)合AI技術(shù)、VR技術(shù)等新進(jìn)的技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)智能化和可視化的油田，借此促進(jìn)生產(chǎn)、銷售等不同環(huán)節(jié)和部門員工之間的密切合作，全面提升整體效率。

開(kāi)始將數(shù)據(jù)用于預(yù)測(cè)性分析指導(dǎo)企業(yè)行動(dòng)。利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)管理的各個(gè)層次業(yè)務(wù)的流程改善，分析生產(chǎn)什么樣的產(chǎn)品和提供什么樣的服務(wù)可能帶來(lái)怎樣的收入，什么樣的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用能開(kāi)拓新的市場(chǎng)。

主要參考文獻(xiàn)

[1]賀耀宜，王海波.基于物聯(lián)網(wǎng)的可融合性煤礦監(jiān)控系統(tǒng)研究[J/OL].工礦自動(dòng)化，2019（8）：13-18.

[2]丁勁鋒，劉成，穆紹帥.基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電泵監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2019，34（7）：65-68，79.

[3]劉輝席，楊禎，朱珠，等.基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J/OL].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019（7）：243-247.

[4]賴崢嶸.移動(dòng)通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用[J/OL].集成電路應(yīng)用，2019（8）：112-113.