智能化油田技術研究

梁根生，常小虎，馬有龍，徐夢瑤

(中國石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011)

隨著信息技術的不斷發展，油井、計量站的運行方式由傳統的人工操作轉變為無人值守。集油站、聯合站由職工手工抄表、晝夜巡檢轉變為少人值守。運行方式的轉變得益于物聯網技術的快速發展。

1 物聯網

物聯網的概念是在1999年提出的，物聯網的英文名：Internet of Things(IOT)，也稱為Web of Things。它是互聯網的應用擴展，是通過各種傳感技術(傳感器、GPS、攝像機)、各種通訊手段(有線、無線)，將任何物體與互聯網相連接，以實現遠程監視、自動報警、控制和維護，進而實現“管理、控制、營運”一體化的一種網絡。

物聯網包含三個層次：感知層、網絡層和應用層。感知層是通過傳感器對生產過程中每一個環節進行數據提取；網絡層是將提取的數據構成數據庫，并進行聯網傳輸，實現信息共享；應用層利用這些信息數據庫實現遠程自動化控制[1]。

2 智能化油田

智能化系統組成方式：系統分為油田級、采油廠級、管理區三級應用管理。通過數據的自動化采集和配套自動化改造，完善數據庫，建立管線、井場及站場的智能化管理系統，實現分級監控，并形成集輸管線、井場、計量站、集油站、聯合站----生產指揮中心的油氣生產運行監控應用模式。生產模式及數據傳輸見圖1。

圖1 生產模式及數據傳輸示意圖

2.1 井場

每口油井設置測量載荷、位移、沖次的一體化示功儀，將抽油機井的運行參數通過無線通信模式發送至井場RTU(Remote Terminal Unit 遠程測控終端)[2]。經過處理后，通過功圖得到單井產液量。

在油井井口的采油管線上設置溫度、壓力傳感器，采油樹設置套壓傳感器，可通過有線或無線通信模式將信號傳送至井場RTU。

一體化示功儀，溫度、壓力變送器與井場RTU的通信一般采用無線通信，遵循ZigBee協議(基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議,又稱紫蜂協議)。該技術是一種新興的短距離、低速率的無線網絡技術，主要用于近距離無線連接。因為示功儀和變送器的傳輸數據少，至RTU的距離近，且應用該技術不需要繳納額外的通訊費，因此井場的儀表與RTU的通信基本應用此技術。

在高產油井井場和主要公路路口設置視頻監控、圖像分析報警、廣播預警等。在需要監控的井場和路口各設置1套一體化球型攝像機，立桿安裝，攝像機具備遠紅外功能，可以在夜間清楚拍攝下移動物體，便于及時發現盜油案件，減少類似案件的發生，保證油井的正常生產。油井控制柜內安裝RTU、變頻器和電參模塊。電參模塊負責采集抽油機的電壓、電流、功率等參數。變頻器可遠程調節抽油機電機頻率，達到調整沖次的目的。RTU采集示功儀、溫度、壓力等參數，與視頻信號一起將數據上傳至監控中心。

視頻信號要求傳輸帶寬大，通信方式可選擇有線或無線。有線傳輸應用光纜，信號穩定且速度快；無線可應用4G技術和無線網橋。4G技術和無線網橋都要求在區域中心建設基塔，滿足傳輸覆蓋半徑要求，在工程建設初期需要一定的投資，后期的通訊費免除。無線傳輸的建設費用偏低，但如果是山區或丘陵地區，則信號容易被阻擋，傳輸穩定性沒有保障。因此，平原地區建議應用無線傳輸，丘陵地區建議應用光纜傳輸。

2.2 計量站

計量站設置1套RTU系統。在單井進站管線及生產匯管處設置溫度變送器，在單井摻水管線和生產匯管處設置壓力變送器，以上信號通過電纜傳輸至RTU系統。稱重式計量裝置通過RS485接口與RTU系統連接，單井產液量數據上傳。同時，可對稱重式計量裝置進行控制，能夠自動選井計量，并實現緊急關斷的功能。

在計量站關鍵位置設置視頻監控、圖像分析報警、廣播預警等。防爆區采用130萬像素防爆網絡紅外云臺一體化攝像機，非防爆區采用130萬像素紅外網絡高清高速智能球機。視頻圖像采用光纜傳輸至站內控制室。計量站RTU與監控室的通信方式根據實際情況選擇有線或無線傳輸。

2.3 集油站

集油站設置1套站控PLC控制系統，對站內工藝變量及設備運行狀態進行數據采集、監視控制及聯鎖保護。站內現場顯示儀表更換為可遠傳的變送器，在控制室顯示。站控PLC系統提供OPC接口，將PLC系統內的監視數據上傳至上級監控中心，并能實現報表自動生成，自動預報警。

在集油站內設置視頻監控設備，對站內主要出入口、工藝區、泵房等區域設備進行重點監控。防爆區采用130萬像素防爆網絡紅外云臺一體化攝像機，非防爆區采用130萬像素紅外網絡高清高速智能球機。視頻圖像采用光纜傳輸至站內控制室進行本地存儲。光纜敷設沿站內已有橋架或直埋敷設。

集油站控制室根據前端攝像點數量合理配置存儲、管理、顯示設備。集油站視頻監控點為16個點以內，采用NVR存儲，配置客戶終端，配2臺42′′液晶顯示器。格式采用HD，圖像壓縮采用H.264，存儲時間30天。

視頻圖像與PLC系統數據通過光纜上傳。集油站實現少人值守。

2.4 聯合站

聯合站一般包含原油脫水、原油穩定、原油外輸、污水處理、注水、供熱六大生產系統。已有的DCS控制系統僅包含原油脫水和原油穩定系統的數據采集及控制，其余系統部分設置現場顯示儀表，沒有遠傳及控制。中心控制室的已有DCS控制系統需要完善、擴容，對影響安全生產和產品質量的溫度、壓力、液位進行控制，對反映生產過程參數的溫度、壓力、液位和重要設備參數進行采集。污水處理、注水和供熱系統設置分散的PLC控制系統，將數據采集后上傳至中心控制室，DCS控制系統的數據經整合后統一存儲、上傳。

在聯合站內設置視頻監控設備，對站內主要出入口、罐區、工藝區、泵房等區域設備進行重點監控。防爆區采用防爆一體化網絡型攝像機；非防爆區采用普通網絡型攝像機。視頻圖像采用光纜傳輸至站內控制室進行本地存儲。光纜敷設沿站內已有橋架或直埋敷設。

聯合站視頻監控點為16～32個點區間，采用NVR存儲，配置客戶終端，配4臺42′′液晶顯示器。格式采用HD，圖像壓縮采用H.264，存儲時間30天。

視頻圖像與DCS控制系統數據通過光纜上傳。

聯合站實現控制室集中管控、分區巡檢、少人值守。

2.5 集輸管線

在集輸管線的起點、終點設置可遠傳的溫度、壓力變送器和流量計，便于監視管線動態，及時發現安全隱患。

在集輸管線的閥室及管線穿越河流、人口密集區等處設置視頻監控設備。閥室內采用130萬像素防爆網絡紅外云臺一體化攝像機，管線穿越高后果區采用130萬像素紅外網絡高清高速智能球機。視頻數據采用無線傳輸至上級監控中心。

2.6 網絡傳輸

井場和計量站分布分散、數量眾多，我油田屬于平原地區，采用無線傳輸的通信方式。

集油站和聯合站的通信組網為專網方式，采用工業以太網+光纖傳輸的方式，將自動控制系統的儀表數據、視頻監控數據均上傳至監控中心進行集中監控管理。生產網與辦公網是物理斷開的，一般情況下，辦公網用戶是不能登陸到生產網絡中，只有授權的辦公網絡客戶端用戶通過防火墻才能登陸到生產網絡中。

2.7 監控系統

根據當前監控系統組網技術，智能化監控系統整體構架為數字化平臺，以太網方式組網。采用集中和分散相結合監控，分級控制、統一管理。監控系統分四級管理，分公司--采油廠--管理區--站場。整個監控系統包含一級監控室、二級監控室、三級分控監控室、四級本地監控室。其中，二級監控室僅部署廠級系統，三級分控監控室配置服務器及顯示屏。

一級監控室設在分公司，要求具備可調看網絡中任何一個生產數據或一個攝像機的圖像功能。

二級監控室設在各采油廠，要求具備可調看各廠所轄站場的生產數據和攝像機的圖像功能，設置服務器、存儲設備、顯示屏等。

三級分控監控室設在各廠管理區。三級分控室可調看轄區內網絡中生產數據和攝像機的圖像，并對重要的攝像機的圖像進行選擇性存儲，對生產數據進行實時存儲，對網絡中設備進行管理、配置等，監控室設數據庫服務器、I/O服務器、流媒體服務器、存儲設備、顯示屏等。

四級本地監控室設置在各站(聯合站、集油站等)。本地監控室采集控制系統中的各項參數，并能控制站內的攝像機，完成前端采集圖像和數據的存儲、回訪、顯示、上傳，以以太網方式將圖像上傳到上一級分控室，日常視頻監控采用自動報警、黑屏管理。

全網系統為數字化系統。各級監控室的主設備、控制軟件應保持一致或具有兼容性或具有開放的通信協議。

2.8 物聯網的應用

感知層是進行數據采集，它包括四個方面的數據源：(1)由基建部門管理錄入設計竣工資料等基礎數據；(2)管線、井場及站場的運行數據通過控制系統自動采集數據上傳；(3)管線、井場和站場的視頻通過服務器自動上傳；(4)從相關專業數據庫提取數據。

網絡層要求建立數據庫，需要收集、管理海量的圖形和屬性數據資源，主要包括：(1)各種地理相關圖形(全要素基礎地形圖、各專業地理相關的現狀專題圖、規劃設計圖、竣工圖等)；(2)各種非地理相關圖形(各種站、庫平面布置圖、各種站、庫工藝流程圖、各種站、庫設備結構圖等)；(3)地面工程靜態數據；(4)地面工程生產動態數據。

其中，地理相關圖形包含1∶1萬地形圖，高分辨率航空影像圖和探測出來的油水管線及站場分布圖。

地面工程靜態數據包含管線和站場的靜態數據。管線需采集的靜態數據包括：(1)埋深、穿跨越、管徑、壁厚、介質、投產日期等基礎數據；(2)管線級別、安全等級、壁厚、檢測結果、檢測結論等檢測數據；(3)占壓類別、占壓時間、占壓長度、占壓照片等占壓數據；(4)管線復雜區域照片、管線穿跨越照片等實景照片；(5)穿跨越名稱、位置、地點等穿跨越數據；(6)維護時間、地點、內容、換管數據、改線數據等維修維護數據；(7)設計、施工、竣工、驗收等文檔資料；(8)損傷、露管、打孔盜油等侵害類數據。站場需采集的靜態數據包括：(1)設計規模、投產日期、工藝流程圖、平面布置圖等基礎數據；(2)設備名稱、銘牌數據、檢測數據等設備設施數據；(3)區域照片、設備設施照片等實景照片；(4)維護時間、地點、內容等維修維護數據；(5)設計、施工、竣工、驗收等文檔資料。

地面工程動態數據包括：井場、站場、管線的自動化系統數據，管線、井場及站場的視頻監控，溫度、壓力、流量等運行參數的自動上傳，異常情況的預警、報警等。 靜態數據進入歷史數據庫，永久保存。動態數據進入實時數據庫，按照本地、管理區、采油廠級、分公司級逐級存儲的原則，根據不同的頻率和需求進行存儲。視頻數據進行本地存儲，管理區、采油廠和分公司的監控中心可進行調看。

本地實時監測數據(采集頻率為秒級)保存3個月，本地視頻數據保存1個月。集輸大隊實時監測數據(采集頻率為5 min)保存1年，采油廠實時監測數據(采集頻率為30 min)保存3年，油田實時監測數據(采集頻率為8 h)保存3年。

異常情況的預警、報警經過實時數據庫篩選后，進入歷史數據庫永久保存。

將以上這些大量的數據快速無冗余地錄入數據庫，并進行有效的安全管理、維護和更新，實現圖形和屬性的一體化建庫，正確快速且減少數據垃圾。

應用層搭建分公司、采油廠、管理區三級應用平臺。管理應用模塊包括生產監控、報警預警、生產動態、調度運行、生產管理、公用工程和應急處置。在監控室統一完成生產的調度運行。

油田內部建立源頭數據庫，利用已有的地理相關圖形，通過GPS技術進行測量定位，將油田內的油井、站場、管線的具體地理位置顯示在地形圖上。再通過監控室的應用平臺，調用動態數據庫中的實時數據，油井、站場、管線的相關參數通過點擊即可查看。

站場采集參數較多，傳統的二維地形圖無法觀看地下工藝管線的走向及埋深。本次對站場地上及地下的設備、管線進行統一探測，再應用三維平臺軟件對其進行二次開發，完成站場的三維建模。各項采集、控制參數在三維圖像上顯示，清晰明了。

每個井場、站場和管線的數據通過IP地址加以區分，數據經整合處理后對應不同地點的不同物體，實現對物體的管理、控制、營運，達到物聯網的應用效果。

3 結束語

利用物聯網技術對井場、站場和管線進行自動化改造，建設智能化油田。建成后，將對管線、井場和站場的安全、環保隱患進行預防，對出現的事故進行快速反應；同時提升油田地面工程的科學管理與投資決策水平；另外促進物聯網技術在油田生產建設中發揮輔助決策作用。

井場、站場和管線由人工巡檢轉變為電子巡檢，實現生產數據自動采集、自動預報警，操作人員黑屏監控，及時發現安全隱患，提高管理水平，減少用工數量。