大慶油田油氣生產物聯網深化應用探討

大慶油田設計院有限公司

大慶油田于2016年提出“數字油田、智能油田、智慧油田”三步走戰略目標，以實現油田轉型升級，形成提質增效和轉型發展的新模式，探索一條綠色油田發展新路徑。大慶油田通過油氣生產物聯網系統建設、應用試點工程，部分采油廠建立了覆蓋油氣井區、計量間、集輸站、聯合站規范統一的生產管控平臺，突破了多項關鍵技術，實現了生產數據自動采集、遠程監控、生產預警、生產分析與生產過程管理等功能，在一定程度上滿足了油田公司、采油廠等不同管理層級對生產管理和輔助決策的需要，實現了生產數據共享以及相關系統的集成應用。

1 油氣生產物聯網基本架構

從體系架構上看，油氣生產物聯網系統由感知層、傳輸層和應用層組成。

感知層由安裝在油氣生產設備上的各種感知設備和控制設備組成，通過變送器、流量計等傳感器，自動采集油氣水井、集輸管網及油氣處理站庫的生產數據，從而實現對生產狀態的全面感知以及對各種設備的自動控制。

傳輸層采用有線數據傳輸和無線數據傳輸相結合的方式，將現場傳感器采集到的井場、站庫生產數據及視頻信號傳輸到油氣田監控指揮中心。

應用層主要功能包括生產動態實時監控、生產信息統計分析、生產工況實時診斷、關鍵告警集中展現、設備資產在線管理、生產調度指揮管理等，另外還有環境監控、氣體監測、防盜防泄漏監控、故障預警、系統管理、數據管理、物聯設備管理等功能，可使油氣生產的管理更加精細化、智能化。

從功能架構上看，油氣生產物聯網系統分為采集與控制子系統、數據傳輸子系統、生產現場監控與管理子系統三部分。

2 大慶油田油氣生產物聯網建設

2.1 建設思路

按照“加強頂層設計、突出問題導向、聚焦產業升級、追求質量效益”的總體工作要求，整合技術規范和管理流程，梳理建設模式，統一建設內容。

2.1.1 進行地面系統優化調整，固化數字化建設的實施對象

為了避免數字化建設的浪費，對低效區塊進行排查。通過對現有井、站進行優化和篩選，排查產量低、無治理潛力的以及待報廢的井、站，精簡數字化建設投入規模。根據開發預測及對已建系統現狀進行適應性分析，對地面系統優化調整。通過“核減、合并、降級”及“三優一簡”措施，優化調整地面系統，提高運行負荷率，精簡站場規模及數量，固化數字化的實施對象。

2.1.2 實施管理模式轉型再造，確定數字化建設的數據流和控制流

為了形成“井站一體、電子巡護、遠程監控、智能管理”的數字化油田管理模式，需建立與之相適應的組織架構體系。根據組織架構確定數據采集與監控系統設置模式，明確數字化建設的數據流和控制流。

2.1.3 建成數據采集與監控子系統、數據傳輸子系統、生產管理子系統

根據Q/SY 10722—2019《油氣生產物聯網系統建設規范》相關要求，數字化建設總體架構按照數據采集與監控子系統、數據傳輸子系統以及生產管理子系統三個部分進行建設[1]。

借鑒中石油其他油田及大慶油田采油三廠二礦、慶新油田、頭臺油田的建設，綜合技術、投資、成本、效益及政策等多重因素反復論證優選，并經過多次研討，目前對于數據采集與監控子系統、數據傳輸子系統以及生產管理子系統進行初步確定。

2.2 建設模式

為了推進油田生產形成“井站一體、電子巡護、遠程監控、智能管理”的開發管理模式，井、間建設模式為“區域巡檢、無人值守”。

2.2.1 井、間建設模式

抽油機井對井口回壓、沖程、沖速、電動機綜合電參數（電流、電壓）等參數采集及數據上傳，油井啟停采取語音提示，實現油井回壓監測、示功圖量油、狀態監視、遠程啟停井功能；注水井對注水壓力、瞬時注入量、累計注入量等參數采集及數據上傳，實現對注水壓力、流量的監測功能[2]。

集油閥組間內采集集油、摻水匯管的壓力和溫度，并采集單環回油溫度；計量間單井計量采用“計量分離器+U型管”，采用人工選井、自動計量方式，采集集油、摻水匯管的壓力和溫度，以及單井回油溫度；配水間采集來水干管壓力、單井注入壓力、單井流量等生產數據并上傳至相關系統[2]。

2.2.2 站場建設模式

（1）站場集中監控。對于2個崗位及以上合建的聯合站場，推行站場集中監控建設模式，即：取消傳統分崗管理模式，在站場建設中控室，將各生產單元統一監控，統一在中控室內集中監控管理，各分崗不再設置值班人員。

（2）區域集中監控[2]。對注水站、注入站、水質站等實施“區域集中監控，站場無人值守”建設模式。對儀表系統進行全面改造完善，重要工藝參數全部進入站控系統后，統一上傳至區域管理中心，實施“區域集中監控，站場無人值守”的建設模式。

在采油五廠選取杏南二轉油站開展“轉油站區域集中監控，站場無人值守”先期試驗，通過自動控制、遠程操作試驗，摸索規律、發現問題、總結經驗、形成模式，試驗成功后再大范圍推廣。

2.2.3 數字化建設管理模式

作業區對無人值守井、站實施統一監控。SCADA系統建在作業區，無人值守井、站、管道由作業區集中監控；有人值守站廠自設監控系統。作業區對所轄生產單元實施統一監視管理。井、間、站監控模式見圖1[1]。

圖1 井、間、站監控模式示意圖Fig1 Schematic diagram of supervisory mode for well，room，and station

2.3 傳輸子系統

傳輸子系統包括無線傳輸系統和有線傳輸系統。

考慮到油水井、間數量多，范圍廣，且分布在大、中型站場周圍，通信業務單一，通信速率需求較低，建設光纜線路投資較高、施工難度大，而無線通信具有投資低、施工簡便、部署靈活等優勢，因此，井、間以及無供電線路依托的采氣井場通信采用無線傳輸方式，而有供電線路依托的采氣井場采用ADSS光纖傳輸方式。

大、中型站場通信業務多，除生產數據外，還包括語音、視頻監控、周界報警等業務，除本站通信業務外，還匯聚了所轄井、間的通信業務，通信速率需求較高，其通信采用光纖傳輸方式。

2.4 生產管理子系統

按照“一個平臺兩級中心”的思路，基于油田智慧指揮中心搭建工業互聯網平臺，支撐智慧指揮中心、區域管控中心兩級應用，補充完善已建生產管理系統欠缺功能。生產管理子系統部署模式見圖2[1]。

圖2 生產管理子系統部署模式Fig.2 Architecture of the production and management subsystem

2.4.1 油田指揮中心建設

生產管理子系統以油氣生產物聯網系統（A11）統建的PaaS平臺為支撐，PaaS平臺部署在生產運行與信息部的數據機房（生產網與辦公網的DMZ區），軟件和硬件設備包括X86服務器、UNIX服務器、EMC存儲設備、備份設備、負載均衡、隔離網閘、防火墻、數據庫網關、組態軟件、實時數據庫、中間件與報表工具、服務器虛擬化操作系統等。已建PaaS平臺除EMC存儲和備份設備外，其他軟、硬件均能滿足大慶全油田應用。各采油廠數字化項目建設應隨量級大小，在PaaS平臺擴充相應的EMC存儲和備份設備。

2.4.2 各采油廠生產管理子系統組成

各采油廠生產管理子系統均由大慶油田已建PaaS平臺軟、硬件提供服務，采用B/S的方式進行應用。廠級、區域生產管理中心級不需單獨部署生產管理系統硬件，只需在區域生產管理中心配置井、間、站數據采集所需軟、硬件即可。

區域生產管理中心配置的服務器分別為組態服務器、關系數據庫服務器、實時數據庫服務器、上位機監控系統使用終端（PC機）。組態服務器部署利用組態軟件開發的上位機監控系統，負責接收、監控和管理區域生產管理中心下轄各采集設備的生產數據，并將這些數據傳至實時數據庫；關系數據庫服務器安裝Oracle數據庫軟件，負責存儲各單井的示功圖數據；實時數據庫服務器安裝PHD實時數據庫軟件，負責存儲實時生產數據，并將數據傳至油田公司實時數據庫；上位機監控系統使用終端（PC機監控人員使用）以B/S的模式監控各區域生產管理中心下轄井、間、站場的生產數據。

3 大慶油田開展的先期探索

3.1 夯實油氣田地面工程物聯網建設基礎

根據SY/T 7352—2016、Q/SY 1722—2014、GB/T50892及GB/T50823等規范，結合典型站場的HAZOP分析成果，制定了適合大慶油田的建設標準，進一步細化了采集參數、聯鎖控制參數、數據傳輸方式和軟件基本要求等。編制完成了相關產品的技術規格書，并完成設備招標采購，順利開展聯合設計，形成了產品互聯互換的統一標準，數據格式、內容及順序得到統一，為同步編程組態提供了條件。編制完成了聯合測試計劃，包括測試內容、測試指標、測試報告等。同時，結合施工實際，開展了施工方案二次設計，細化了線路走向、敷設方式、連接方式等，為工廠預制做好準備。

3.2 開展基于A11系統的部分深化應用

3.2.1 作業區生產運行管理

（1）進行數字化建設，推動油田精益生產。首先實施注水精準調整。外圍油田采用注水量自動調節裝置能夠確保注水量，注水合格率提高。注水壓力、瞬時水量、來水壓力等參數的實時監測，為實現全天24 h精準注水、均衡注水提供了條件，注水方案由以前不定期進行注水大調查，再制定調整方案定期調整，轉變為實時動態分析、實時調整，注水質量得到提高，調整周期縮短，受效時間延長。長垣老區油田采用只監不控的注水方式，實時監測注水量，保證了實時數據的準確、及時。根據需要，在巡檢時執行注水調整指令，通過手動閥門調整。其次實施措施精準挖潛。示功圖、電參數等生產數據實時分析，潛力及時落實，油井措施實現動態調整，提高了措施及時性和有效性。最后開展根據背壓調節摻水的嘗試，做到按需要控制摻水量。通過現場試驗，摸索出摻水與背壓之間的關系，制定合理的摻水機制，包括連續調節或間歇摻水。

（2）開發能耗分析軟件，提高設備運行工況水平。依托A11項目，研發能耗分析軟件，對泵站系統6類關鍵節點參數進行監測，實現泵效、單耗超值預警及綜合能耗分析功能，并自動提供調整方法，指導崗位工人操作，實現設備運行工況最佳，能耗成本降低。

（3）豐富機采管理方法，控制機采能耗和作業成本。通過實時跟蹤單井油壓、回壓、套壓、載荷變化情況，確定單井熱洗周期。熱洗由原來的定期洗轉變為按需洗，實現精準熱洗，避免了過度洗井，節能效果明顯。某作業區全年洗井頻率由原來的6 820 a-1下降到5 900 a-1。

實時錄取功圖、電參數、油壓等數據，為采油工程精細管理提供了條件。某作業區的泵況問題井從發現到處理完畢時間平均縮短7.5 d，少影響產量2 555 t，年可創效644萬元；泵況問題井發生率降低2個百分點，減少井下作業成本115萬元。

（4）實現對井筒結蠟、桿斷等6大類21項內容的智能預警。依托A11實時數據，實現對井筒結蠟、桿斷等6大類21項內容的智能預警。巡檢由原來每日2次，向24 h全程管控轉變。設備運行問題可隨時發現，精準定位。當發生大面積停電，單井皮帶斷、桿斷等情況時，指揮中心可及時接收報警信息，及時進行處理，設備運行時率大幅度提高，時率產量得到保障。

3.2.2 大慶油田智慧指揮中心

各部門通力合作，快速、高效地建成了油田公司智慧指揮中心。搭建了集中、統一的數字化生產管理平臺，為油田生產運營、應急指揮和風險管控的快速高效決策提供了手段，推動了兩級指揮管控體系的變革，縮短管理鏈條，成為管控最集中、規模最大、功能最強的企業指揮中心（圖3）。

圖3 智慧指揮中心生產總況Fig.3 Overview of production in the intelligent command center

3.2.3 軟件研發和配套支持

圍繞數字油田建設，持續強化軟件研發和配套支持實力，已具備A11生產管理子系統、組態軟件二次開發及各類應用平臺軟件開發能力，同時推進軟件開發工程化管理，打造了一系列信息系統集成應用平臺。

從功能架構設計、流程梳理、數學模型探索等方面，開展智能化系統設計，完成了大慶油田生產智能化分析應用系統的整體框架設計，（圖4），以及智能化應用的閉環管理流程設計（圖5），并開展了工況自動診斷和自動告警預警數學模型的研究。

圖4 大慶油田生產智能化分析應用系統Fig.4 Intelligent analysis and application system for the production in Daqing Oilfield

圖5 智能化應用的閉環管理流程Fig.5 Closed loop management flow of intelligent application

結合A5、A11數據需求，形成A5與A11數據共享方案。A5通過中間數據庫將間、站靜態屬性數據提供給A11，A11通過Web Service將間、站動態生產運行數據處理成日數據提供給A5，從而實現數據共享集成，進一步減少了人工數據錄入量，提高了生產數據入庫及時性和準確率。

4 油氣生產物聯網深化應用

油氣生產物聯網深化應用的目標就是實現智能化的油氣生產。油田數字化建設的目標是實現智慧化的油氣田開發與管理。為了更清晰地表述，有必要明確幾個概念：數字化、信息化、自動化、智能化、智慧化。油氣生產物聯網的建設是油氣田數字化的一部分，它側重于油氣生產領域的生產數據采集與監控。數字化的深化應用主要包括自動化和信息化兩個方面，數字化既是自動化的基礎也是信息化的基礎。當數字化用于自動化時，時間域非常重要，從感知到響應需要做到“實時”；當數字化應用于信息化時，更注重的是數據的充分性、完整性和準確性。數字化用于自動化的高級階段就是智能化，用于信息化的高級階段就是智慧化。智能化系統可以成為智慧化系統的“感知層”，提供源數據；同時還可以成為智慧化系統的“執行層”，接收智慧化系統“下達”的“指令”。換句話說，一個智慧化系統可以接收多渠道的數據和信息，并通過分析、運算、處理，給多個智能化或非智能化系統提供“協調”指令，使得整個體系統籌、協調運行和發展。

4.1 數字化是深化應用的基礎

油田需要通過數字化建設達到全面感知的目的。這需要從三個方面來實現：一是提高傳感器精度并擴大智能傳感器使用范圍，二是利用互聯網技術擴大感知范圍，三是通過數據挖掘及多源信息耦合提高智能感知能力。大慶油田油氣生產物聯網的建設將為油田的智能化應用奠定“數字化”基礎；在此基礎上，繼續開展集成化產品應用，如智能斷路器、集成斷路器、接觸器、電流電壓檢測，電動機保護、漏電保護、網絡通信等功能。隨著5G技術的發展，5G通信模組集成到機電產品成為可能，無線傳輸標準將進一步得到統一。另外，大慶油田ERP系統、大慶油田地理信息系統、中國石油采油與地面工程運行管理系統、大慶油田生產經營管理與輔助決策系統、移動辦公平臺、大慶油田云計算數據中心、大慶油田生產指揮中心等10余項數字化、信息化項目的建設和應用，將為油田智慧化應用的開發創造條件。

4.2 智能化應用基于生產過程的機理模型

生產過程的機理模型可反映管道、設備、流體的特性及其相互關系的客觀規律，如理想氣體的溫度、壓力和體積之間的相互關系，閥門的流量特性，離心泵的流量、揚程曲線等。通過實時檢測這些與生產過程密切相關的變量，依據具有多輸入、多輸出功能的可編程控制系統中基于機理模型確定的邏輯關系、控制模型，實時響應輸出聯鎖、調節信號，驅使閥門、機泵等執行元件及時動作，實現工廠、裝置或系統的安全、平穩、高效運行。

智能油田以提升油田企業生產運行管理水平為目標，是現階段智能應用的核心。智能應用貫穿綜合研究、工程建設、生產運行、經營管理全業務過程，通過建立具備高度自動化、可視化、集成化、流程化、模型化為特征的IT集成系統，實現業務的自動感知、預測預警、業務協同、決策優化。

隨著大慶油田開發進入特高含水采油期，為了保持油田長期的高產穩產，生產規模不斷擴大。將智能化技術和油田發展深度融合，依靠管理和技術創新，來提高油田生產運行管理水平，充分發揮自動化設備的優越性，降低安全事故的發生率，盡可能降低油田生產的成本，達到油田生產的經濟效益指標。

在集油系統依托背壓優化摻水的基礎上，開展井口根據背壓間歇電加熱研究。在青海尕斯庫勒油田應用電磁加熱技術，獲得了比雙管集油節能50%以上的效果[3]；在華北油田的泉42區塊應用電磁加熱技術，比摻水技術單井節約28萬元[4]。通過機理模型仿真，確定生產各個環節的運行優化參數，如溫度、壓力等，為減少加熱、余熱回收、減少運行負荷奠定了理論基礎。

大慶油田通過間歇電加熱的嘗試，在敖一轉油站取消了摻水，一年節約天然氣252×104m3[5]。在機理模型仿真和數字化油田的支撐下，間歇電加熱將具有更好的應用條件。

在油田生產管理各環節的軟件系統和硬件設施中引入智能化技術，可以提高管理水平，達到科學管理的目標。在油氣生產過程中應用智能化系統進行分析和判斷，可進一步提高生產效率，保障安全生產，緩解生產規模擴大所帶來的用工緊缺、資源開發成本高與精細管理提質增效之間的矛盾。

通過數字化交付，建立靜態數據、模型、文檔之間的關聯關系，以三維模型為導航引擎，連接動態數據，實現虛擬環境下的深化應用，包括虛擬巡檢、虛擬培訓、維護檢修、管理等。通過信息化平臺實現生產管理、維修維護等各個生產活動的信息化，基本實現管理流程化、流程表單化、表單信息化，包括通過智能終端巡檢定位、在線報修、調用操作規程等。

4.3 智慧化應用基于專家系統和全局數據與信息

智慧化應用是系統工程，基于專家系統和大數據、云計算的深入融合。需要把采油工程、地面工程、財務、管理、系統工程、人事、IT等各領域專家結合在一起，組成專項研究、開發與實施團隊。圍繞智慧油田建設問題，各專業相互融合貫通，共同研究油田運行、管理、技術高效與經濟高效等體制及相應機制，充分發揮各領域專家的理論、知識、經驗。結合信息系統的大數據、云計算等應用，逐步形成一套依據全局數據和信息的科學決策管理系統。智慧油田建設需要進一步全面拓展和深化空間信息、認知計算、智能仿真與控制、虛擬現實等技術，同油田業務、流程、信息與人的智慧的全程立體有機融合，構建智能油田數字孿生體，實現現實智能油田與虛擬智慧油田的生態交互，最終形成全息“智慧油田”。建設智慧油田需要油田內外、行業內外、國內外的專業技術人員和IT人員共同努力，充分運用先進的技術手段與良好的政策環境，實現油田的數字化、智能化、智慧化，達到油田開發的最高階段。

智慧油田是油田可持續發展的需要，是油田高效開發和經濟效益最佳化的需要，是油田長遠發展的目標。通過多專業、多領域、長時間、大數據的積累，以及各個系統的生產運行經驗和規律的認知，由智慧化系統進行統一協調指揮，使得整個油田有序、科學地開發運行。如根據某油藏的地面運行參數，開展地下“驅油”模擬仿真，形成地下調剖、注水、注聚的優化方案；同時，根據實施情況，調整地面采油、注水、注聚參數。

5 結束語

隨著信息技術的不斷發展，數字化、智能化和智慧化的愿景將逐步實現。數據采集成本會越來越低，數據會越來越完善，機理仿真模型越來越及時且更加趨于實際工況，生產決策將更加依賴于智能和智慧系統。油氣田的生產將會更加安全、平穩、高效、節能、環保。

當數據采集單元集成在所有機泵、閥門、容器等工程對象中，數據格式和標準得到進一步統一，數據傳輸標準越來越統一，如趨近于5G技術，油氣生產物聯網將迎來一個嶄新的時代，也會發揮更大的作用。有了高可靠、低延時的傳輸技術的保障，數據采集及執行設備直接與云端的數據處理中心連接，實現所有的分析、判斷、運算、聯鎖。

工程投資將進一步減少，基于數據分析診斷，維修維護將更加便捷和智能化。大數據的應用將得到進一步提升，油氣田的生產將完全地處于可預見、可掌控的境地。