物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在石油行業(yè)中的探索與應(yīng)用

高 倩

（遼河石油勘探局有限公司信息工程分公司，遼寧 盤錦 124010）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(Internet of Things）的含義是指世界萬物互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是指廣大人民群眾借助數(shù)據(jù)信息傳感裝置，使用射頻辨別科技方法、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人工智能AI技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等措施把世間萬物和互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系起來，達(dá)成智慧化辨別、位置確定、方位追蹤、視頻圖像監(jiān)控及管理的系統(tǒng)。現(xiàn)階段，根據(jù)礦井、庫站等油氣田開采作業(yè)現(xiàn)場的參數(shù)信息收集、開采過程把控、數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)改進(jìn)、管理過程決定等凸顯關(guān)鍵，把物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)科技、通信技術(shù)及數(shù)據(jù)信息科技相結(jié)合的油氣田開采物聯(lián)網(wǎng)體系在智能辨別、參數(shù)信息結(jié)合、參數(shù)信息使用等層面起到至關(guān)重要的作用，油氣田開采過程應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是油氣田數(shù)據(jù)信息化工程進(jìn)步的必然發(fā)展方向。因?yàn)槠渚邆浞浅V闊的使用前景，所以各個(gè)石油開采相關(guān)單位正在強(qiáng)化物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用方面的研發(fā)力度。油氣田開采物聯(lián)網(wǎng)體系即根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)科技，完成油氣田礦井區(qū)域、裝置運(yùn)行情況、計(jì)量室、處理廠開采參數(shù)信息、集輸室及綜合處理室集中管控。組建油氣田場站標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)信息管控系統(tǒng)，提升油氣田開采工作的準(zhǔn)確性。

油氣田開采過程物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)牽涉油氣開采全產(chǎn)業(yè)鏈條，制造工藝復(fù)雜，包含油氣礦井的生產(chǎn)過程管控、加水站、加氣站、油氣開采站及綜合服務(wù)站等業(yè)務(wù)范疇。油氣田開采物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要功能有：完成開采過程參數(shù)信息自動(dòng)化收集、遠(yuǎn)距離監(jiān)控、開采過程出現(xiàn)問題報(bào)警，支撐油氣田開采進(jìn)程管控，最大限度地提升油氣田開采作業(yè)的準(zhǔn)確程度和時(shí)效性；提升開采過程管控效果，減少生產(chǎn)成本及安全隱患；建立規(guī)范的數(shù)據(jù)管理和物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)、管理技術(shù)體系；借助信息技術(shù)和工業(yè)工程的結(jié)合，油氣田開采物聯(lián)網(wǎng)體系提升了開采進(jìn)程中所有技術(shù)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化水平，提高了開采作業(yè)管控的工作效率，確保了開采過程的連續(xù)、平穩(wěn)及高效運(yùn)行。通過油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)油氣生產(chǎn)方式的優(yōu)化創(chuàng)新，為油氣生產(chǎn)業(yè)務(wù)精細(xì)化管理提供保障。

傳統(tǒng)的油氣日常生產(chǎn)井站管理,到整個(gè)企業(yè)人員管理，直至跨地區(qū)尤其敏感地區(qū)的安全管理等環(huán)節(jié)存在一些問題，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）員工老齡化嚴(yán)重，企業(yè)機(jī)構(gòu)冗余陳舊。采油廠員工年齡梯度不平衡，隨著員工自然減員、勞務(wù)輸出，近幾年操作工人自然遞減較快，沒有人員補(bǔ)充，已經(jīng)面臨一線操作崗位員工的嚴(yán)重短缺。因此，需要通過物聯(lián)網(wǎng)工程建設(shè)，進(jìn)一步推進(jìn)油田生產(chǎn)管理模式創(chuàng)新，力爭做到“增井、增站、不增人”的目標(biāo)。近些年來，由于石油行業(yè)不景氣，為了增產(chǎn)增效，各大石油企業(yè)都在推進(jìn)組織扁平化管理，推行采油廠-作業(yè)區(qū)兩級管理模式，取消中心站（基層隊(duì)）管理層級，因此必須借助物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)推動(dòng)組織結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

（2）開采方式轉(zhuǎn)變帶來的生產(chǎn)效率低下。隨著油田各采油廠產(chǎn)量降低和開采方式的轉(zhuǎn)變，計(jì)量接轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站各環(huán)節(jié)運(yùn)行負(fù)荷低、不平衡問題比較突出。為提升運(yùn)行效率、簡化工藝流程，規(guī)劃實(shí)施大量地面集輸工藝優(yōu)化項(xiàng)目，單人管井?dāng)?shù)、單人巡檢路線大大提升，同時(shí)工藝的改變對工藝參數(shù)的自動(dòng)采集和控制提出更高的要求，急需建立數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)化管控平臺(tái)。

（3）敏感地區(qū)生產(chǎn)安全不能保障。由于石油行業(yè)所處領(lǐng)域多毗鄰農(nóng)田，屬環(huán)境敏感區(qū)域，管道運(yùn)行多年泄漏嚴(yán)重，環(huán)保壓力大。隨著國家、集團(tuán)公司對環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)油田生產(chǎn)跑、冒、滴、漏，使操作人員能夠及時(shí)采取措施，避免出現(xiàn)原油損失和環(huán)境污染。

尤其是油田地質(zhì)條件多樣，開采工藝復(fù)雜，生產(chǎn)過程高溫高壓，現(xiàn)行的生產(chǎn)管理模式對員工的責(zé)任心和熟練程度依賴性高，員工工作量多、勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)高；各采油廠油區(qū)現(xiàn)場分布點(diǎn)多面廣，油田上下班行車安全、現(xiàn)場員工生活保障等方面也面臨一定困難。

數(shù)字油田是為了解決油田老齡化、推進(jìn)企業(yè)扁平化管理、提高生產(chǎn)效率等一系列問題而提出的最新概念，是指油田企業(yè)在生產(chǎn)、管理過程中，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)油田的信息化、平臺(tái)化管理。在油田的運(yùn)行過程中，通過傳感器采集的各類信息，經(jīng)過無線傳輸匯聚到云端，在云計(jì)算服務(wù)幫助下，幫助油田高效、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

上述基于物聯(lián)網(wǎng)的果蔬運(yùn)輸系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠促進(jìn)果蔬在運(yùn)輸過程中的透明管理，使得整個(gè)系統(tǒng)可視化程度更高，可以減少新鮮果蔬在運(yùn)輸過程中的損失，保證應(yīng)有的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

數(shù)字油田是廣大油田企業(yè)今后進(jìn)一步發(fā)展的方向，可以保證持續(xù)發(fā)展，并且一直保持強(qiáng)有力的競爭力，油田的發(fā)展勢必需要高智能趨勢的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段。數(shù)字油田的概念如圖1所示。

在油氣田物聯(lián)網(wǎng)建立和完善的過程中，數(shù)字油田需要在油井、轉(zhuǎn)接站、注水站、配水間等位置得到一些數(shù)據(jù)，且通常是一些電流數(shù)據(jù)，一線員工需要實(shí)時(shí)掌握罐內(nèi)的液位、流量、可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)等相關(guān)的信息。所有的傳感器都通過無線傳輸方式（ZigBee/LoRa）傳輸至數(shù)據(jù)采集傳輸終端（RTU或PLC），由RTU或PLC傳輸至生產(chǎn)基地服務(wù)器。整個(gè)無線采集傳輸系統(tǒng)采集的參數(shù)包括：載荷、位移、壓力、溫度、電參量、流量等。其中采集系統(tǒng)包括：遠(yuǎn)程終端單元（RTU或PLC）、無線壓力傳感器、無線溫度傳感器、無線流量計(jì)等。油井口傳感采集如圖2所示。

圖2 油井口傳感采集示意圖

目前很多石油化工開采單位已制定了相關(guān)裝置離線檢查、系統(tǒng)設(shè)備抽檢及在線監(jiān)測評估體系，即為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在裝備鏈管控中的初步應(yīng)用。應(yīng)用離線檢查、設(shè)備抽檢及在線監(jiān)測評估、精確科研儀器等裝置及措施，可以即時(shí)了解相關(guān)裝置工作的情況，盡量實(shí)現(xiàn)預(yù)先判斷維修的目標(biāo)。根據(jù)傳感裝置網(wǎng)絡(luò)的油氣田開采物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 油氣田開采物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架

參數(shù)信息收集和現(xiàn)場監(jiān)控分支體系：

通常是使用射頻及傳感等相關(guān)科技，探測油氣田的開采過程數(shù)據(jù)信息，搭建涵蓋油氣田整個(gè)開采過程精確安全及平穩(wěn)的油氣田物聯(lián)網(wǎng)收集和現(xiàn)場監(jiān)控分支體系。達(dá)成收集參數(shù)信息完備精確、開采進(jìn)程把控及時(shí)準(zhǔn)確、生產(chǎn)管控行之有效及系統(tǒng)操控安全穩(wěn)定的目的。

參數(shù)信息收集和現(xiàn)場監(jiān)控分支體系依據(jù)各類油氣田礦藏種類、各類油氣田不同的開采技術(shù)要求，使用不同的傳感裝置或者變頻裝置及圖像監(jiān)控裝置完成開采作業(yè)參數(shù)信息及現(xiàn)場工作情況的即時(shí)收集，與此同時(shí)接收控制指揮中心傳輸?shù)牟僮髦噶钔瓿捎嘘P(guān)裝置的自動(dòng)化操控。在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)的建設(shè)方案中，在保持技術(shù)先進(jìn)性的前提下，充分依托已建設(shè)施和系統(tǒng)，優(yōu)先考慮國產(chǎn)化、低功耗的儀表、控制器、組態(tài)軟件等，確保從技術(shù)方案源頭降低整體建設(shè)費(fèi)用。

針對單井、計(jì)量室、轉(zhuǎn)接室、加注室、綜合處理室等制造部門，挑選制造過程中關(guān)鍵的工藝技術(shù)要求，經(jīng)過針對智能儀器、氣動(dòng)/電子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、遠(yuǎn)距離監(jiān)控模塊等裝置的安裝，完成制造過程的相關(guān)參數(shù)信息收集及監(jiān)控工作。

參數(shù)信息傳輸分支系統(tǒng)：

按照各油田公司的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和要求，建設(shè)與完善數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，站庫間借助線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以光纖參數(shù)信息傳輸為主要模式，礦井及遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)庫借助無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳送，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、視頻圖像、控制指令的統(tǒng)一承載，滿足生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸、應(yīng)用業(yè)務(wù)隔離、用戶訪問可控等安全要求。

生產(chǎn)管理子系統(tǒng)：

生產(chǎn)管理子系統(tǒng)提供生產(chǎn)過程監(jiān)測、生產(chǎn)分析與工況診斷、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理、視頻監(jiān)測、報(bào)表管理、數(shù)據(jù)管理、輔助分析與決策支持、系統(tǒng)管理、運(yùn)維管理功能。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油氣田企業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)越來越廣。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在石油企業(yè)日常生產(chǎn)中已經(jīng)得到一些成功經(jīng)驗(yàn)，長慶油田、大慶的慶新油田、青海油田、大港油田等都進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)的研究。

在油田的物聯(lián)網(wǎng)化建設(shè)過程中離不開無線模塊尤其是ZigBee和LoRa的數(shù)據(jù)傳輸。兩種傳輸方式的選取需要結(jié)合石油企業(yè)自身的條件來考慮。

LoRa技術(shù)的優(yōu)勢：

（1）LoRa網(wǎng)絡(luò)組建傳輸單元內(nèi)部使用直接傳輸技術(shù)要求，相當(dāng)于在各個(gè)單元之間創(chuàng)建了無線的傳輸通道。用戶能夠在不了解內(nèi)部復(fù)雜的相關(guān)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)要求的情況下，迅速完成組建網(wǎng)絡(luò)，顯著減少了項(xiàng)目裝備成本和作業(yè)的困難程度。

（2）LoRa網(wǎng)絡(luò)組建傳輸單元一般出廠內(nèi)置自組網(wǎng)透明傳輸協(xié)議。并且用戶可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求，使用LoRaWAN協(xié)議、LinkWAN協(xié)議或CLAA協(xié)議等。用戶可以直接進(jìn)行使用，最大限度地降低開發(fā)周期。

（3）LoRa網(wǎng)絡(luò)組建傳輸單元具有完備的進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)、退出網(wǎng)絡(luò)、通道規(guī)劃、節(jié)點(diǎn)把控及白目錄等作用，還能夠使網(wǎng)絡(luò)組建進(jìn)程簡化成一鍵式操控，使用戶在搭建相關(guān)網(wǎng)絡(luò)時(shí)非常方便且快捷。

（4）在自行組件的網(wǎng)絡(luò)模式下，LoRa組網(wǎng)透傳模塊可自動(dòng)判斷現(xiàn)場的信道使用情況，選擇空閑、干凈、可靠的信道進(jìn)行組網(wǎng)通信，有效避免同頻段干擾。

ZigBee技術(shù)以ZM33系列模塊特點(diǎn)如下：

（1）ZM33系列高性能ZigBee模塊在不加PA的情況下就可以達(dá)到20分貝毫瓦的額定功率，搭配-98分貝毫瓦的靈敏度值，能夠給出大于3.35千米的信號通信傳輸間距，在穿墻能力和鄰道抑制性能上也有顯著提升。

（2）ZM33型式高品質(zhì)ZigBee單元具備優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)組建功能，能夠一鍵完成Mash網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)組建過程，最大支持205點(diǎn)的非輪詢Mash網(wǎng)絡(luò)組建，110臺(tái)裝置自動(dòng)組建網(wǎng)絡(luò)用時(shí)小于105秒。

（3）ZM33型式ZigBee單元可以支持三類通信模式：短距離地址通信、能夠修改MEC地址通訊及確定參數(shù)幀率的某個(gè)環(huán)節(jié)作為地址通信，三類通信模式能夠借助AT發(fā)出的指令進(jìn)行動(dòng)態(tài)化模式切換。

（4）ZM33型式ZigBee單元支持ARS125通信保密及新裝置登錄保密，使用非常規(guī)裝置由空中拾取也不能讀取相關(guān)參數(shù)信息，確保參數(shù)信息安全、平穩(wěn)及高效傳輸。

由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在石油行業(yè)應(yīng)用的探索已經(jīng)開始，各大石油企業(yè)都在努力建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的持續(xù)熟練使用，今后將會(huì)有更加先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段及探索成果在油氣開采相關(guān)單位得到合理的使用。