油田數字化建設中集油配注系統分布式自控系統的設計

畢 博，王 楊，吳泓潤

（1.國家管網集團北方管道有限責任公司長春輸油氣分公司，長春 130000；2.國家管網集團吉林天然氣管道有限責任公司，長春 130000）

0 引言

近幾年信息化技術不斷在進步，油田公司中生產設備數量不斷增多，油田開發的難度不斷提高。在此背景下，油田中生產與經營的工作量增大，提升效率、降低成本成為了當下油田公司發展中要解決的重要問題。為了在油田建設中更高效率地投入人力與物力，要促進信息化發展，有效利用數字化技術手段，進一步探索數字化油田開發與管理新思路。數字油田實際上就是油田建設管理的信息化、數字化與標準化，基于數據信息資源，以數據網絡交互為重要渠道，將軟硬件、信息與其他功能集于一體，創建綜合管理的信息系統。數字油田的概念有狹義與廣義之分，狹義的數字油田包括油田勘探、開發與鉆采等環節。廣義的數字油田是油田運用系統的有效集成體，是石油公司中的數字化模型，是油田自然狀態下的信息技術虛擬體，是數字化的公司實體等。中國石油公司對數字化建設，給予高度重視，很多油田都根據自身實際情況，制定數字油田的建設與發展戰略。從廣義分析數字油田的建設，則是十分煩瑣復雜的過程。

現在我國油田建設數字化系統已經成為常態。油田企業生產過程中產生了大量的數據，此時實時數據庫便可發揮自身的優勢，長時間、高效率地儲存數據。2015 年以前，大多數油田公司信息化建設還未運用在管理中，數字化軟件的承載能力弱。在對相關數據庫技術進行調查后，發現實時數據庫在儲存與查詢數據方面有更大優勢。因此，石油公司在油田數字化建設中應用了實時數據庫技術與分布式數據庫技術，再建設一套實時數據管理平臺。本文探討油田數字化建設中集油配注系統分布式自控系統的設計。

1 油田數字化建設中集油配注系統分布式自控系統功能建設設計

1.1 集油環摻水控制系統設計

圖1 為集油環摻水控制系統示意圖，每一個集油摻水管線中都裝有數字化摻水壓力表和數字化摻水流量計，用于檢測集油環摻水的壓力與流量（累計流量、瞬時流量），然后通過流量控制閥來控制摻水流量與壓力。油田數字化建設中在回油管線處安裝數字化油溫度計，來監測集油環的回油溫度。在實際工作中，多個參數互相影響，包括回油溫度、摻水壓力、摻水累計流量與瞬時流量等，四方面互相耦合，為整體進行摻水控制帶來較大難度。依據對傳統油田現場實際控制經驗可知，數字化油田中的摻水壓力波動數值，可作為集油環中結蠟是否有堵環風險等問題的主要判斷依據，而摻水瞬時流量則能夠作為次要判別依據。所以依據實際需求，在油田數字化建設工作中，擬在摻水管中增加來水溫度計，用來監測匯管來水溫度。然后在后期程序的控制與維護中，優先檢測匯管來水溫度，判斷是否加壓。

圖1 集油環摻水控制系統示意

1.2 注水流量控制系統設計

圖2 是集油配注系統分布式自控系統中注水流量控制系統示意圖，每一個注水管都裝有數字式注水流量計與油管壓力管，檢測每一個水井油管的壓力、累計水量與瞬時水量，另外，還要安裝水量控制閥，調節注水量。在油田實際生產過程中，來自底層的單口水井油管壓力數據可以反映目標注水層的情況，這不是可以人為調節的。累計水量與瞬時水量的大小，受油管壓力影響。所以可依據油田現場的實際操作控制需求，先完成油管壓力低的水井配注，而油管壓力高的水井，則在滿足油管壓力低的水井完成配注任務工作前，依照計劃設計水量，完成最終的配注任務。此處的注水流量控制系統的數字化設計有硬性要求，就是注水過程中的水壓盡量保持平穩，盡量降低壓力與流量的波動，必要時可進行短期調節。

圖2 集油配注系統分布式自控系統中注水流量控制系統示意

1.3 分布式數據管理系統設計

首先，設計實時數據查看功能，對集油配注系統工作中產生的數據進行即時檢測并采集，通過采集的設備、采集的點等多種形式查看數據，輔助使用者判斷采集配置正確性與數據自身的正確性。另外，實時數據查看還具有分頁展示功能。其次，油井單井跟蹤。可據此功能快速查詢生產對象的運行參數，探究油氣生產運行的規律，幫助用戶了解生產運行是否處于合理的狀態。最后，設計歷史數據查看功能。用戶可根據業務需求，利用歷史數據查看功能觀看一段時間內的生產數據，還支持對時間段、站點、點類型等自定義，完成個性化數據的查詢。

2 油田數字化建設中集油配注系統分布式自控系統數據庫設計

油田數字化建設中集油配注系統分布式自控系統數據庫的設計，是基于此項目的工作特征與運用場景。在進行數據庫開發的時候，以Erlang 技術為核心技術。Erlang 作為一種動態的、結構化的編程語言，適合運用于實時與并行、分布式的計算系統。在此運用Erlang 技術編寫的程序，往往是由上千萬個輕量級的進程構成，然后利用消息傳遞方式互相通信。在進程中的上下文切換，只是Erlang 技術中的一小部分環節。與C 程序相比，Erlang 技術線程切換更加高效，主要特點為：并發性、分布式、健壯性、軟實時性、遞增式代碼裝載、外部接口、速錯、動態類型、支持腳本運行等。將此運用于系統數據庫的設計，主要包括以下4 個方面。

2.1 數據庫數據采集功能設計

第一，對接協議。使用Erlang 技術可自然實現Modbus 協議，可以滿足傳統數據化中Modbus 協議對于寄存器的讀與寫操作，還能突破對傳統采集器的單詞采集地址最大長度的限制，并可對知識列表中的數據進行采集。傳統的采集器不能采集功圖問題也能通過對接協議加以解決，協議內部有多種通信協議，如PLC 和RTU，與當下油田主流信息的傳輸協議完全兼容，并與RTU 連接配置，快速完成多種數據與設備管理信息的接入。第二，分布式采集。在油田中支持Modbus 協議的分布式采集，發揮Erlang 并發性特點，一個RTU 運用一個獨立的進程，然后依據RTU 點表規則，采集數據，不同進程之間不共享數據。在服務器的多核處理器與服務器中進行分布式采集。確保讀取數據的穩定性與高效性。第三，數據預處理。通過RTU 采集的數據，還需進行預處理之后再使用，采集器開發預處理表達式中的解析板塊，支持精度處理、四則運算法則處理，可以通過不同操作系統的大小端配置讓用戶靈活操作。

2.2 數據庫對外接口設計

油田數據庫實時訪問方式有很多種，如API、OPC、OLEDB、ODBC 等。第一，OPC 方式訪問。在OPC 客戶端訪問服務器的時候，與DDE 相似，將OPC 服務器作為I／O 設備，以此驅動方法讀取實時數據，然后轉存到關系型的數據庫。現在現場使用的是力控ForceContro數據庫，在此只能借助OPC 方式獲得數據。第二，DDE客戶端訪問。將DDE 服務器作為I／O 設備，完成本機從遠程數據庫中實時獲取數據。系統提供DDE 驅動程序，完成與DDE 服務器中數據的交換。進而在DDE 客戶端中，將讀取的數據轉存到關系型數據庫中。第三，API 方式訪問。借助API 形式獲得油田中的實時數據，著力控制數據庫的同時落實DBCOMM 接口，在API 輔助下獲得實時數據并保存。第四，ODBC 方式訪問。微軟為開放式數據庫的使用提供多種關系數據的使用接口，在該標準下的關系數據庫就是ODBC 數據庫。系統為數據庫數據資源的配置提供關系型工具，靈活運用數據源。監聽程序下利用預制導入規則，選擇數據源，定期定時將數據導入關系型數據庫，完成數據的永久性保存。力控數據庫的運用可創建數據庫連接規范，優化數據庫，通過腳本的創建，編輯已有數據，為石油公司中的數據設置不同觸發條件，轉存為有效數據。

根據上述介紹，對幾種數據轉儲方案進行分析，具體操作為：先創建數據源，然后利用數據轉存任務設置轉儲數據點，結合多、單記錄等轉儲形式，為用戶提供適合的類型，選擇觸發方式。接著保存設置轉存任務，借助檢測工具查看有關任務，如檢測連接狀態、轉儲狀態等。

2.3 點表管理設計

基于采集設備與用戶的使用習慣，要對采集點中的配置進行管理，進而靈活增加新的采集點與設備，構建以計量單位、組織結構為分類依據的油田采集設備分類管理體系，完成對采集設備的分層管理，便于對油田用戶的管理。另外，在系統使用過程中，發現多個采集點的對象采集設備大同小異，所以可創建默認點表的批量配置，最大限度地提升點表配置效率。

第一，以RTU 配置默認點表。油田中有很多類別的點表，如配注間、水井、油井中的點表，其相似度較高。所以用戶在創建RTU 采集設備的時候，可能會默認統一的點表，必要的時候進行些許改動即可，如此在新RTU 采集設備添加上，可減少近90%的工作量。第二，點表的修改上，讓其具有可退回功能。在分離機制與點表維護下，支持數據可退回到上次提交前，以此可確保點表維護工作的完整性。第三，點表規則支持預處理表達式。RTU 采集數據后，經過預處理再使用，采集器開發預處理表達式的解析環節，在四則運算法則與精準處理下，設置不同操作系統的多端配置，讓用戶能夠靈活配置。如采集的原始數據為X，配置X 則不能是經過任何處理的。第四，已配置點表的管理。在Web 頁面中運用RTU 新增與刪除過后，重新創建點表規則，發揮修改、刪除與查看等功能。對于點表的管理，要運用分離設計，所以點表在提交前還支持退回，避免產生錯誤數據不能修復。

2.4 基礎信息管理設計

油田數據庫的設計與運用，需要在靜態基礎信息基礎上構建維護管理機制，以此才能有效刪改井、站集油間、配注間中生產工藝環節等基礎信息，完成生產對象的關系維護。另外，為了提升系統的效率與實用性，保持數據的同步，還需考慮其他要點的設計。如服務端生成的ID 可以修改，可能產生已驗證ID 重復的情況。集油間／環的關系需要修改，在井內增加外鍵，防止產生隸屬關系脫節等問題。

3 結論

綜上，在油田數字化建設工作中，加強數據庫建設是石油公司發展的必然趨勢，可提升公司核心競爭力。隨著信息技術發展突飛猛進，數字油田開始走向智慧油田，提高油田的數字化、智能化水平，可以創造更大的經濟效益與社會效益。