稠油數字化油田技術探析

母 丹

（中國石油天然氣股份有限公司新疆油田重油開發公司，新疆 克拉瑪依 834000）

0 前言

當前，信息數字化技術引領的新一輪科技革命正以前所未有的方式對社會變革的方向起著決定性作用。黨的十九大報告提出要推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合，建設數字中國、智慧社會。油田數字化管理是油田高效開發、減少消耗、安全生產，降低員工勞動強度，提高工作效率和管理水平的有效手段，也是對傳統地面工藝技術的一次深刻革命。

1 稠油數字化油田技術的應用意義

1.1 簡化地面系統

受到工藝技術的限制，早期稠油開采項目普遍采取三級布站模式來建造計量接轉站，采取計量分離器玻璃管量油的計量方式，由生產人員在站內計量間完成摻液分配作業，這類項目的地面系統極其復雜，有著操作流程煩瑣、設備管線密集分布、不易開展維護保養作業、重復處理與運行能耗過大等局限性。以某采油廠于1993 年建設的5-7#計量接轉站為例，其最初采取三級布站模式，后期雖然調整為大二級布站模式，但地面管網長度仍舊高達40 km。

此時，對數字化油田技術的應用可以在保證油田穩產的前提下，去除計量分離器、計量摻液閥組件等裝置設備，簡化地面系統，減少管網長度與設備數量，降低作業難度，控制稠油建站費用。例如，依托數字化油田技術對事故罐、增壓撬等設備進行升級改造，在事故罐控制系統中增設液位監控程序、自動報警程序與啟停控制程序，作業人員遠程檢測事故罐運行狀態，遠程下達控制指令，及時發現故障問題；在增壓撬前端部位增加井組計量裝置，使其具備事故罐單量功能。

1.2 實現油井自動化管理

早期稠油開采項目普遍采取信息數據人工抄錄、現場檢查的方式，由生產人員實時抄錄油井系統運行期間產生的各類生產數據，再將數據進行匯總處理后編制成圖表與工作日志，以此掌握油井生產情況，并通過目視檢查與儀表檢查方式判斷是否出現異常運行與故障問題，從而采取相應措施。從項目運作情況來看，人工抄錄方式在初期具有較強的適應性，但隨著吞吐輪次的增加，井筒管理、原油外輸及油井計產等方面的工作量明顯增加，產生的大量數據信息有待處理，對工作效率提出更高的要求。同時，受人為因素影響，時常出現數據錯誤抄錄、漏算、重復計算與錯算的問題，產生較大的累積誤差，由此引發一系列連鎖問題。在這種情況下，應用智能分層注水等數字化油田技術，由自動生產、自動控制系統替代人工完成大量的基礎性任務，如自動完成數據采集、匯總整理、篩選重復數據、全新數據覆蓋歷史數據等任務，將處理后的數據以三維可視化模型、電子地圖和圖表形式在系統界面顯示，徹底解決用工總量大、數據處理時效性差的問題，有助于實現“少人值守”目標，僅在計量接轉站派遣少量生產管理人員，即可維持油井生產。與此同時，自動控制、人工智能等新型技術仍處于高速發展階段，技術體系日趨完善，在未來一段時間，有望在真正意義上實現“無人值守”目標。

1.3 提高生產效率與決策水平

在項目運作期間，部分任務需要生產人員制定決策，決策水平高低直接影響到原油開采效率。以分層注水決策為例，其要求生產人員根據已掌握的信息與自身工作經驗來計算、分配各層注水量，但實際注水量與儲層地質配注需求存在出入，且工作效率較低。在這一背景下，可應用反向傳播（Back Propagation，BP）神經網絡、模糊邏輯推理等算法建立數學分析模型，在模型中預先設定規則與導入實時生產數據，快速獲取輸出值，根據輸出結果來科學調節分層注水量。簡單來講，就是憑借數字化油田技術強大的數據處理和運算分析能力，幫助人工在短時間內獲得最優解，起到提高生產效率、輔助決策的作用。

2 稠油數字化油田的關鍵技術及應用情況

2.1 物聯網技術

物聯網技術是在互聯網、無線通信與遠程操控等技術基礎上發展演化形成的一項全新技術手段，依托通信網絡、信息傳感器與終端控制單元，建立起人與物、物與物之間的泛在聯系，做到對稠油項目現場設備設施運行過程、實時狀態的智能化感知與全面掌握，由作業人員遠程下達控制指令，或憑借操作系統自身強大的環境自適應能力進行決策分析，下達正確操作指令，這對減輕人員工作負擔、提高決策精度、有效應對突發問題有重要意義。與此同時，依托物聯網建設的數字化油田還具有跨區域開展協同工作的基礎條件，將各稠油項目操作系統與現場設備設施均納入物聯網覆蓋范圍，構建起若干數量的局域物聯網，在局域物聯網內協同開展多項稠油項目的開采、管理等工作，并將各項目運作期間收集、產生的信息數據提交至局域物聯網動態數據庫中進行集中處理，實現信息資源共享共用的目標。

從物聯網技術實際應用情況來看，其是實現可視化智能生產、個性化生產與精細化生產目標的重要手段。例如，在某稠油開采項目中，在兩處井注蒸汽站區域內共計160 口油井應用物聯網技術，在油井抽油機等設備上安裝信息傳感裝置；在現場安裝地面或地下控制器；在控制系統中開發抽油機工況自診斷功能，組合應用人機交互、現場/遠程通信、嵌入式互聯、傳感器測量與變頻調速等多項外圍技術。在項目運作和系統運行期間，系統基于程序運行準則來實時收集、整理與分析抽油機運行數據。信息傳感裝置將所采集信息發送至地上/地下控制單元進行決策分析，判斷抽油機工況與預期要求是否一致，在二者偏差程度超過允許范圍時，由系統執行特殊功能指令，改變抽油機工況與運行參數，起到預防故障損失、減少無效操作、控制材料耗用量與延長設備使用壽命等多重作用。最終，通過應用物聯網技術，160 口油井每年可節省100 余萬元電費，并實現增產增效目標。與此同時，該項目依托物聯網技術搭建精細化注蒸汽控制系統，由智能控制方式取代傳統的人工注蒸汽操作方式，現場控制單元根據數據采集、分析結果來判斷地面管網工況，向網關設備下達控制指令，實時調節蒸汽注入量、吞吐輪次數、吞吐周期等參數，避免蒸汽注入量過多或過少、燜井時間過短等問題出現，以取得理想的蒸汽吞吐效果。

2.2 通信技術

在早期稠油開采項目中，受到技術水平的限制，企業普遍采取電話上報的落后通信方式，由現場值守人員通過固定電話定期匯報現場情況，及時匯報突發情況，將問題逐級向上反饋。同時，部分稠油項目逐漸采取通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service，GPRS）網絡傳輸與微波傳輸等新一代通信方式，但實際應用期間面臨一些新的問題。例如，部分稠油項目選址偏僻，周邊未建設通信基站，GPRS 網絡傳輸穩定性差，時常出現信號中斷、信息傳輸滯后的問題。微波通信技術雖然有著超大帶寬容量、低時延、快速部署等優勢，但微波在空中傳送時易受到周邊環境干擾，也無法使用同一微波電路在相同方向發射相同頻率的微波，應用條件較為嚴格，通信穩定性缺乏保障。

因此，數字化油田建設期間，需要應用到穩定性強，又能滿足實際工作要求的通信技術，包括光纖通信技術、自適應調制與編碼（Adaptive Modulation and Coding，AMC）技術、ZigBee 無線通信技術。其中，光纖通信技術是指在站場和調度中心間隔處敷設光纖線纜與光纖設備，將所發送信息自發送端導入發送機，對信息進行疊加、調制處理后，以載波作為信號載體，沿光纖線纜發送至遠處接收端，經接收機調解處理后還原最初信息內容。此項技術有著保密性強、傳輸容量大、可連接多種建筑物與構筑物的優勢。AMC 技術在微波通信技術基礎上發展形成，對無線鏈路傳輸調制方式以及編碼速率進行調整，遵循“按需分配”原則，根據數字化油田通信網絡的實際運行情況來針對性設定編碼速率與調制指數，如在信道質量指示（Channel Quality Indicator，CQI）值低于10 時采取1/3 編碼方式，在CQI 值超過20 時采取3/4 編碼方式。

由于稠油采油廠井數多，覆蓋面積廣，需找到合適的組網技術，讓無線儀表組網并完成數據的傳輸。將藍牙、LoRa、NB-IOT、ZigBee 等通信技術的優劣性逐一列出，進行對比，具體情況如表1 所示。

表1 通信技術對比情況

從表1 中可以看出，藍牙傳輸距離最短，需要大量購買中繼設備才能實現儀表組網；LoRa 通信距離遠，但設備部署不斷增多，相互之間會出現一定的頻譜干擾，且負載率小，有字節限制；NB-IOT 功耗低，傳輸數據少；ZigBee 具有低功耗、低時延、網絡容量大等優點，更重要的是無線儀表更改安裝位置后仍可實現自組網絡，缺點是傳輸距離短，ZigBee 網關和光纖搭配使用，可在低成本下實現通信效率最大化。

2.3 數據采集與遠程控制

首先，為實現數據采集功能，由數字化油田系統替代人工完成與數據采集相關的操作任務，需要應用功圖法在線計產技術，在現場安裝若干數量的無線示功圖傳感器，由傳感器持續采集位移量、油井載荷等現場參數，將現場監測信號發送至系統后臺，對現場信號進行轉化、分類整理、關聯分析等操作，在處理結果的基礎上建立三維振動數學模型，準確描述桿柱、油管等部位的實時工況，并顯示出砂情況、泵掛深度、油氣比等信息，生成井下泵功圖。例如，在油井產液量計算方面，在計算公式中導入沖程、生產氣液比、桿柱組合、泵徑與井液黏度等信息，即可獲取準確結果。

其次，為實現遠程控制功能，可選擇應用可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術和開發通信模塊，在站內系統中安裝PLC，由通信模塊持續將終端感知層采集的現場監測信號發送至PLC裝置，由PLC 裝置執行輸入狀態數據讀取、梯形圖掃描識別、執行特殊功能指令、輸出刷新操作，按照I/O映像區內對應數據狀態來刷新輸出鎖存電路，驅動外接設備執行控制指令，如自動執行電機開啟、關閉命令。同時，生產人員可以在操作系統界面進入功能欄與按下按鍵，采取手動方式，遠程向站內設備實時發送控制指令。

2.4 智能預警

在數字化油田系統中開發智能預警功能，布設大量自檢信號，由生產人員根據工作經驗預先在系統中設定警戒值。如此，在系統運行期間，一方面可通過自檢信號來觀察硬件設備與軟件程序是否出現異常情況與故障問題，在接收到自檢信號后，自動發送報警信號，鎖定故障點，初步判斷故障類型與分析問題成因。另一方面，在稠油開采生產活動中，對比現場監測數據與預先設定的警戒值，包括位移量、壓力、電流、單井產量、井液黏度等，如果實時監測數據超過警戒上限值或低于警戒下限值，系統也將自動發送報警信號，并以曲線圖表等形式顯示各單位生產情況，便于后續事件調查、檢修維護工作的開展。

3 結語

在現代稠油開采項目中，數字化油田技術的應用可以全面提高生產效率、管理水平與油井時率，這對我國石油開采行業健康、穩步發展有著極為重要的現實意義。石油企業必須高度重視數字化油田技術，對智能預警、物聯網等新型技術做到落地應用，使數字化油田技術在稠油開采生產活動中發揮出應有的功能效用。