吉林油田低成本油氣生產物聯網技術研究

摘要：在總結傳統數字油田建設經驗的基礎上，吉林油田結合生產實際，自主研發了井、間、站低成本物聯網產品，形成了“簡單、實用、低成本”的特色物聯網成套技術，打造了“自主研發、自主設計、自主建設、自主運維”的數字油田建設新模式。該技術突破傳統物聯網技術體系架構，采用新型特色低成本物聯網產品，在系統結構、網絡傳輸方式、井場視頻監控方式、井況診斷方式、產品安裝維護方式、供電方式、平臺部署、經濟性等方面做出較大改進。

關鍵詞：數字油田；低成本；自主研發；創新

一、吉林油田低成本油氣生產物聯網技術框架

吉林油田物聯網系統結構充分吸收借鑒集散控制系統的設計思想，采取分布式架構，分散采集，集中存儲、計算、監控。以云平臺為系統核心，全油田一個平臺，以運營商4G網絡、VPDN接入網、油田生產網構成傳輸系統，單井設備、計量間RTU通過運營商無線網絡接入系統，站場通過油田生產網接入系統，監控客戶端通過油田生產網接入，如圖１。

軟件上構建一體化管控系統，全油田數據集成于一套系統中，構建數據資源層、應用開發層、展示交互層三層架構，實現數據資源、算法資源、應用功能資源全油田共享。

二、油井解決方案

前端井場物聯網設備包括三款設備：抽油機停井報警儀、測控儀、井場電子眼。抽油機井安裝抽油機停井報警儀、測控儀，螺桿泵井和電潛泵井安裝測控儀，每個井場安裝井場電子眼。

（一）抽油機停井報警儀

抽油機停井報警儀是吉林油田獨有的一款物聯網產品，由電源模塊、加速度檢測模塊、4G傳輸模塊構成。該設備安裝于抽油機游梁上，通過傳感器實時監測游梁運動狀態判斷抽油機是否停井，當游梁停止運動，該設備會向物聯網平臺發出停井信號，物聯網平臺通過短信、微信、網絡等方式向用戶發出停井報警提示，其主要作用在于及時發現異常停井。通過該設備可以精確計量抽油機井生產時間，為采油時率管理提供準確數據依據[1]。

（二）測控儀

測控儀是吉林油田在吸收借鑒現有電參數采集設備、電力計量設備、時控開關設備、電源設備、RTU、DTU設備的功能基礎上，結合采油生產實際研制的一款集電源、采集、控制、計量、傳輸功能于一體的產品。通過該產品可以定時或實時采集電機電壓、電流、功率、功率因數、電量等多項參數，可實現遠程遙控啟停井、自動間抽運行、平衡度測試等功能，如表１。

（三）井場電子眼

井場電子眼是一款串口攝像頭，采用中國移動4G網絡傳輸數據，可以定時或實時抓拍多種分辨率的井場照片，通過物聯網平臺實現電子巡井功能。井場電子眼具有連拍功能，通過物聯網平臺可擬合成動畫，便于用戶查看井場動態變化。井場電子眼由測控儀提供12V電源，安裝時用戶只需將電子眼電源插頭插好即可。井場電子眼安裝調試無須復雜軟件配置，用戶只需將設備序列號和井號錄入物聯網平臺即可。

（四）設備間關系

抽油機停井報警儀、測控儀、井場電子眼三款產品各自獨立運行，在功能上互相驗證和支撐。抽油機停井報警儀報警時，用戶可利用井場電子眼和測控儀檢驗停井報警信息是否準確；用戶遠程啟停井時，抽油機停井報警儀可反饋啟停井是否成功信息；測控儀采集數據提示井況異常時，用戶可利用井場電子眼查看現場情況。

三、計量間解決方案

計量間安裝吉林油田研制的低成本計量間采集控制柜，采集溫度、壓力、流量、翻斗計數、可燃氣體報警等信號。溫度測量采用較一體化溫度變送器更為經濟的熱電阻（三線制），降低計量間建設費用；壓力測量采用壓力變送器，信號制式為兩線制4-20mA信號，流量信號采集采用RS485通信方式。計量間信號傳輸采用DTU通過VPDN專網接入物聯網云平臺。

四、油氣站場解決方案

油氣站場站控系統采取分布式架構，采用吉林油田研制的多功能采集控制柜、注水機組自保控制柜、水源井控制柜等采集控制站內各類參數。站控系統通過油田生產網接入物聯網云平臺。由于吉林油田油氣站場物聯網建設是對已有站場上進行物聯網改造，因此改變了傳統的集中設置控制柜集中布線的方式，采取分散設置控制柜，儀表就近接入控制柜，解決了施工造成站內基礎設施破壞的問題，同時也解決了老舊站場井場挖漏維修造成線纜易被挖斷的難題。

在站場自動化上，充分利用已有設施功能，結合變頻器型號雜、品牌多、新舊不一的實際，改變了控制方式，取消了應用RS485通信方式采集控制變頻器，改為利用變頻器AI、AO端子的方式實現變頻器的遠程采集控制。

在工控安全上，站場網絡出口唯一，通過設置ACL、配置白名單、IP與MAC地址綁定等措施實現工控網絡訪問控制安全。

五、吉林油田低成本物聯網技術主要創新點

對比傳統物聯網技術，吉林油田低成本物聯網技術具有如下特點。

（一）系統結構不同

吉林油田低成本物聯網技術采用分布式結構，傳統物聯網技術采用鏈式架構，相比傳統技術，系統結構更加簡化、優化，系統穩定性和可靠性問題得到系統性解決。采用傳統物聯網結構時，當POE電源、無線網橋、交換機電源、交換機、RTU電源、RTU等任何一個環節出現故障，用戶都不能獲取物聯網數據。吉林油田低成本物聯網采用分布式結構，設備間獨立運行，獨立傳輸，功能上相互驗證，當一個設備失效時，可以通過另外兩個設備獲取相應信息。例如：抽油機停井報警儀失效，可以通過井場電子眼、測控儀確認是否停井；測控儀失效，可以通過井場電子眼和抽油機停井報警儀確認油井工作狀態。

按照系統方法論的觀點，當系統構成的每一個部件的可靠度為90%時，由14個部件構成的系統的可靠度僅為43%，對比傳統物聯網技術，吉林油田低成本物聯網產品配置更加簡單，取消了傳統技術中使用的示功儀、RTU、無線網橋、開關電源、空氣開關、交換機等設備，井場物聯網設備數量由14件減少到3件，消除了故障多發環節，提高了設備的上線率。

油氣場站部分改變以往控制柜集中部署的方式，按照站內采集點分布就近部署控制柜，符合吉林油田油氣站場物聯網建設是在現有裝置基礎上改造的實際，減少了對站內現有地面的破壞，減少了土建工作量，也方便了維修維護，解決了以往存在的線纜經常被挖斷的瓶頸問題[2]。

（二）網絡傳輸方式不同

吉林油田低成本物聯網技術采用中國移動物聯網貼片卡，通過VPDN方式實現井場物聯網設備接入油田生產網，取消了井場的無線網橋，節省了井場立桿等建設費用，大大降低了維護強度和安全風險，提高了傳輸系統的穩定性和可靠性。在網絡安全上，VPDN是利用IP網絡的承載功能結合相應的認證和授權機制建立起來的安全的虛擬專用網。在具體實現上采用隧道技術，即物聯網數據封裝在隧道中進行傳輸。隧道技術的基本過程是在油田生產網與中國移動網絡的接口處，將數據作為負載封裝在一種可以在公網上傳輸的數據格式中，在油田生產網與公網的接口處將數據解封裝，取出負載。被封裝的數據包在公網上傳遞時所經過的邏輯路徑被稱為“隧道”。VPDN采用專用的網絡安全和通信協議，VPDN用戶可以經過公網，通過虛擬的安全通道和油田生產網進行連接，而公網上的用戶則無法穿過虛擬通道訪問油田生產網[3]。

（三）井場視頻監控方式不同

吉林油田低成本物聯網不采用連續流方式視頻監控，改為拍照方式實現井場監控，大大降低了傳輸流量。相比連續流監控，功能更加實用，通過物聯網平臺管理功能可以保證每一張照片都被檢視，而連續流視頻則無法保證視頻一直被審核。通過此種方式也大大降低了各類存儲和服務器等建設費用、運維費用和管理人員投入等費用。

（四）井況判斷方式不同

吉林油田低成本物聯網不使用示功圖分析判斷井況，而是利用吉林油田獨有的電參數自動解釋技術通過電功圖實現井況的自動變化報警和部分典型異常井況的自動識別。示功儀的取消，降低了單井物聯網建設費用和維護費用，降低了安裝維護難度和安全風險。

（五）產品安裝維護便利化

吉林油田低成本物聯網產品安裝維護簡單，無須復雜軟件配置，大大降低了對安裝、維護人員的技術要求，采油工人經過簡單培訓即可安裝、維護；單井設備僅需綁定序列號，無須配置，即插即用；計量間控制柜標準化接線，量程變換等移至組態軟件端完成，安裝維護人員只需按照色標接線即可，無須配置。而傳統物聯網技術要求安裝維護人員具備相當的專業技術，掌握PLC組態、RTU配置、攝像機配置、無線網橋配置等技術才能勝任，維修維護技術門檻高，由此也造成故障不能得到及時有效的處理[4]。

（六）電源方式不同

吉林油田低成本物聯網在設計上盡量減少電源數量，抽油機停井報警儀采用電池供電，井場電子眼由測控儀供電，取消了所有開關電源設備，從根本上解決了電源部分故障多的問題。在計量間控制柜設計上充分考慮采油廠供電的實際，加強可靠性、抗沖擊性能、電路保護性能的設計，投用以來從未發生過供電原因造成的設備損壞。

（七）統一的平臺部署

吉林油田低成本物聯網在平臺部署上采取集中統一部署于云平臺的方式，取消了以往分散部署于采油廠的服務器，實現平臺統一運維。解決了以往服務器分散部署于采油廠時存在的機房環境差、安全防護部署不到位、運行維護不方便的問題。同時服務器的統一云化部署，大大方便了大數據挖掘、智能化算法的快速部署與應用，實現了從OLTP向OLAP的轉變，建成了國內目前最完整的高頻油井電參數據資源庫[5]。

（八）經濟實用

吉林油田低成本物聯網單井物聯網設備費僅為6000元左右，僅為傳統物聯網設備費的1/5，各型控制柜價格僅為傳統設備的1/2。

六、結語

吉林油田低成本物聯網技術是在傳統物聯網技術基礎上發展而來的，利用抽油機停井報警儀解決異常停井發現難的問題，利用測控儀解決井況異常發現不及時的問題，利用井場電子眼解決人工巡檢不到位、不及時的問題，借助于大數據分析技術，又衍生出很多實用性功能，用簡單的產品實現了不簡單的功能。就系統自身而言，經過對傳統物聯網技術的改進、簡化、優化，從根本上解決了系統穩定性、可靠性的問題，為保持高上線率奠定了技術基礎，解決了物聯網用不住的瓶頸問題。

參考文獻

[1]路國豐.淺析低成本油氣生產物聯網技術開發與應用[J].信息系統工程，2020，314（02）：82-83.

[2]范金璽.吉林油田油氣生產物聯網建設技術與實現功能研究[C]//吉林省科學技術協會.發揮科技支撐作用深入推進創新發展——吉林省第八屆科學技術學術年會論文集.吉林大學出版社，2014：201-202.

[3]湯林，龔仁彬，班興安，等.油氣生產物聯網關鍵技術研究及規模化應用[J].中國科技成果，2020（08）：64-66.

[4]檀朝東，王洪宇，任貴山，等.油氣生產物聯網系統iProd的技術研究[C]//西安石油大學，陜西省石油學會.2012油氣藏監測與管理國際會議暨展會論文集.2012：352-359.

[5]張萬里.基于LoRa低成本油氣生產物聯網建設模式研究[J].信息系統工程，2018，293（05）：103+108.