The Technology Research of Oil and Gas Production IOT iProd System

Abstract：This paper analyzed current intelligent management situation of domestic oil and gas production,and built the overall structure and technical programs of oil and gas production IOT iProd system.The oil and gas production IOT iProd system is mainly composed of acquisition and control subsystem,data transmission subsystem,working condition analysis and forecasting subsystem,IOT network and equipment management subsystem, production operation management subsystem.This system had some application functions,such as dynamic real-time monitoring of oil and gas production,statistical analysis of production information, real-time diagnosis for the production conditions,smart optimization for process,concentrated expression for critical alarm, production KPI dynamic display,production equipment management,production command and control.Thus able to achieve many of system functions,included automatic production data collection,analysis of working conditions,failure warning and alarm,key process chain control,process visualization display,real-time intelligent decision-making of the production process for oil and gas wells,metering station,processing station or storage,and related transportation pipeline network.

Key words:Oil and gas production,process control,intelligent management,IOT

1 概述

各油田為滿足生產(chǎn)需求，已經(jīng)建立了各自的油氣生產(chǎn)現(xiàn)場工況監(jiān)控、分析與管理和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并正在當(dāng)前生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用^[1-5]。但這些系統(tǒng)是由軟件開發(fā)公司和油田用戶結(jié)合各自油田生產(chǎn)的特點和實際情況合作開發(fā)的，主要是為了滿足油田公司、采油廠、作業(yè)區(qū)等各級目標(biāo)用戶生產(chǎn)運(yùn)行管理的需要。由于受地域、地形地貌、氣候條件、油藏地質(zhì)、社會環(huán)境差異的影響，因此各油田油氣生產(chǎn)數(shù)字化的功能不盡相同，建設(shè)也具有各自的特殊性。目前各油田已經(jīng)建成并應(yīng)用的一部分油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在軟件平臺、開發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)組態(tài)方式上都有很大差異，還沒有形成統(tǒng)一的系統(tǒng)。

建設(shè)面向生產(chǎn)操作過程的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是通過傳感、射頻、通訊、先進(jìn)計算等技術(shù)組合，對油氣水井、計量間、油氣站庫等生產(chǎn)對象進(jìn)行全面的感知。實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息在生產(chǎn)指揮中心及生產(chǎn)控制中心的集中管理和控制，搭建規(guī)范、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺，支持油氣生產(chǎn)過程管理，提供油氣生產(chǎn)的實時分析優(yōu)化，進(jìn)一步提高油氣田生產(chǎn)決策的及時性和準(zhǔn)確性，達(dá)到節(jié)約油氣生產(chǎn)的建設(shè)投資與運(yùn)行成本的目的。

2 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

本文討論的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)iProd（Intelligent Production Engineering System）包括采集與控制、數(shù)據(jù)傳輸、工況分析預(yù)測、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備管理、生產(chǎn)運(yùn)行管理等五個子系統(tǒng)。iProd由感知與控制層、傳輸層和應(yīng)用層組成，其分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。感知與控制層由安裝在油氣生產(chǎn)流程上的各種感知設(shè)備和控制設(shè)備組成，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)狀態(tài)的全面感知和各種設(shè)備的自動控制；由無線傳感網(wǎng)、專網(wǎng)和公網(wǎng)無線技術(shù)等組成的無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了該系統(tǒng)的傳輸層，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸；應(yīng)用層則可實現(xiàn)包括生產(chǎn)動態(tài)實時監(jiān)控、生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、生產(chǎn)工況實時診斷、生產(chǎn)趨勢預(yù)測、生產(chǎn)參數(shù)智能優(yōu)化、關(guān)鍵告警集中展現(xiàn)、生產(chǎn)KPI動態(tài)展示、生產(chǎn)設(shè)備管理、生產(chǎn)調(diào)度指揮管理等功能。其中類似WebAccess的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的引入，可對各種感知設(shè)備和傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自身診斷和管理，而移動智能應(yīng)用則可以實現(xiàn)諸如物聯(lián)設(shè)備安裝、運(yùn)維的工單派發(fā)、工作上報、與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)交互及應(yīng)用等功能，使油氣生產(chǎn)的管理更加智能化。

圖1 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

3 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)功能

    油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)功能設(shè)計需要滿足油氣田的日常生產(chǎn)運(yùn)行、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)監(jiān)控、設(shè)備管理、成果展示等需求。對于目前油氣生產(chǎn)現(xiàn)狀分析中所反映出來的不足和存在的問題，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，主要立足于解決如下生產(chǎn)問題：1）快速了解生產(chǎn)概況：顯示采油氣廠生產(chǎn)狀況、產(chǎn)量、注水量變化情況；2）及時提供故障報警和預(yù)警：報警和預(yù)警信息自動通知相關(guān)人員及時處理；3）自動生成生產(chǎn)報表：自動生成、存儲、查詢井、站、作業(yè)區(qū)的相關(guān)生產(chǎn)報表，自動繪制相應(yīng)曲線；4）自動控制生產(chǎn)過程：關(guān)鍵生產(chǎn)過程實現(xiàn)閉環(huán)控制、提高生產(chǎn)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性；5）高危環(huán)境重點區(qū)域：生產(chǎn)環(huán)境的可燃有毒監(jiān)測、重點井高產(chǎn)井的視頻監(jiān)控； 6）定時完成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)自檢：對網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、現(xiàn)場儀表等數(shù)字化設(shè)備定時自動巡檢和故障原因定位。

3.1 采集與控制子系統(tǒng)功能

該子系統(tǒng)是通過傳感器、無線傳感網(wǎng)、射頻識別、RTU等設(shè)備自動采集、存儲、處理油氣生產(chǎn)對象的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過攝像頭、危害氣體監(jiān)測等裝置，自動采集現(xiàn)場生產(chǎn)的環(huán)境信息，將這些信息傳輸?shù)讲捎蛷S實時數(shù)據(jù)庫，支撐生產(chǎn)監(jiān)控等應(yīng)用；同時，通過ESD、控制閥等自動化控制設(shè)備，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制。該子系統(tǒng)的功能如圖2：

圖2 采集與控制子系統(tǒng)功能

3.2數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)功能

     該子系統(tǒng)是采用無線傳感網(wǎng)、專網(wǎng)和公網(wǎng)無線技術(shù)（融合WSN、McWill、WiMAX、WiFi、3G、GPRS、CDMA、衛(wèi)星等無線傳輸技術(shù)）組成無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。無線傳輸：用于單井、邊遠(yuǎn)站庫的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)與視頻傳輸，采用無線傳感網(wǎng)、公網(wǎng)無限傳輸（融合WSN、McWill、WiMaX、WiFi、GPRS、CDMA、3G、4G、衛(wèi)星等無限傳感技術(shù)）組成無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。有線傳輸：用于計量間、中轉(zhuǎn)站、集氣站、聯(lián)合站等較近單位的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)與視頻傳輸，主要采用油田內(nèi)網(wǎng)（光纖）傳輸。該子系統(tǒng)的功能如圖3：

圖3 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)功能

3.3 工況分析預(yù)測優(yōu)化子系統(tǒng)功能

該子系統(tǒng)主要是對采集、傳輸?shù)綄崟r數(shù)據(jù)庫的油氣水單井、計量間、處理站庫及相關(guān)集輸管網(wǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析優(yōu)化預(yù)測,如圖4所示。計量間、處理站庫及相關(guān)集輸管網(wǎng)的工況分析優(yōu)化主要是實現(xiàn)現(xiàn)場的實時遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、工況診斷、運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化、智能控制、出現(xiàn)故障時的應(yīng)急自動處理；油氣水單井的工況分析預(yù)測優(yōu)化是該子系統(tǒng)中最重要的組成部分，實現(xiàn)油氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時管理、實時分析、實時優(yōu)化、實時控制、智能預(yù)測等^[6-8]，以實現(xiàn)智能化管理。

圖4工況分析預(yù)測優(yōu)化子系統(tǒng)功能

3.4 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備管理子系統(tǒng)功能

    該子系統(tǒng)主要包括物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理主要包括對于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)健康狀態(tài)、節(jié)點健康狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)信道、節(jié)點功能配置、網(wǎng)絡(luò)時間同步、網(wǎng)絡(luò)安全等的管理。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理主要是負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)化的壓力儀表、流量計、示功儀、攝像頭、有害氣體檢測儀和RFId讀寫器、網(wǎng)關(guān)、路由等物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的狀態(tài)和運(yùn)行情況的監(jiān)控。除了對于節(jié)點上的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和其他節(jié)點資源的管理，也包括節(jié)點能耗（尤其是電池供電節(jié)點）和信道質(zhì)量的監(jiān)控。從而實現(xiàn)系統(tǒng)的“即開、即入、即管、即用”功能。該子系統(tǒng)的功能如圖5：

圖5 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備管理子系統(tǒng)功能

3.5生產(chǎn)運(yùn)行管理中心子系統(tǒng)功能

生產(chǎn)運(yùn)行管理中心子系統(tǒng)是提供油氣生產(chǎn)的業(yè)務(wù)狀態(tài)報告，關(guān)鍵生產(chǎn)運(yùn)營KPI動態(tài)報表，生產(chǎn)流程可視化與跟蹤，綜合實時信息展現(xiàn)，關(guān)鍵告警集中展現(xiàn)，聯(lián)合業(yè)務(wù)調(diào)度指揮；應(yīng)急預(yù)案可視化，聯(lián)合緊急指揮，應(yīng)急計劃實施狀態(tài)追蹤，應(yīng)急計劃模擬演練；日\周\月\季\年業(yè)務(wù)經(jīng)營分析， 協(xié)同辦公，生產(chǎn)過程全景展示（地理、流程、組織、績效、治理及運(yùn)營成果等）等。該系統(tǒng)在采油氣生產(chǎn)部門部署實時數(shù)據(jù)庫和監(jiān)控中心，同時將數(shù)據(jù)上傳到總部數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)對生產(chǎn)動態(tài)的及時了解，實現(xiàn)生產(chǎn)管理、分析優(yōu)化、指揮調(diào)度、智能決策，洞觀全局，掌控運(yùn)行。系統(tǒng)功能如圖6：

圖6 生產(chǎn)運(yùn)行管理中心子系統(tǒng)功能

4 結(jié)論與建議

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)iProd的建成可以實現(xiàn)包括油氣水井、計量間、處理站庫及相關(guān)集輸管網(wǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、工況分析、故障預(yù)警和報警、關(guān)鍵過程連鎖控制、工藝流程可視化展示、生產(chǎn)過程實時智能決策等功能。能達(dá)到強(qiáng)化安全管理、突出過程監(jiān)控、優(yōu)化管理模式，以實現(xiàn)優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)、持續(xù)改進(jìn)業(yè)務(wù)績效的目標(biāo)。

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)除需要有一個先進(jìn)的設(shè)計方案之外，還應(yīng)總結(jié)一些油氣田在面向生產(chǎn)操作過程的數(shù)字化建設(shè)方面所取得的一些有益的探索和實踐經(jīng)驗，并結(jié)合國際上先進(jìn)石油企業(yè)的最佳實踐和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢，來經(jīng)濟(jì)高效地建設(shè)我國的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)的基本概念和發(fā)展方向就是將涉及油氣經(jīng)營的各種資產(chǎn)(油氣藏等實物資產(chǎn)、數(shù)據(jù)資產(chǎn)、各種模型和計劃與決策等)，通過各種行動(數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解釋與模擬、提出并評價各種選項、實施等)，有機(jī)地統(tǒng)一在一個價值鏈中，形成虛擬現(xiàn)實表征的智能油田系統(tǒng)。油氣田智能化要求油氣田開發(fā)進(jìn)入自動化、可視化、實時化、智能化的閉環(huán)新階段。人們可以實時觀察到油田的自然和人文信息，并與之互動。

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作者簡介：檀朝東（1968-），男，安徽望江縣人，副研究員，博士，從事石油工程、物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)及科研工作；

Author introduction:Tan Chaodong,was born in Wangjiang of Anhui Province in 1968,associate researcher,Ph.D,engaged in petroleum engineering, Internet of Things teaching and research work.

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