油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油氣生產(chǎn)中的應用

2016/11/17 17:50:01

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油氣生產(chǎn)中的應用

李建華薛廣民陳冰

（北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責任公司北京 100007）

摘要：本文對目前國內(nèi)油氣田的生產(chǎn)管理現(xiàn)狀進行了分析，構(gòu)建了油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和技術(shù)方案。油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由采集與控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)具有生產(chǎn)動態(tài)實時監(jiān)控、生產(chǎn)信息統(tǒng)計分析、生產(chǎn)工況實時診斷、關(guān)鍵告警集中展現(xiàn)、設(shè)備資產(chǎn)在線管理、生產(chǎn)調(diào)度指揮管理等功能，另外還有環(huán)境監(jiān)控、氣體監(jiān)測、防盜防泄漏監(jiān)控、故障預警、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、物聯(lián)設(shè)備管理等功能，可使油氣生產(chǎn)過程管理更加精細化、智能化，提高油氣田生產(chǎn)決策的及時性和準確性，優(yōu)化生產(chǎn)管理流程和組織結(jié)構(gòu)，從而為油氣生產(chǎn)的精細化管理奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：油氣生產(chǎn)；物聯(lián)網(wǎng)；采集與控制子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)；生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)

The Application of Oil and Gas Production IOTTechnology in Oil and Gas Production

Chen Bing GuoYueming

(Beijing Richfit Information Technology Co., LTD, Beijing100007, China)

Abstract: This paper analyzed current managementsituation of domestic oil and gas production, and built the overall structureand technical programs of oil and gas production IOT system. The oil and gasproduction IOT system is mainly composed of acquisition and control subsystem, datatransmission subsystem and monitoring and management subsystem. This system hassome application functions, such as dynamic real-time monitoring of oil and gasproduction, statistical analysis of production information, real-time diagnosisfor the production conditions, smart optimization for process, concentratedexpression for critical alarm, production equipment management and productioncommand and control. This system makes the oil and gas production processmanagement more sophisticated and intelligent, improves the timeliness andaccuracy of oil and gas production decisions, optimizes production managementprocesses and organizational structure, and lays the technological foundationfor sophisticated management of oil and gas production.

Key words: Oil and gas production; IOT; Acquisitionand control subsystem; Data transmission subsystem; Monitoring and managementsubsystem

隨著射頻識別、紅外感應器、激光掃描器等信息傳感設(shè)備的出現(xiàn)以及互聯(lián)網(wǎng)的廣泛普及，物聯(lián)網(wǎng)已成為未來信息化發(fā)展的必然趨勢。中國石油集團在“十二五”信息化規(guī)劃中成立了物聯(lián)網(wǎng)項目，率先開展了物聯(lián)網(wǎng)的應用研究，致力于建設(shè)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。在目前的油氣生產(chǎn)中，油氣生產(chǎn)流程主要包括油氣舉升、注入、計量、油氣集輸、油氣處理等部分，這些生產(chǎn)環(huán)節(jié)大部分使用傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，現(xiàn)有生產(chǎn)組織形式主要由人工管理，效率較低，穩(wěn)定性較差，安全風險高。有些油田為滿足自身的生產(chǎn)需求，已建立了各自的生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控與管理系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)并投入使用。這些由軟件開發(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)的系統(tǒng)，主要是為了滿足各級目標用戶生產(chǎn)運行管理的實際需要，由于所處地域氣候條件、油藏地質(zhì)以及社會環(huán)境差異各不相同，因此各油田開發(fā)的系統(tǒng)功能有一定差異，還沒有形成一個統(tǒng)一、開放的系統(tǒng)^[1-5]。

根據(jù)中石油集團公司“十二五”總體規(guī)劃以及目前各油氣田的實際要求，亟需加快開發(fā)統(tǒng)一、開放的油氣生產(chǎn)管理信息平臺，將先進信息技術(shù)與實際工業(yè)生產(chǎn)相融合，提高生產(chǎn)操作的自動化程度，保證油氣生產(chǎn)持續(xù)、安全、穩(wěn)定、高效的運行，提高油氣田生產(chǎn)決策的及時性和準確性，優(yōu)化生產(chǎn)管理流程和組織結(jié)構(gòu)，從而為油氣生產(chǎn)的精細化管理奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1、油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的體系架構(gòu)

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)通過在井場、站庫等現(xiàn)場安裝數(shù)據(jù)自動采集、監(jiān)控裝置及自動化控制設(shè)備，實時采集各項生產(chǎn)數(shù)據(jù)和工業(yè)視頻信號，通過網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)、信號傳輸?shù)胶蠓降纳a(chǎn)調(diào)度指揮中心或中央控制室進行集中管控，應用生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)對收集的信息進行匯總、綜合處理與分析，提供生產(chǎn)指揮決策支持，達到生產(chǎn)操作自動化、生產(chǎn)運行可視化、管理決策系統(tǒng)化的目的^[6,7]。

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應用層組成，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。感知層由安裝在油氣生產(chǎn)設(shè)備上的各種感知設(shè)備和控制設(shè)備組成，通過有/無線溫度變送器、有/無線壓力變送器、流量計等傳感器，自動采集油氣水井、集輸管網(wǎng)及油氣處理站庫的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)狀態(tài)的全面感知以及對各種設(shè)備的自動控制；傳輸層采用有線數(shù)據(jù)傳輸和無線數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合的方式，將現(xiàn)場傳感器采集到的井場、站庫生產(chǎn)數(shù)據(jù)及視頻信號傳輸?shù)接蜌馓锉O(jiān)控指揮中心。其中，距站距離較近的井場以及站庫之間通過有線網(wǎng)絡(luò)相連，主要采用光纜傳輸；井場和邊遠站庫的生產(chǎn)和視頻數(shù)據(jù)通過無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，無線傳輸技術(shù)包括多載波無線信息本地環(huán)路（McWiLL）、全球微波互聯(lián)接入（WiMAX）、通用分組無線服務(wù)（GPRS）、數(shù)傳電臺等；應用層主要功能包括生產(chǎn)動態(tài)實時監(jiān)控、生產(chǎn)信息統(tǒng)計分析、生產(chǎn)工況實時診斷、關(guān)鍵告警集中展現(xiàn)、設(shè)備資產(chǎn)在線管理、生產(chǎn)調(diào)度指揮管理等，另外還有環(huán)境監(jiān)控、氣體監(jiān)測、防盜防泄漏監(jiān)控、故障預警、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、物聯(lián)設(shè)備管理等功能，可使油氣生產(chǎn)的管理更加精細化、智能化。

圖1 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

Fig. 1 The Structureof Oil and Gas Production IOT System

2、油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功能架構(gòu)

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總體功能為：將油井、閥組間、中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站、水源井以及管線等站點設(shè)備單元的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和視頻圖像實時采集并集中起來，通過有線或無線傳輸與油田企業(yè)網(wǎng)相連接，通過分析、計算將數(shù)據(jù)分類組合，并以文字、報表、圖形、圖像等方式即時顯示出來，實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備單元的遠程監(jiān)測與控制；同時對各設(shè)備單元的數(shù)據(jù)進行整合、計算，為生產(chǎn)部門提供相應輔助分析功能；另外通過系統(tǒng)的電子巡檢功能和視頻智能分析功能將各設(shè)備單元產(chǎn)生的故障、異常數(shù)據(jù)、非法入侵等進行預警和報警；并最終實現(xiàn)源頭數(shù)據(jù)一次采集、全局授權(quán)共享和對各應用系統(tǒng)的無縫支持。

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功能設(shè)計需滿足油氣田的日常生產(chǎn)運行、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)監(jiān)控、設(shè)備管理、成果展示等需求，根據(jù)目前油氣生產(chǎn)的實際現(xiàn)狀及生產(chǎn)過程中所反映出來的不足和問題，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)應立足于解決如下問題：

（1）實時顯示生產(chǎn)概況，如采油氣廠的生產(chǎn)狀況、產(chǎn)量、注水量等；

（2）在高危環(huán)境、重點區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對生產(chǎn)環(huán)境的可燃、有毒氣體監(jiān)測及視頻監(jiān)控；

（3）自動生成、存儲、查詢井、站、作業(yè)區(qū)的生產(chǎn)報表及曲線；

（4）自動控制生產(chǎn)過程，對關(guān)鍵生產(chǎn)過程實現(xiàn)閉環(huán)控制，提高生產(chǎn)運行的可靠性和穩(wěn)定性；

（5）生產(chǎn)設(shè)備故障預警和報警；

（6）定時進行設(shè)備自檢，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、現(xiàn)場儀表等設(shè)備定時自動巡檢和故障原因定位。

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)從功能上可劃分為三個子系統(tǒng)：采集與控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

Fig. 2 The Functionsof Oil and Gas Production IOT System

2.1 采集與控制子系統(tǒng)

采集與控制子系統(tǒng)包含四個主要功能：生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、生產(chǎn)環(huán)境自動監(jiān)測、生產(chǎn)過程自動控制、物聯(lián)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。

（1）生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集：通過有/無線溫度變送器、有/無線壓力變送器、流量計等傳感器，自動采集油氣水井、集輸管網(wǎng)及油氣處理站庫的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

（2）生產(chǎn)環(huán)境自動監(jiān)測：通過攝像頭、危害氣體檢測裝置、自動報警裝置等，自動采集生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境信息，并將這些信息實時傳輸?shù)綄崟r數(shù)據(jù)庫，實時監(jiān)測重點油氣井、高危井、重點站庫、關(guān)鍵路口的生產(chǎn)環(huán)境，對有毒、有害氣體及污染源、空氣質(zhì)量等實施在線監(jiān)控，可及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的人為破壞、可燃有毒氣體濃度超標等情況。

3）生產(chǎn)過程自動控制：通過ESD、控制閥等自動化控制設(shè)備，對油氣水井、站庫、處理站、聯(lián)合站等生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動控制和無人值守，降低用工需求和勞動強度。

4）物聯(lián)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控：監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的工作狀態(tài)、入網(wǎng)標識、空間位置等信息，實現(xiàn)對這些設(shè)備的遠程集中管理和維護，保證系統(tǒng)安全、可靠、高效的運行。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)采用有線數(shù)據(jù)傳輸和無線數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合的方式，將現(xiàn)場傳感器采集到的井場、站庫生產(chǎn)數(shù)據(jù)及視頻信號傳輸?shù)接蜌馓锉O(jiān)控指揮中心。其中，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中有線傳輸主要部署到各油氣田的采集站、中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站、注水站、集氣站等站區(qū)，對于距離各站區(qū)較近、油氣水井產(chǎn)量大、需重點關(guān)注的油氣水井也可考慮采用有線傳輸進行部署。

井場和邊遠站庫的生產(chǎn)和視頻數(shù)據(jù)采用無線方式進行傳輸，無線傳輸技術(shù)包括多載波無線信息本地環(huán)路（McWiLL）、全球微波互聯(lián)接入（WiMAX）、通用分組無線服務(wù)（GPRS）、數(shù)傳電臺等。采用無線傳輸部署的油、氣、水井通過無線傳輸方式將油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行幕?，中心基站通過有線連接到集團公司核心網(wǎng)，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接蜌馍a(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)。

2.3 生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)

生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)包括三大功能：工況分析預測優(yōu)化功能、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備管理功能和生產(chǎn)運行管理功能。

（1）工況分析預測優(yōu)化功能

生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)可對從生產(chǎn)現(xiàn)場采集并傳輸?shù)綄崟r數(shù)據(jù)庫的油氣水井、計量間、處理站庫和集輸管網(wǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析優(yōu)化預測。計量間、處理站庫的工況分析預測優(yōu)化功能主要是實現(xiàn)現(xiàn)場的實時遠程數(shù)據(jù)采集、工況診斷、運行參數(shù)優(yōu)化、智能控制以及出現(xiàn)故障時的應急自動處理；油氣水單井的工況分析預測優(yōu)化功能主要是實現(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、智能預測等，從而實現(xiàn)精細化、智能化管理。

（2）物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備管理功能

生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)具備物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理和設(shè)備管理功能。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理主要是指對網(wǎng)絡(luò)拓撲、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)時間同步、網(wǎng)絡(luò)安全、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)點功能配置等的管理。網(wǎng)絡(luò)管理水平與運行狀態(tài)對油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)平穩(wěn)、可靠地運行起著至關(guān)重要的作用。設(shè)備的管理主要是指對壓力儀表、溫度儀表、流量計、示功儀、攝像頭、有害氣體檢測儀以及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)和運行情況的監(jiān)控。設(shè)備管理除了管理節(jié)點上的傳感器、執(zhí)行機構(gòu)，也包括對節(jié)點能耗（尤其是電池供電節(jié)點）和信道質(zhì)量的監(jiān)控。另外，通過對車輛、油區(qū)、廠礦實施RFID標簽管理，借助GPS和GIS系統(tǒng)，對于應急輔助快速檢索事故點周邊的救援信息，諸如醫(yī)療資源、消防資源、車輛資源，從而制定出相應的應急預案，以實現(xiàn)對應急物資、應急隊伍等起到很好的調(diào)度作用；也可通過RFID技術(shù)、GPS定位技術(shù)、無線傳輸技術(shù)來全程跟蹤監(jiān)測危險品的移動、運輸過程，以及危險品的有效處理。

（3）生產(chǎn)運行管理功能

生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)可生成油氣生產(chǎn)的業(yè)務(wù)狀態(tài)報告，對生產(chǎn)動態(tài)進行實時監(jiān)控，對生產(chǎn)信息進行統(tǒng)計分析，實時診斷生產(chǎn)工況，實現(xiàn)關(guān)鍵告警集中展現(xiàn)以及對設(shè)備資產(chǎn)的在線管理和生產(chǎn)調(diào)度指揮管理功能。該子系統(tǒng)將應急預案可視化，可對應急計劃實施狀態(tài)追蹤以及對應急計劃進行模擬演練；可對日\周\月\季\年業(yè)務(wù)經(jīng)營情況進行分析，全景展示生產(chǎn)過程（包括地理、流程、組織、績效、治理及運營成果等）。實時數(shù)據(jù)庫和監(jiān)控中心部署在油氣生產(chǎn)部門，同時能將數(shù)據(jù)上傳到總部的數(shù)據(jù)中心，從而及時了解生產(chǎn)動態(tài)，實現(xiàn)生產(chǎn)管理、分析優(yōu)化以及指揮調(diào)度的功能。

3、目前存在的問題

（1）傳感器問題：目前在單井中常用的無線溫度及壓力傳感器均使用自身所攜帶的電池提供電力，因此如何降低傳感器功耗，延長設(shè)備使用壽命是一個亟待解決的技術(shù)問題。另外，由于傳感器制造對技術(shù)工藝要求很高，因此傳感器的生產(chǎn)目前還處于定制生產(chǎn)階段，單個傳感器的成本相對較高，難以滿足大規(guī)模在油田部署的需求。

（2）信息安全問題：由于油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具備自動采集、傳輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及自動控制生產(chǎn)過程的功能，因此信息安全問題至關(guān)重要。由于集團公司各油氣田所包含的單井數(shù)量較多，分布范圍較廣，如果使用全有線傳輸進行部署，實施投資成本高、部署周期長、實施難度大、擴展能力差，不適合對各油氣田所有單井進行部署，因此大多采用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。但是由于信道的開放性使得通信鏈路存在非常嚴重的安全隱患，故需要在調(diào)制和編碼方式上采取相應的安全措施，利用高安全等級的編碼方式和調(diào)制方式來保證通信信道的安全性。信元數(shù)據(jù)在空中傳輸時，如果不進行加密和處理就很容易被竊聽和攻擊，所以在系統(tǒng)設(shè)計時應該首先考慮對信元數(shù)據(jù)進行必要的安全處理。由于受到終端接入設(shè)備計算能力的限制，通常無法采用復雜的安全認證機制，這也是目前在信息安全技術(shù)上遇到的一個挑戰(zhàn)。

（3）行業(yè)標準不統(tǒng)一：由于油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)涉及到多學科、多專業(yè)，解決方案也各不相同，因此標準相對分散，開放性較差。目前我國并沒有相應的國家標準或者行業(yè)標準可供參照，因此為了實現(xiàn)不同廠商油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的互聯(lián)互通，降低系統(tǒng)運維成本，亟需統(tǒng)一油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)標準。

4、結(jié)束語

本文對目前國內(nèi)油氣田的生產(chǎn)管理現(xiàn)狀進行了分析，構(gòu)建了油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和技術(shù)方案, 討論了油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)面臨的一些技術(shù)問題。油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于油氣生產(chǎn)，可以實現(xiàn)對油氣水井、計量間、油氣站庫、油氣管網(wǎng)等對象生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸、處理，可以實現(xiàn)生產(chǎn)動態(tài)實時監(jiān)控、生產(chǎn)信息統(tǒng)計分析、生產(chǎn)工況實時診斷、關(guān)鍵告警集中展現(xiàn)、設(shè)備資產(chǎn)在線管理、生產(chǎn)調(diào)度指揮管理等功能，另外還有環(huán)境監(jiān)控、氣體監(jiān)測、防盜防泄漏監(jiān)控、故障預警、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、物聯(lián)設(shè)備管理等功能。油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可使油氣生產(chǎn)過程管理更加精細化、智能化，提高油氣田生產(chǎn)決策的及時性和準確性，優(yōu)化生產(chǎn)管理流程和組織結(jié)構(gòu)，從而為油氣生產(chǎn)的精細化管理奠定技術(shù)基礎(chǔ)。