楊峰，楊灝，魏江偉，張進科　(中石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西 高崚 716000)

油水井措施施工數(shù)字化監(jiān)控平臺的設(shè)計與實踐

楊峰，楊灝，魏江偉，張進科(中石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西 高崚 716000)

[摘要]如何在目前數(shù)字化油田的大環(huán)境下實現(xiàn)措施施工的有效管理,是油田急需解決的問題。根據(jù)油田油水井生產(chǎn)實際,通過對油水井措施施工目前存在的問題及其需求分析,提出了油水井措施施工數(shù)字化監(jiān)控平臺的設(shè)計技術(shù)路線和設(shè)計方案。油水井措施施工信息化監(jiān)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及傳輸單元和遠程服務(wù)器監(jiān)控平臺兩個部分組成。2014年分別在長慶油田馮地坑作業(yè)區(qū)、馬房山作業(yè)區(qū)堵水調(diào)剖措施施工現(xiàn)場進行了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及傳輸單元的安裝、調(diào)試和測試,達到了預(yù)期的設(shè)計效果,為國內(nèi)其他油田的措施施工提供了參考。

[關(guān)鍵詞]油水井;措施施工;數(shù)字化管理;監(jiān)控平臺;技術(shù)路線;方案設(shè)計

隨著油田開采時間增加，對已投產(chǎn)的油水井通過采用先進的工藝措施如壓裂、酸化、堵水等來提高油田采油速度和采收率，是油田注水開采階段提高經(jīng)濟效益的重要手段。然而，因現(xiàn)場作業(yè)區(qū)域分散、地域距離遠、交通和信息交流不便，使得采油廠管理人員和技術(shù)人員難以隨時掌握現(xiàn)場措施施工動態(tài)，關(guān)鍵性數(shù)據(jù)信息難以及時獲得，而且過程中外界環(huán)境、現(xiàn)場技術(shù)人員的能力和責任心等因素影響了管理人員對現(xiàn)場施工情況的全面了解。因此，實現(xiàn)措施施工工藝過程的信息化監(jiān)控管理[1]、開發(fā)數(shù)字化監(jiān)控平臺具有重要的現(xiàn)實意義。

1現(xiàn)狀分析

1.1　存在問題

油水井措施施工工藝主要有壓裂、酸化和堵水調(diào)剖工藝。通過對這些施工工藝過程的分析和現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前存在的問題：①壓裂和酸化措施可能由于工藝參數(shù)不合理，造成壓不開、壓竄、砂堵、砂卡等事故；②堵水調(diào)剖措施可能由于措施執(zhí)行不到位，如堵劑用量不足而導(dǎo)致措施處理無效等問題；③井場措施施工中經(jīng)常接觸石油、天然氣等易燃易爆和其他有毒有害物質(zhì)，易發(fā)生人員傷亡、環(huán)境污染等事故；④施工現(xiàn)場通訊條件差，數(shù)據(jù)采集及控制較難實現(xiàn)，對突發(fā)事件，需要進行專家會診比較困難；⑤現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場指揮、現(xiàn)場施工操縱等主要是在儀表車上進行，儀表車上的數(shù)據(jù)、施工現(xiàn)場的視頻都沒有傳輸?shù)竭h端的監(jiān)控中心，無法從網(wǎng)上實時查看施工現(xiàn)場狀況并對現(xiàn)場進行指揮控制。

1.2　需求分析

通過對油水井措施施工存在問題的分析，油田生產(chǎn)管理部門亟需研發(fā)和建設(shè)一套滿足油田措施施工實際需要的實時數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控和遠程傳輸系統(tǒng)，將施工前期、中期、后期的關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息和視頻圖像信息傳輸?shù)讲捎蛷S的管理中心，從而實現(xiàn)信息共享和應(yīng)用、壓裂方案設(shè)計、遠程專家診斷和現(xiàn)場監(jiān)控。

2技術(shù)線路

根據(jù)不同措施工藝類型所需采集監(jiān)控的工藝參數(shù)，確定現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集儀表的技術(shù)指標，包括儀表測量介質(zhì)適應(yīng)性、測量精度、工作溫濕度、信號輸出方式、安裝方式等[2,3]。在現(xiàn)有壓裂、酸化儀表車軟硬件環(huán)境中，部署針對性開發(fā)的數(shù)據(jù)接口模塊，實時獲取壓裂儀表車的監(jiān)測數(shù)據(jù)。開發(fā)、集成一套適用于油田壓裂、酸化、堵水調(diào)剖3種不同工藝措施關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控的RTU系統(tǒng)，采取標準化設(shè)計、模塊化集成，確保橇裝式儀表系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝和使用的便攜性以及可靠性。結(jié)合油田的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，充分考慮目前各種成熟、主流的無線通訊方式，選擇適合措施施工現(xiàn)場條件的數(shù)據(jù)傳輸方式，并開發(fā)相應(yīng)軟件程序和數(shù)據(jù)接口。開發(fā)完成油水井措施施工參數(shù)實時采集監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺及數(shù)據(jù)發(fā)布組件，實現(xiàn)監(jiān)控軟件對施工現(xiàn)場工況的實時數(shù)據(jù)采集、趨勢曲線繪制、報表數(shù)據(jù)生成、歷史數(shù)據(jù)檢索、異常報警提示、視頻圖像監(jiān)控、B/S結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及視頻發(fā)布等功能。

3方案設(shè)計

3.1　現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及傳輸單元

1)現(xiàn)場傳感器壓裂、酸化、堵水調(diào)剖施工中主要監(jiān)控和采集的參數(shù)包括壓力、排量、砂比等，以上參數(shù)的獲得均要通過壓力傳感器、流量計、專用傳感器來實現(xiàn)，傳感器的準確與否和使用可靠性、壽命均將直接影響施工質(zhì)量和施工安全。方案設(shè)計選用電容式壓力傳感器、電磁式流量計、發(fā)射性密度計完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。

2)攝像機考慮到數(shù)據(jù)遠程傳輸以及網(wǎng)絡(luò)帶寬因素，選擇低照度感紅外一體化帶云臺標清網(wǎng)絡(luò)攝像機，根據(jù)監(jiān)控需求現(xiàn)場設(shè)置兩個視頻監(jiān)控點，通過設(shè)置云臺自動巡航功能實現(xiàn)主要生產(chǎn)區(qū)域的視頻監(jiān)控覆蓋。

3)RTU單元RTU單元作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及傳輸單元的核心處理器部分，既要負責各個傳感器數(shù)據(jù)的采集接入，又要考慮與儀表車等第三方PLC/RTU系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，此外還應(yīng)具有標準的RJ45和RS232口以便于實現(xiàn)與無線網(wǎng)橋、GPRS DTU的數(shù)據(jù)通訊。

4)通訊模塊常規(guī)通訊方式分為有線傳輸和無線傳輸，按照網(wǎng)絡(luò)類型分為內(nèi)網(wǎng)通訊和公網(wǎng)通訊。根據(jù)措施施工現(xiàn)場實際工況，通訊方式設(shè)計為2種方式：①井場已建數(shù)字化通訊網(wǎng)絡(luò)的情況下，通過一套5.8G工業(yè)級無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)RTU采集箱數(shù)據(jù)向井場網(wǎng)絡(luò)的接入，無需布線且保證了通訊距離和通訊效果，也便于現(xiàn)場安裝；②拉油井場等偏遠地區(qū)未連通數(shù)字化通訊網(wǎng)絡(luò)的情況下，通過一套GPRS DTU實現(xiàn)RTU采集箱數(shù)據(jù)通過公網(wǎng)的透明數(shù)傳，在廠監(jiān)控平臺進行數(shù)據(jù)接收。

5)集成橇橇裝結(jié)構(gòu)設(shè)計是設(shè)備框架和設(shè)備整體組合的一種形式設(shè)計，主要考慮到設(shè)備移動的便攜性、接口的簡易度、安裝的牢固性等因素?，F(xiàn)場傳感器因為需要與工藝管道等直接連接，因此需要采取螺紋、法蘭、卡箍等方式進行安裝固定；除傳感器之外的攝像機單元、RTU單元、通訊單元均可集成到橇上。設(shè)計考慮設(shè)備的集成、運輸、使用，集成橇設(shè)計功能和要求：①采用立方體結(jié)構(gòu)設(shè)計，運輸時橇體全方位密閉，無活動部件外露；②橇內(nèi)集成RTU箱、攝像機、補光燈、無線網(wǎng)橋(單個)及配套附件；③傳感器到RTU單元的信號線兩端均采用戶外儀表專用快速接頭連接；④攝像機和無線網(wǎng)橋支架采用升縮式結(jié)構(gòu)設(shè)計，可調(diào)節(jié)架高高度；⑤橇體外殼采用304不銹鋼材質(zhì)，防護等級IP65。

3.2　遠程服務(wù)器監(jiān)控平臺

遠程服務(wù)器主要用于現(xiàn)場油水井措施施工參數(shù)的采集、處理、存儲、視頻監(jiān)控及轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)頁發(fā)布等。服務(wù)器硬件因數(shù)據(jù)負載量不大，方案設(shè)計選用工控機。

1)操作系統(tǒng)考慮到系統(tǒng)的易用性和驅(qū)動程序的完整性，遠程服務(wù)器的操作系統(tǒng)選用Windows XP with SP3版本，操作系統(tǒng)加裝工業(yè)組態(tài)軟件、SQL數(shù)據(jù)庫、DTU驅(qū)動、視頻ActiveX驅(qū)動、專用接口驅(qū)動等。

2)組態(tài)軟件選用技術(shù)成熟、功能強大的工業(yè)組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺，極大地縮短軟件平臺和網(wǎng)站發(fā)布的開發(fā)周期，減少開發(fā)費用；后期維護難度低，便于功能擴展。組態(tài)軟件的功能和要求：①支持工業(yè)標準RTU通訊協(xié)議；②支持ActiveX控件嵌入及轉(zhuǎn)發(fā)；③支持長時間的數(shù)據(jù)存儲備份；④支持軟件平臺的Web網(wǎng)站發(fā)布。

4應(yīng)用實踐

2014年5～11月分別在長慶油田馮地坑作業(yè)區(qū)、馬房山作業(yè)區(qū)堵水調(diào)剖措施施工現(xiàn)場進行了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及傳輸單元的安裝、調(diào)試和測試，遠程服務(wù)器架設(shè)在馮地坑前線指揮部機房并實現(xiàn)了預(yù)期功能。

4.1　硬件功能部分

1)數(shù)據(jù)采集RTU控制器帶兩路RS485通訊，一路作為Modbus主站用于讀取智能流量計內(nèi)的瞬時和累計流量；一路作為Modbus從站用于GPRS DTU上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器。

2)數(shù)據(jù)傳輸集成橇上的無線網(wǎng)橋與井場數(shù)字化通訊桿上的無線網(wǎng)橋通訊實現(xiàn)廠局域網(wǎng)的接入；當廠局域網(wǎng)通訊故障時RTU內(nèi)的GPRS DTU通過中國移動公網(wǎng)將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至指定公網(wǎng)IP。

3)視頻監(jiān)控兩路視頻固定于集成橇內(nèi)，帶伸縮桿調(diào)節(jié)高度、陣列LED燈夜晚補光，視頻支持本地SD卡存儲并通過局域網(wǎng)實時傳輸至監(jiān)控后臺。

4)設(shè)備安裝集成橇放置于施工現(xiàn)場，壓力變送器通過三通、截止閥安裝于水井取壓口，智能流量計通過高壓卡箍固定于加藥管道。

4.2　軟件功能部分

1)RTU軟件實現(xiàn)模擬量A/D轉(zhuǎn)換采集、流量計Modbus RTU通訊以及GPRS DTU通訊調(diào)試。

2)視頻嵌入軟件通過視頻攝像機廠家提供的SDK工具開發(fā)ActiveX控件，實現(xiàn)視頻圖像在力控組態(tài)軟件上的圖像顯示、視頻操作等。

3)服務(wù)器軟件平臺在力控組態(tài)軟件上開發(fā)數(shù)據(jù)顯示、趨勢曲線、數(shù)據(jù)報表、異常報警、網(wǎng)站發(fā)布等功能模塊。

5效果評價

油水井措施施工信息化監(jiān)控的應(yīng)用實踐，對油田常規(guī)生產(chǎn)模式在數(shù)字化建設(shè)的基礎(chǔ)上進一步技術(shù)改造，實現(xiàn)壓裂、酸化、堵水措施現(xiàn)場的實時監(jiān)控和信息共享，通過近半年的運行效果跟蹤，目前各項功能均能夠?qū)崿F(xiàn)，主要效果：①實現(xiàn)油田壓裂、酸化、堵水措施現(xiàn)場的實時監(jiān)控和信息共享；②加強措施施工過程管理能力，提升施工的有效率，降低生產(chǎn)成本；③關(guān)鍵工藝參數(shù)和視頻圖像的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)事故苗頭，消除安全隱患；④廠級管理平臺數(shù)據(jù)記錄和共享，為專家會診、措施優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。油水井措施施工信息化監(jiān)控的試驗探索，進一步顯示了油田由自動化向信息化、智能化發(fā)展的必然趨勢，為油田企業(yè)安全生產(chǎn)、精細管理和提高企業(yè)競爭力提供參考。

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[編輯]帥群

[引著格式]楊峰，楊灝，魏江偉，等.油水井措施施工數(shù)字化監(jiān)控平臺的設(shè)計與實踐[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版) ,2015,12(26):84~86.

[中圖分類號]TE938.2

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)26-0084-03

[作者簡介]楊峰(1972-)，男，工程師，現(xiàn)從事油田數(shù)字化建設(shè)與管理工作，yfcq@petrochina.com.cn。

[收稿日期]2015-05-04