張金闊
(玉門油田信息中心,甘肅酒泉735019)
油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用
張金闊
(玉門油田信息中心,甘肅酒泉735019)
為了推進(jìn)中國石油油氣生產(chǎn)信息化建設(shè),提高油氣生產(chǎn)管理水平,實(shí)現(xiàn)信息化與工業(yè)化的融合,中國石油提出了建設(shè)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),建立覆蓋中國石油油氣地面生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、生產(chǎn)管理子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動采集、生產(chǎn)過程的自動控制、生產(chǎn)工藝的流程優(yōu)化、遠(yuǎn)程監(jiān)控,生產(chǎn)預(yù)警等功能,實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)過程管理,促進(jìn)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變,從而提升油氣生產(chǎn)管理水平和綜合效益。
油氣生產(chǎn);數(shù)據(jù)采集;TD-LTE;SCADA系統(tǒng)
Abstract:In order to promote China's oil production of oil and gas information construction,improve the management level of the oil and gas production and achieve the fusion of informatization and industrialization,China petroleum and construction of oil and gas production iot system is proposed.Oil and gas production iot system is to use the Internet of things technology,estab?lished China oil surface oil and gas production of each link of the data acquisition and monitoring subsystem,data transmission subsystem,production management subsystem,realize the automatic acquisition of production data,the automatic control of pro?duction process,production process optimization,remote monitoring,early warning functions such as production,oil and gas pro?duction process management,promote the transformation of production mode,so as to enhance the level of oil and gas produc?tion and management and comprehensive benefits.
Key words:oil and gas production;data acquisition;TD-LTE;SCADA system
中國石油為加快業(yè)務(wù)領(lǐng)域信息化建設(shè),全面提升企業(yè)整體管理水平,在2000年制定的《中石油信息技術(shù)總體規(guī)劃》的基礎(chǔ)上,結(jié)合公司的發(fā)展和信息系統(tǒng)建設(shè)情況,形成了《中國石油“十二五”信息技術(shù)總體規(guī)劃》清晰描述了中國石油在“十二五”期間的信息工作管理體制、組織結(jié)構(gòu)及主要工作內(nèi)容?!坝蜌馍a(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(A11)”是勘探開發(fā)與管理類中的一個(gè)重要信息系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目,已被集團(tuán)公司列為“十二五”信息技術(shù)總體規(guī)劃重點(diǎn)建設(shè)的三大標(biāo)志性工程之一。
該系統(tǒng)圍繞油氣生產(chǎn)運(yùn)行需要,以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)操作自動化和優(yōu)化生產(chǎn)管理流程為手段,提高工作效率,進(jìn)而優(yōu)化勞動組織用工,服務(wù)油田生產(chǎn)的精細(xì)化管理,最終達(dá)到“增產(chǎn)增效不增員、節(jié)能、節(jié)約運(yùn)行成本”的目的。玉門油田展開了數(shù)字化建設(shè)、建立全油田統(tǒng)一的生產(chǎn)管理、綜合研究的數(shù)字化管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)“同一平臺、信息共享、多級監(jiān)視、分散控制”,達(dá)到強(qiáng)化安全、過程監(jiān)控、節(jié)約人力資源和提高效益的目標(biāo)。
油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)分為三部分,分別是數(shù)據(jù)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)。
數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)自動采集、生產(chǎn)環(huán)境自動監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)自動監(jiān)測、生產(chǎn)過程監(jiān)測及遠(yuǎn)程控制功能。
數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是以作業(yè)區(qū)為單位建立覆蓋所有生產(chǎn)單元的生產(chǎn)專網(wǎng),在采油廠實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)網(wǎng)與辦公網(wǎng)的物理隔離;針對數(shù)量眾多、分布零散的單井、計(jì)量間,采用無線傳輸方式解決生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集以及視頻信息的傳輸問題。
生產(chǎn)管理子系統(tǒng)提供生產(chǎn)過程監(jiān)測、生產(chǎn)分析與工況診斷、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理、視頻監(jiān)測、報(bào)表管理、數(shù)據(jù)管理、輔助分析與決策支持、系統(tǒng)管理、運(yùn)維管理功能。
3.1.1 視頻監(jiān)控
在油氣井場安裝130萬像素高清紅外網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)進(jìn)行視頻圖像采集和處理,采用1.8GHz CPE將攝像機(jī)的視頻信號通過4G專網(wǎng)將信號傳輸至通信基站,經(jīng)過信號處理后傳輸至機(jī)房核心網(wǎng),通過解碼設(shè)備可以在監(jiān)控大屏和終端軟件上顯示,同時(shí)將實(shí)時(shí)圖像存儲在NVR。系統(tǒng)分為兩級結(jié)構(gòu);一級為油田數(shù)字化指揮中心——主要實(shí)現(xiàn)管理、監(jiān)視的功能;二級為作業(yè)區(qū)監(jiān)控室——主要實(shí)現(xiàn)控制、存儲和監(jiān)視的功能,視頻畫面接入油田辦公網(wǎng),進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻采集、監(jiān)控,能夠及時(shí)監(jiān)控環(huán)境安全狀況和設(shè)備運(yùn)行狀況。對環(huán)境安全狀況和設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行視頻分析預(yù)警,實(shí)現(xiàn)異常狀況的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。
3.1.2 機(jī)采井
在抽油機(jī)的懸繩器和工字卡之間安裝無線示功儀,能夠精準(zhǔn)、同步地測試抽油機(jī)井的載荷、位移,并實(shí)時(shí)提供示功圖,根據(jù)測試的示功圖可分析油井工作情況,計(jì)算油井產(chǎn)量。在井口取源部件上安裝無線壓力表,測量油管、套管的壓力。在井場電控柜里安裝遠(yuǎn)程智能電機(jī)測控單元,全天候監(jiān)測電機(jī)的三相電參和遠(yuǎn)程控制抽油機(jī)的啟停,在遠(yuǎn)程控制啟停前現(xiàn)場語音警示,提醒現(xiàn)場作業(yè)人員遠(yuǎn)離電機(jī)運(yùn)行危險(xiǎn)區(qū)域。所有現(xiàn)場儀表和設(shè)備通過2.4G ZigBee將數(shù)據(jù)傳輸至RTU。
3.1.3 注水井
通過單井安裝無線壓力傳感器、流量計(jì),智能流量控制器,實(shí)時(shí)采集注水井井口數(shù)據(jù)(其中包括井口壓力、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量)通過2.4GZig Bee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到RTU終端,RTU將數(shù)據(jù)通過4G無線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理點(diǎn)(數(shù)據(jù)采集服務(wù)器),數(shù)據(jù)處理點(diǎn)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,解析后的數(shù)據(jù)通過WEB頁面展示出來。在自動狀態(tài)下,用戶能夠通過現(xiàn)場控制面板、遠(yuǎn)程上位機(jī)人工設(shè)定瞬時(shí)流量,儀表根據(jù)設(shè)定的流量自動開啟或者關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥(PID控制),實(shí)現(xiàn)對注水流量的控制要求;在手動狀態(tài)下,用戶可以通過按鍵或現(xiàn)場控制器設(shè)定,直接實(shí)現(xiàn)對注水流量的控制。存儲生產(chǎn)數(shù)據(jù),方便、快捷查詢生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù),完成各種報(bào)表輸出。
井場RTU數(shù)據(jù)需要進(jìn)行低速數(shù)據(jù)的采集和傳輸,井場視頻監(jiān)控則要實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的采集和傳輸。油田視頻監(jiān)控和信息采集的主要難點(diǎn)在于:如果采用有線方式,網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量較好,但成本極高,采油點(diǎn)分布交廣,較稀疏,為每個(gè)采油點(diǎn)都部署有線傳輸,工程成本極高,實(shí)現(xiàn)難度大。如果采用無線方式,雖然架設(shè)方便,但以2G、3G為代表的公網(wǎng),傳輸速率低,鏈路傳輸時(shí)延高,僅能傳輸圖片或較低清晰度的少量攝像頭,且公網(wǎng)在采油區(qū)的覆蓋往往較差,無法滿足采油區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求;遇到突發(fā)、緊急事件時(shí),公網(wǎng)容易遇到擁塞、斷網(wǎng)等各種問題,難以滿足油田對通信的高可靠性要求。
基于以上考慮,我們采用了目前最先進(jìn)、且已得到大規(guī)模應(yīng)用和驗(yàn)證的第四代移動通信技術(shù),也就是LTE技術(shù)。LTE是目前國際上主流的新一代移動通信技術(shù),采用OFDM(正交頻分復(fù)用)、MIMO(多天線)、HARQ、AMC等關(guān)鍵技術(shù),傳輸速率高、時(shí)延低。很好地滿足了油氣田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用要求。
在無線通信系統(tǒng)中,頻段越高,傳輸損耗越大,覆蓋半徑越小。較低的頻段雖然覆蓋半徑大,但低頻段基本被占滿,很難獲取。目前用于專網(wǎng)的頻段,一般采用1800頻段(1785-1805MHz),1800頻段的優(yōu)勢在于頻段資源較寬(一共10MHz),因此傳輸速率高,可支持大量的高清視頻監(jiān)控,但覆蓋半徑較小,如果全部采用1800頻段組網(wǎng),建網(wǎng)成本較高。LTE專網(wǎng)還可以采用230頻段,230頻段資源較窄,因此傳輸速率比1800頻段低,但由于頻段較低,因此覆蓋距離遠(yuǎn),建網(wǎng)成本低。
綜合考慮230頻段及1800頻段組網(wǎng)的優(yōu)劣勢,創(chuàng)新性地采用230、1800融合組網(wǎng)方案:利用LTE230系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)廣覆蓋,解決采油區(qū)大范圍內(nèi)的信息采集業(yè)務(wù)需求(例如,油壓等數(shù)據(jù));利用LTE1800覆蓋局部熱點(diǎn)地區(qū),解決重要設(shè)備、采油點(diǎn)的視頻監(jiān)控需要。
SCADA系統(tǒng)提供生產(chǎn)過程監(jiān)測、生產(chǎn)分析與工況診斷、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理、視頻監(jiān)測、報(bào)表管理、數(shù)據(jù)管理、輔助分析與決策支持、系統(tǒng)管理、運(yùn)維管理功能。
SCADA中心控制系統(tǒng)層由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成,硬件系統(tǒng)主要是平臺的建設(shè)如:工程師站、操作員站、通訊系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成;軟件系統(tǒng)主要是有SCADA站控軟件、組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、量油軟件、應(yīng)用軟件以及服務(wù)器軟件等。SCADA中心控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成整個(gè)系統(tǒng)及所轄油水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動采集、生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)站內(nèi)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提示、油水井工況動態(tài)分析、運(yùn)行信息自動生成等功能,并與上位管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,達(dá)到對增壓點(diǎn)及所轄井場生產(chǎn)過程監(jiān)控的目的,以加快油田數(shù)字化快速建設(shè),有效指導(dǎo)油田開發(fā)。
單井生產(chǎn)系統(tǒng)分析優(yōu)化系統(tǒng)平臺功能可劃分以下模塊:數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與傳輸、系統(tǒng)和專業(yè)數(shù)據(jù)庫管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、工況實(shí)時(shí)診斷分析、智能優(yōu)化決策與模式設(shè)計(jì)、生產(chǎn)系統(tǒng)智能控制、網(wǎng)上智能辦公等。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)分析、實(shí)時(shí)控制、實(shí)施發(fā)布的整體目標(biāo)。
新建并集成已有的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對采油、采氣、注水、集成等油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的各類參數(shù)的自動化采集與實(shí)時(shí)展示及異常報(bào)警。實(shí)現(xiàn)井場、站場等重點(diǎn)、關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測,在監(jiān)控中心內(nèi)配合視頻監(jiān)控,可以24小時(shí)電子巡井、巡線、設(shè)備巡察。實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)參數(shù)的異常監(jiān)測、單點(diǎn)報(bào)警和基于系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系的關(guān)聯(lián)預(yù)警。發(fā)現(xiàn)異常后維護(hù)隊(duì)伍及時(shí)到現(xiàn)場落實(shí)、維護(hù),包括常見油井問題報(bào)警、常見水井問題報(bào)警、常見氣井問題報(bào)警、集輸管線報(bào)警、注水管網(wǎng)報(bào)警。
對油氣生產(chǎn)過程的視頻采集、實(shí)施監(jiān)控和展示,以及視頻分析預(yù)警,包括檢測、統(tǒng)計(jì)、視頻報(bào)警和報(bào)警聯(lián)動。對采油井場、計(jì)量間、注水井場、注水泵站的環(huán)境和注采設(shè)備,集輸泵站的環(huán)境和重要的集輸設(shè)備,進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻采集、監(jiān)控,能夠及時(shí)監(jiān)控環(huán)境安全狀況和設(shè)備運(yùn)行狀況。對環(huán)境安全狀況和設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行視頻分析預(yù)警,實(shí)現(xiàn)異常狀況的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。
示功圖是作為反映有桿泵抽油機(jī)的工作狀態(tài)最直觀有效的分析手段。通過示功圖,能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)抽油機(jī)砂卡、脫桿、凡爾漏失等工作狀態(tài)的變化和供液不足、氣體影響等油藏的動態(tài)變化,不但有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排除抽油機(jī)工作故障,同時(shí)通過歷史功圖變化和功圖換算單井產(chǎn)液量的變化,為油田生產(chǎn)管理,尤其是穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供動態(tài)油藏?cái)?shù)據(jù)。
同時(shí),單井計(jì)量的開展,將極大地優(yōu)化采油生產(chǎn)的地面集輸流程,優(yōu)化地面管線不但能夠降低工人巡視管線的工作量,更主要的是節(jié)約地面管線造成的跑冒漏損失和管線成本。
數(shù)據(jù)報(bào)表是生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的一個(gè)部分,通過數(shù)據(jù)報(bào)表,可以清晰、直觀、有效的了解與掌握各生產(chǎn)單元的生產(chǎn)情況,有助于職能單位對當(dāng)前的油氣生產(chǎn)情況進(jìn)行宏觀的把握和全局的統(tǒng)籌。目前許多單位,尤其是井場等生產(chǎn)單元仍采用人工巡表、手工抄表、人力送表的數(shù)據(jù)上報(bào)機(jī)制。自動報(bào)表的生成,極大改善了操作人員到現(xiàn)場看表、抄表的現(xiàn)狀,很大程度的解放了勞動力。通過油田管控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)自動采集功能,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測、報(bào)表的自動生成與上報(bào)。以便操作人員投入更多精力在提高生產(chǎn)效率方面。
同時(shí)自動報(bào)表系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲、實(shí)時(shí)與歷史數(shù)據(jù)查詢以及數(shù)據(jù)趨勢曲線與比對功能,與紙質(zhì)的報(bào)表相比,更能準(zhǔn)確、快捷的體現(xiàn)生產(chǎn)情況。
作業(yè)區(qū)現(xiàn)場單井和站庫都安裝有高清攝像機(jī),通過隔離網(wǎng)閘與油田辦公網(wǎng)相連,油水井的各類參數(shù)通過WEB方式可以在辦公網(wǎng)內(nèi)瀏覽,為管理者決策提供了資源基礎(chǔ)。
油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)旨在利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),建立覆蓋全公司各類井場、站場和管道的規(guī)范統(tǒng)一的數(shù)字化生產(chǎn)管理平臺,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、生產(chǎn)預(yù)警,支持油氣生產(chǎn)優(yōu)化管理。通過對生產(chǎn)流程、管理流程、生產(chǎn)組織方式和組織機(jī)構(gòu)的優(yōu)化,促進(jìn)生產(chǎn)效率和管理水平的提升。
數(shù)字油田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)形成“井站一體、電子巡護(hù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能管理”的數(shù)字化油田開發(fā)管理模式。生產(chǎn)一線的井場和中小型站場實(shí)現(xiàn)無人值守,達(dá)到人員集中管理、運(yùn)行集中控制、數(shù)據(jù)集中處理的數(shù)字化管理模式,及時(shí)掌握生產(chǎn)運(yùn)行狀況,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作,勞動組織模式由分散趨于集中。
通過對單井效率和損耗進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì),對效率過低、損耗過高的單井及早采取措施,提升生產(chǎn)效率;通過對油井各類參數(shù)的變化規(guī)律,自動識別出油井間歇出油的規(guī)律,為間歇出油井的管理提供可靠依據(jù),實(shí)現(xiàn)精細(xì)化生產(chǎn);通過對生產(chǎn)情況、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)度跟蹤、生產(chǎn)趨勢、指標(biāo)對比、注水計(jì)劃和完成情況等生產(chǎn)動態(tài)進(jìn)行跟蹤,實(shí)時(shí)反映生產(chǎn)狀態(tài)變化,及時(shí)提供決策依據(jù)。
數(shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)井場上傳的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),分析各種參數(shù)的變化情況,及時(shí)對隱患進(jìn)行預(yù)警,事先介入維修,避免設(shè)備進(jìn)一步損壞造成的更大損失,及停產(chǎn)造成的產(chǎn)能損失。
數(shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將生產(chǎn)數(shù)據(jù)和報(bào)警實(shí)時(shí)上傳到作業(yè)區(qū)中控室,工作人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障警報(bào),并迅速通知維修部門,維修部門通過全面分析設(shè)備數(shù)據(jù),及時(shí)準(zhǔn)確地制定合理的維修方案,縮短了故障預(yù)警及設(shè)備維修時(shí)間,減少了設(shè)備停工時(shí)間,提升了單井產(chǎn)量。
在重要井場部署視頻監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn),一旦發(fā)現(xiàn)安全隱患立即采取措施;在重要卡口部署視頻監(jiān)控,可以實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)出作業(yè)區(qū)的車輛和人員,及時(shí)發(fā)現(xiàn)偷盜、破壞等行為,并及時(shí)制止、減少損失。
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Application of Oil and Gas Production of Things in Oilfield Production
ZHANG Jin-kuo
(Yumen Oilfield Information Center,Jiuquan 735019,China)
TP393
A
1009-3044(2017)24-0242-03
2017-07-10
張金闊(1985—),男,甘肅酒泉人,玉門油田信息中心助理工程師,學(xué)士,現(xiàn)從事玉門油田各作業(yè)區(qū)油水井?dāng)?shù)據(jù)采集建設(shè)、4G基站建設(shè)、安防視頻監(jiān)控建設(shè)及中石油A11項(xiàng)目建設(shè)及設(shè)備運(yùn)行維護(hù)工作。