李兵元

[摘? ? 要] 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，國內(nèi)大型油氣生產(chǎn)集團都在大力開展油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)，并且取得顯著的效果和良好的經(jīng)濟效益。但同時也存在著明顯的問題，那就是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)費用巨大，成本高昂，如何降低其建設(shè)成本具有重要的意義。本文從油田中數(shù)量最多的抽油井出發(fā)，分析抽油機物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從減少傳感器和采用適宜的傳輸技術(shù)等方面，提出了降低其物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)和維護成本的方法。

[關(guān)鍵詞] 物聯(lián)網(wǎng);抽油機井;成本

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 21. 038

[中圖分類號] TP315? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2019）21- 0098- 03

0? ? ?引? ? 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是近些年新興的信息技術(shù)，在油田的生產(chǎn)管理中起到了重要的作用，提高了工作效率，優(yōu)化了勞動組織結(jié)構(gòu)，減少了一線用工量，為油田生產(chǎn)的精細(xì)化管理提供了手段，達(dá)到“增產(chǎn)、增效、不增員，節(jié)能、節(jié)約、降成本”的目的。

國內(nèi)的大型石油公司高度重視油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，提出了要深入推進(jìn)數(shù)字化、可視化、自動化、智能化發(fā)展，實現(xiàn)生產(chǎn)運行從人工值守向人機結(jié)合和無人值守轉(zhuǎn)變，要實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變，就需要建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。在大型石油司里，擁有眾多的油氣田，各種油水井?dāng)?shù)量巨大，從幾萬口到幾十萬口，還擁有眾多的配水間、轉(zhuǎn)油站和油氣處理站等大中小型站場，整個系統(tǒng)建設(shè)費用巨大，動輒需要數(shù)億元，甚至幾十億元，后期的維護費用也非常龐大，如何降低物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)和維護費用就非常有意義。

經(jīng)過統(tǒng)計，在油田的油井、氣井和水井中，抽油機井包括稀油抽油機井和稠油生產(chǎn)井（也是抽油機井），在油田的總井?dāng)?shù)中占了80%以上，是油田的生產(chǎn)主力，其物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)費用在整個費用占了很大的比重，如何降低這三類井的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成本成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)研究的重要方向。

1? ? ? 抽油機井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成

主要組成單元：遠(yuǎn)程控制單元（RTU），載荷傳感器（示功儀），油壓變送器，套壓變送器，溫度變送器，攝像頭。傳感器數(shù)據(jù)傳輸有兩種方式：有線或無線（ZigBee、4G、LoRaWAN或BN-IOT等）。如圖1所示。

數(shù)據(jù)上傳方式：有線傳輸（光纜）或者無線傳輸（網(wǎng)橋、WIFI、4G、LoRaWAN或BN-IOT等）。

主要實現(xiàn)功能：遠(yuǎn)程電子巡井，遠(yuǎn)程操控實現(xiàn)不正常井及時發(fā)現(xiàn)，節(jié)能優(yōu)化輔助判斷。

抽油機井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)成本主要由傳感器和數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)兩部分部分構(gòu)成，只要能降低這兩部分的成本就可以有效地降低抽油機井的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成本，進(jìn)而達(dá)到降低油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)成本。

2? ? ? 降低成本的方法分析

2.1? ?數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)選擇

兩種方式：自建網(wǎng)絡(luò)和公用網(wǎng)絡(luò)（電信運營商網(wǎng)絡(luò)）。

自建網(wǎng)絡(luò)：①國內(nèi)油田的油區(qū)有很多都位于沙漠、戈壁或高原，人煙稀少，沒有社會依托，只能自行建設(shè)。②電信運營商網(wǎng)絡(luò)無法滿足油區(qū)內(nèi)大數(shù)量、高并發(fā)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。③數(shù)據(jù)保密和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全的需要。自建網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難度大，但可控性好，能夠滿足數(shù)據(jù)保密和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全的需要，但建設(shè)成本高，運行和維護成本高。

電信運營商網(wǎng)絡(luò)：在有社會網(wǎng)絡(luò)環(huán)境依托條件下的油區(qū)，可以采用。租用運營商成熟穩(wěn)定覆蓋面廣的傳輸網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)資金中基本沒有網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費用，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)可以集中在前端采集方面，同時建設(shè)難度隨之降低，同時降低傳輸網(wǎng)絡(luò)運維費用和維護人員數(shù)量。

在今后的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中，在保障安全的基礎(chǔ)上，大量采用電信運營商網(wǎng)絡(luò)是必然的趨勢。

2.2? ?減少傳感器數(shù)量

2.2.1? ?合理選擇采集參數(shù)

隨著油田開發(fā)階段不同，生產(chǎn)井的工況也不同，采集參數(shù)選擇也有區(qū)別。每個油田按照地質(zhì)條件、區(qū)塊、開采方式合理選擇采集參數(shù)，降低傳感器數(shù)量，也就降低了建設(shè)成本，同時也降低了后期運行維護費用。例如，現(xiàn)在很多油田都實現(xiàn)了井口常溫輸送，就可以不采集井口的出液溫度，減少溫度傳感器。

2.2.2? ?制定合理的采集周期

目前各個油田前端采集數(shù)據(jù)的采集周期按照生產(chǎn)要求和現(xiàn)場工況制定，通常設(shè)定為溫度和壓力每三分鐘采集一次，功圖數(shù)據(jù)每30分鐘采集一次。國內(nèi)的油田很多處于開發(fā)后期，含水很高，但單井工況很穩(wěn)定，只要仔細(xì)地研究和分析，完全可以進(jìn)一步優(yōu)化采集周期，比如：溫度和壓力每10分鐘或者15分鐘采集一次。對于無線儀表來說，降低采集頻次意味著延長電池的使用壽命。電池在物聯(lián)網(wǎng)運維中占有一定的工作量和更換費用，同時，也影響現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，制定合理的采集頻次可以延長儀表的在用時間，也避免重復(fù)提取數(shù)據(jù)。

2.2.3? ?傳感器集成

電參模塊+抽油機啟停模塊：將啟停模塊和電參模塊進(jìn)行集成，在施工費、材料費減少的同時，也能滿足監(jiān)控油井狀態(tài)。

溫度+壓力傳感器：溫壓一體傳感器，一個傳感器實現(xiàn)兩個傳感器的功能。

監(jiān)控功能前移：傳感器的高低限值通常是有生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)，現(xiàn)在，也可以直接在傳感器的電路中實現(xiàn)，如：設(shè)定溫度的上下限，溫度波動在上下限內(nèi)，就不上傳數(shù)據(jù)，這樣就可以大大減少數(shù)據(jù)的上傳，有利于降低無線傳感器的功耗，延長電池的使用壽命，從而降低維護成本。

這樣的技術(shù)在單井的使用，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功能，減少了傳感器的數(shù)量，明顯降低了建設(shè)成本。

2.2.4? ?電工圖解算功圖

電參數(shù)作為抽油機井的基本運行參數(shù)，是數(shù)字化的必裝傳感器，具有采集成本低、數(shù)據(jù)采集頻率高及數(shù)據(jù)穩(wěn)定等特點。采用人工智能技術(shù)對海量的電參數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析和挖掘，可以解算出抽油機井的示功圖，通過不斷的學(xué)習(xí)，可以實現(xiàn)電參解算出的示功圖精度，達(dá)到示功儀的精度，滿足判斷抽油機井泵工作是否正常、判斷抽油機是否平衡及工況診斷等生產(chǎn)應(yīng)用的要求。

此項技術(shù)已經(jīng)研究了很多年，目前已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。在油田上目前已經(jīng)開始試點，此技術(shù)的使用可以大量減少示功儀的安裝使用，能夠顯著降低抽油機井的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成本。

2.2.5? ?網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)結(jié)合傳感器技術(shù)

結(jié)合無線傳感器技術(shù)和無線傳輸技術(shù)，傳感器數(shù)據(jù)不經(jīng)過RTU，直接透傳到無線網(wǎng)關(guān)。這種方法就取消了RTU，是一個費用較高的設(shè)備，沒有了它，就可以有效地降低抽油機井的單井造價。這種技術(shù)已經(jīng)在油田得到了應(yīng)用。主要由兩種方式：NB-IOT和LORAWAN技術(shù)。

NB-IOT網(wǎng)絡(luò)由電信運營商負(fù)責(zé)建設(shè)，具有如下特點：

（1）強鏈接：在同一基站的情況下，NB-IOT可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)。一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

（2）覆蓋廣。NB-IOT室內(nèi)、地下室覆蓋能力強，相比LTE提升20dB增益，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力。不僅可以滿足農(nóng)村這樣的廣覆蓋需求，對于廠區(qū)、地下車庫、井蓋這類對深度覆蓋有要求的應(yīng)用同樣適用。以井蓋監(jiān)測為例，過去GPRS的方式需要伸出一根天線，容易被來往車輛損壞，而NB-I0T只要部署得當(dāng)，就可以很好地解決這一難題。眾山科技在智能井蓋監(jiān)測方面為多個城市提供設(shè)備和解決方案。

（3）低功耗。低功耗特點是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用一項重要指標(biāo)要求，特別是對于一些不能經(jīng)常更換電池的設(shè)備及場合，比如安置于高山荒野偏遠(yuǎn)地區(qū)中的各類傳感監(jiān)測設(shè)備和電力電壓監(jiān)測設(shè)備，它們不可能像智能手機一天一充電，因此長達(dá)幾年的電池使用壽命是最本質(zhì)的需求。NB-IOT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，因此NB-IOT設(shè)備功耗可以做到非常小，設(shè)備續(xù)航工作時間可以從過去的幾個月大幅提升到幾年。

（4）低成本。NB-IOT不需要重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都是復(fù)用的。以中國移動為例子，900MHz里面有一個比較寬的頻帶，只需要清出來一部分2G的頻段，就可以直接進(jìn)行LTE和NB-IOT的同時部署。低速率、低功耗、低帶寬同樣給NB-IOT芯片以及模塊帶來低成本優(yōu)勢。

圖2是NB-IOT的結(jié)構(gòu)圖，從圖中看到相對于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)方式，網(wǎng)絡(luò)部署減少了所有中間環(huán)節(jié)，成本低、可靠性高，低功耗保證了電池使用壽命，運營商網(wǎng)絡(luò)支撐保證終端實時在線。

LoRaWAN技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)具有和NB-IOT類似的優(yōu)點，不同之處在于，國內(nèi)主要由企業(yè)自己組網(wǎng)和維護。其架構(gòu)圖如圖3所示。

相對于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)方式，減少了RTU（CPE，基站等），成本低、可靠性高，低功耗保證了電池使用壽命，有效地降低了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)和維護成本。

3? ? ? 結(jié)? ? 語

綜合以上的分析可以得出，通過多種方法是可以有效地降低抽油機井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)成本，并且在未來還有繼續(xù)改進(jìn)的余地，隨著新的傳輸技術(shù)和新的傳感器技術(shù)的發(fā)展和發(fā)明，還可以進(jìn)一步降低成本。

主要參考文獻(xiàn)

[1][作者不詳]Semtech發(fā)布基于LoRaWAN的解決方案加速器以簡化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[J].電子測量技術(shù)，2019，42（6）：93.

[2]戴博，袁弋非，余嬡芳.窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）標(biāo)準(zhǔn)與關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2016.

[3]李彤，李博，常成，等.LoRaWAN協(xié)議分析及安全性研究現(xiàn)狀[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2018，18（11）：21-25.