周若男

摘要：當前油田采油設(shè)備遠程監(jiān)控在油田生產(chǎn)管理中沒有設(shè)計物與物的感知體系，導(dǎo)致采油設(shè)備生產(chǎn)信息遠程監(jiān)控的成本大幅度提高，在此背景下提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田采油設(shè)備遠程監(jiān)控方法。在物聯(lián)網(wǎng)采油設(shè)備生產(chǎn)信息遠程監(jiān)控架構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)精準監(jiān)控采油設(shè)備實時生產(chǎn)動態(tài)和原油的液面高低變化，并進行全天候的現(xiàn)場信息采集，最后通過WEB人機交互集中管理油田，實現(xiàn)油田數(shù)字化。通過對比實驗的數(shù)據(jù)得知，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田采油設(shè)備遠程監(jiān)控的方法相比較于天行實時數(shù)據(jù)云平臺監(jiān)控方法和基于LoRa通信的遠程監(jiān)控方法，超幀開銷小，傳輸?shù)拇螖?shù)少，減弱了所耗費的成本，因此適用于油田采油設(shè)備遠程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；油田；采油設(shè)備；遠程監(jiān)控；監(jiān)控方法

一、前言

由于油田采油設(shè)備所處的環(huán)境大多處于十分惡劣的天氣條件下，雖然采油裝置的應(yīng)用已經(jīng)具備無人值守的效果，但是仍然需要有工作人員在現(xiàn)場值班確保裝置安全穩(wěn)定地運行，因此需要對油田采油設(shè)備進行遠程監(jiān)控，這也成為當前油田企業(yè)需要解決的首要問題[1]。湯姆[2]等人利用于Erlang的并發(fā)特性構(gòu)建實時數(shù)據(jù)云平臺，通過數(shù)據(jù)采集的方式確保數(shù)據(jù)流計算算力，提高數(shù)據(jù)實時傳輸效果。結(jié)合DATimsien數(shù)據(jù)訂閱，提高事件報警自動化處理效果，確保油田生產(chǎn)安全性。但是該方法未進行數(shù)據(jù)處理耗時方面的測試，在提高油田故障報警處理速率方面有待驗證。張玉杰[3]等人通過LoRa組網(wǎng)通信的方式完成油田遠距離數(shù)據(jù)自動處理，利用TDMA劃分數(shù)據(jù)傳輸區(qū)域，降低網(wǎng)關(guān)節(jié)點功耗，提升節(jié)點的抗干擾能力，實現(xiàn)油田數(shù)據(jù)低速率傳輸。但該方法在大規(guī)模復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸能力需要進一步提升，其計算的算力有待進一步驗證。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過無線網(wǎng)絡(luò)的融合將數(shù)據(jù)信息進行有效整合，以信息交流和信息共享的方式，完成物與物、物與人之間的連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的分批次智能化處理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息傳輸與共享，在能夠?qū)崿F(xiàn)油田企業(yè)生產(chǎn)過程中大部分采油設(shè)備的遠程監(jiān)控?；诖?，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計一種適用于油田采油設(shè)備遠程監(jiān)控的方法。

二、基于物聯(lián)網(wǎng)的采油設(shè)備生產(chǎn)信息遠程監(jiān)控架構(gòu)

生產(chǎn)信息是整個油田采油設(shè)備監(jiān)管體系的開端，采油設(shè)備監(jiān)控負責收集和傳輸現(xiàn)場采油設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。主要完成油田采油偏遠油井作業(yè)區(qū)域中的采油設(shè)備生產(chǎn)信息沖程、沖程、負荷、動態(tài)液面深度值、套管壓力值、消耗量以及原油液位產(chǎn)量的監(jiān)控[4]。物聯(lián)網(wǎng)具有監(jiān)控、掃描、遠程處理等優(yōu)勢，所以利用物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建遠程監(jiān)控架構(gòu)可以有效提高采油設(shè)備生產(chǎn)信息遠程監(jiān)控效果。物聯(lián)網(wǎng)采油設(shè)備生產(chǎn)信息遠程監(jiān)控基本架構(gòu)共分為三層，分別為應(yīng)用層，傳輸層以及感知層。基本架構(gòu)如圖1所示。

其中應(yīng)用層作為頂層結(jié)構(gòu)，負責人機交互和儲存管理采集到的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)應(yīng)用效果。通過云計算優(yōu)化油田采油節(jié)點數(shù)據(jù)信息處理，在云端中完成數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)理解等提高解析服務(wù)效能，利用數(shù)據(jù)庫落實WEB服務(wù)。傳輸層負責將采集到的數(shù)據(jù)進行加密和分包，從而進一步傳輸進應(yīng)用層內(nèi)，完成數(shù)據(jù)交換。在移動通信網(wǎng)絡(luò)中落實數(shù)據(jù)和控制信息的雙向傳送，通過計算機網(wǎng)絡(luò)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的融合改善感知信息傳輸環(huán)境。感知層是物與物互聯(lián)的基礎(chǔ)，基于物聯(lián)網(wǎng)的采油設(shè)備的生產(chǎn)監(jiān)控主要是利用傳感設(shè)備和通信技術(shù)監(jiān)控生產(chǎn)井的生產(chǎn)動態(tài)，并完成生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)的收集及實時上傳。通過RFID標簽提升采油數(shù)據(jù)信息采集速率，利用傳感器節(jié)點協(xié)同感知油田周圍環(huán)境和自身采油狀態(tài)，延伸數(shù)據(jù)信息采集。以GPS定位為基礎(chǔ)對采集到的采油數(shù)據(jù)進行初步判別，方便采油管理人員隨時登錄服務(wù)器查詢[5]。

三、油田采油設(shè)備監(jiān)控方法

（一）采油設(shè)備液位裝置設(shè)計

以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的油田采油設(shè)備生產(chǎn)監(jiān)控管理，按照物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本構(gòu)架共分三層：第一層感知層，主要是從采油設(shè)備現(xiàn)場的各類傳感設(shè)備和儀表，對生產(chǎn)井生產(chǎn)狀況進行實時監(jiān)控。原油的液位監(jiān)控優(yōu)先選取潛力井，油井進行分類并篩選出根據(jù)油田的開發(fā)特點，通過分析采集層的單井生產(chǎn)數(shù)據(jù)與油田整體生產(chǎn)數(shù)據(jù)的關(guān)系，就能夠得到具體單井的生產(chǎn)狀態(tài)的好壞[6]。假設(shè)油井數(shù)量為 n，連續(xù)比較時間為m個月，通常為12個月，則單井產(chǎn)油量和產(chǎn)水量累計偏離油田的平均值分別為：

式中：為第口井個月的產(chǎn)油累計偏差（或非均質(zhì)）系數(shù)；為第口井個月的產(chǎn)水累計偏差（或非均質(zhì)）系數(shù)。為油井序號（ =1，2，3，n ）；為累計時間變量，單位為月。為油井生產(chǎn)時間（=1，2，3，），單位為月。為第口井第月的產(chǎn)油量，單位為m3/d。為第口井第月的產(chǎn)水量，單位為m3/d。為第月油田平均單井產(chǎn)油量，單位為m3/d；為第月油田平均單井產(chǎn)水量，單位為m3/d。

監(jiān)控潛力井的產(chǎn)油量、產(chǎn)水量均低于油田平均值，具有較大的開發(fā)潛力，在此基礎(chǔ)上收集生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)如產(chǎn)油量、消耗量、鉆機運行功率等。第二層是網(wǎng)絡(luò)層是信息傳遞層，可以針對不同的環(huán)境自由選擇組網(wǎng)方式，依靠核心網(wǎng)進行傳輸，以便完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的快速回傳、控制指令的實時傳輸?shù)?。第三層為?yīng)用層，應(yīng)用層主要是對現(xiàn)場傳輸回來的各種信息做功能展示，以及存儲至服務(wù)器內(nèi)，方便采油廠管理中心對生產(chǎn)井現(xiàn)狀進行診斷，并對相應(yīng)問題提出決策[7]。遠程監(jiān)控的設(shè)計方案，實時監(jiān)控和集中管理，利用現(xiàn)場終端集成獲取液位傳感器信號和變頻器工作參數(shù)，進而實現(xiàn)對采油機器運行液位變化的監(jiān)控。

（二）原油井生產(chǎn)管理

原油井生產(chǎn)管理動態(tài)同屏顯示多種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可以將設(shè)備信息與采油井狀態(tài)相結(jié)合，在操作界面處自動形成生產(chǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)由服務(wù)器上傳至生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫，以日期為單位進行整合儲存。儲存的油井動態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以滿足隨時查詢的條件，方便對整體生產(chǎn)過程的管理。對于重點信息如原油消耗量、設(shè)備故障燈、原油產(chǎn)量等信息，需要在首頁以醒目的方式做提醒。并將廠內(nèi)偏遠井的產(chǎn)量采用統(tǒng)一的標準和規(guī)范的報告和圖表，生產(chǎn)管理系統(tǒng)可以通過油井的生產(chǎn)趨勢進行相關(guān)分析曲線，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的管理和報警管理，并可以進行時間預(yù)測。

在油井生產(chǎn)管理中的管理顧名思義，是通過從罐內(nèi)余量反推消耗量的計算。生產(chǎn)管理是通過監(jiān)測儲油罐液面，來計算油井日產(chǎn)量，以完成生產(chǎn)管理。警報管理功能主要是預(yù)警儲油罐液面過高以及液面過低這兩個問題?？紤]到偏遠井的地理位置等特點，需設(shè)置儲油罐上限預(yù)警和下限預(yù)警兩種，當上限報警燈亮起時，表明原油罐已滿，促使油井管理人員計劃分派運油卡車，將原油及時運至卸貨站。當下限報警燈亮起時，表明油罐內(nèi)儲存量不足，如果不添加，發(fā)動機將出現(xiàn)停工的情況。數(shù)據(jù)查詢功能主要由服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫配合完成，通過日積月累搜集了生產(chǎn)井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將其保存在服務(wù)器中，以便日后進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析對比。目前油田實時生產(chǎn)井間抽法則，要挑選部分井實現(xiàn)間抽生產(chǎn)的狀態(tài)，通過日常數(shù)據(jù)的測量，也可以計算出油井需要關(guān)閉和開啟的實際時間。油田的管理人員利用管理平臺為偏遠井制定合理的開關(guān)時間計劃，減少偏遠井的浪費，確保高效率開采。

（三）采油設(shè)備現(xiàn)場圖像及視頻監(jiān)控

油田采油設(shè)備現(xiàn)場圖像視頻監(jiān)控分為定時拍攝和手動抓拍。根據(jù)目前已有的壓縮編碼技術(shù)進行設(shè)計，在此基礎(chǔ)上還增加了很多新的編碼設(shè)計思想，極大地提升了編碼的壓縮處理效率、增強了編碼算法的靈活性和可靠性，從而使得該編碼技術(shù)能夠更好地適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。傳輸關(guān)鍵油田采油設(shè)備圖像的關(guān)鍵信息幀的序列，為關(guān)鍵信息的健壯性和高效性提供了保障，大大地減少了實時傳輸?shù)亩说蕉搜訒r。因為視頻文件是通過分組的形式進行傳送，所以接收端發(fā)送的數(shù)據(jù)流往往存在延時和混亂。所以若要進行流式傳送，一定要從減少時延和整合數(shù)據(jù)流開始[8]。為減少時延，在視頻文件的源頭對所傳送數(shù)據(jù)進行了預(yù)處理，包括壓縮視頻內(nèi)容和高效壓縮等。數(shù)據(jù)采集程序借助無線通信裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可以對作業(yè)現(xiàn)場提取到的生產(chǎn)信息和圖像信息進行統(tǒng)一的上傳和暫存，視頻文件上傳至無線傳輸設(shè)備后需要經(jīng)過協(xié)議解析，解析完成后即可上傳至服務(wù)器內(nèi)，具體的數(shù)據(jù)采集程序如下圖2所示。

通過全天候的視頻圖像采集，可以形成偏遠油井生產(chǎn)動態(tài)的完整數(shù)據(jù)。受地理位置，天氣等因素的影響導(dǎo)致現(xiàn)場信號強度不高，故需要使用最低分辨率的視頻錄制，并且在斷網(wǎng)后可以支持斷點傳輸功能。同時，視頻采集器需要有闖入拍攝的功能，當有人闖入進入監(jiān)視范圍時，視頻設(shè)備應(yīng)自動拍攝并記錄回傳至油田監(jiān)管中心；在監(jiān)控管理中心，生產(chǎn)管理人員可以遠程發(fā)布快照指令，以實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場的強大監(jiān)控。

四、基于WEB的采油數(shù)據(jù)發(fā)布

WEB是實現(xiàn)人機交互的最好途徑，通過使用專用網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)設(shè)定的用戶名密碼，監(jiān)控中心的管理人員可以隨時隨地通過計算機來訪問這些油井生產(chǎn)信息監(jiān)控平臺的狀況[9]。通過WEB，他們也可以直接遠程對生產(chǎn)井進行操作，是偏遠井生產(chǎn)管理平臺中重要的一環(huán)。

WEB對每個遠程測控節(jié)點的無線信息采集遠程控制[10]，運行可能會受到共存無線電設(shè)備的無意干擾或攻擊的問題，提出了一種新的接收器，該接收器能夠在存在持續(xù)干擾攻擊的情況下解碼其所需信號。使用優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效地緩解了未知干擾。

綜上所述，油田采油設(shè)備現(xiàn)場的監(jiān)控畫面實時回傳，可實現(xiàn)對現(xiàn)場的視頻監(jiān)管操作，監(jiān)控不僅可以實時展示這些信息，也會將這些視頻信息儲存在特定的數(shù)據(jù)庫中，這些數(shù)據(jù)庫支持斷點傳輸，以便日后進行視頻數(shù)據(jù)訪問。應(yīng)用程序接口實現(xiàn)多種編程軟件做的間抽預(yù)測程序，程序通過操作平臺實現(xiàn)對生產(chǎn)井狀態(tài)的監(jiān)控和管理。使用WEB發(fā)布，通過互聯(lián)網(wǎng)，這套監(jiān)控設(shè)備可以在采油廠內(nèi)任何一臺電腦上打開。只要通過服務(wù)器的保密驗證，即可訪問遠程油田的生產(chǎn)監(jiān)控。由此完成采油數(shù)據(jù)信息及時發(fā)布，結(jié)合上述的油田采油設(shè)備監(jiān)控方法實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田采油設(shè)備遠程監(jiān)控方法。

（一）對比實驗

為了驗證基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田采油設(shè)備遠程監(jiān)控方法的有效性，選取了文獻[2]提出的天行實時數(shù)據(jù)云平臺對采油設(shè)備生產(chǎn)的監(jiān)控和文獻[3]提出的LoRa通信監(jiān)控的兩種方法進行對比實驗，測試油田現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的超幀開銷。超幀開銷與傳輸次數(shù)相關(guān)，傳輸次數(shù)少，超幀開銷少，所耗費的生產(chǎn)成本也少。因此哪種方法下的超幀開銷少，證明哪種方法更適合油田采油設(shè)備的遠程監(jiān)控。

（二）實驗準備

油田監(jiān)控主要由紅外高清網(wǎng)絡(luò)攝像機、以太網(wǎng)交換機以及前端設(shè)備電源電涌保護器組成，可以將拍攝數(shù)據(jù)傳至服務(wù)器進行處理，實現(xiàn)遠程智能監(jiān)控。監(jiān)控設(shè)備參數(shù)油田生產(chǎn)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)通過一系列傳感器（壓力、溫度、濕度、電流電壓等）、攝像頭進行數(shù)據(jù)采集，并將實時數(shù)據(jù)回傳，實現(xiàn)油田生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備數(shù)據(jù)參數(shù)可以被工作人員隨時隨地查看。本次研究中經(jīng)常使用同種通信協(xié)議，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)使用一般化設(shè)計，使用 TCP/IP串行端口以及無線WI-FI 傳輸。田井場關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)視無線通信需求分析，傳感器之間的距離一般在100m范圍內(nèi)，多井集聯(lián)控制器之間的距離一般在150m范圍內(nèi)，多井集聯(lián)控制器與中心控制室之間的距離一般在 2-3km范圍內(nèi)。

（三）實驗結(jié)果

下面分別對本文方法、文獻[2]和文獻[3]中的訪問現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的方法進行超幀開銷分析。使用的超幀開銷越大，傳輸?shù)拇螖?shù)越多，所耗費的成本也隨之增加。在文獻[2]中，通常情況下時隙資源只有2個，用于數(shù)據(jù)讀取的只有1個時隙，訪問現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)需要2個超幀。現(xiàn)場設(shè)備每次傳輸400個字節(jié)，每次需要傳輸7次，即訪問現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)需要7個超幀。文獻[3]中，手持與現(xiàn)場設(shè)備建立連接后，手持可直接訪問現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)。手持發(fā)送連接請求需要一個超幀，網(wǎng)絡(luò)管理者返回請求需要一個超幀，訪問現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)需要一個超幀，即手持訪問一個現(xiàn)場設(shè)備需要3個超幀，則訪問4個現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)需要12個超幀。本文方法、文獻[2]和文獻[3]超幀開銷如表1所示：

測試結(jié)果表明，本文方法下使用的超幀開銷小，傳輸?shù)拇螖?shù)少，所耗費的成本也就大幅度降低。這是因為本文方法以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建了采油設(shè)備生產(chǎn)信息遠程監(jiān)控架構(gòu)，通過感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層之間的協(xié)同，提高了油田采油數(shù)據(jù)信息采集和處理效能，進而降低了超幀開銷。因此結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的超幀開銷數(shù)據(jù)，證明本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田采油設(shè)備遠程監(jiān)控方法優(yōu)于文獻[2]和文獻[3]所采用的方法。

五、結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的采油設(shè)備遠程監(jiān)控油田采油設(shè)備生產(chǎn)監(jiān)控能解決當前采油面對的油井生產(chǎn)管理問題，能夠?qū)崿F(xiàn)油田間互聯(lián)以及生產(chǎn)信息實時采集、共享、歸納和管理。通過對各油田的生產(chǎn)動態(tài)信息的分享和保存，從一定程度上解決了偏遠油田分散、難管理、信息閉塞、互不連通的局面。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推進了采油數(shù)字化建設(shè)，生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)控為下一步采油風險勘探提供了足夠的數(shù)據(jù)支撐。H

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