采油摻水區域物聯自控技術優化研究

王雪冰，童慧芳（中國石油大學勝利學院，山東東營，257000）

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采油摻水區域物聯自控技術優化研究

王雪冰，童慧芳
（中國石油大學勝利學院，山東東營，257000）

摘 要：油田稠油井摻水是采油開發的重要工作。為解決人工控制的摻水精度差、效率低、成本高的問題，應用物聯網技術在油田前端開發裝配網關，對儀表設備進行信息采集，完成閥門步幅微調控制等；在遠程管理中心，研發集中控制平臺，對各個摻水計量站的流量計、壓力表和介質溫度等進行實時遠程數據采集與處理，實現了通過油井前端網關對油井摻水優化管理與自動化控制。本文所研究的項目對我國稠油井摻水時，控制水電浪費、增加油井采油產量等方面有積極作用。

關鍵詞：摻水自控；無線多跳網絡；物聯優化

引言

由于我國實際地質特點，在油田各類油井中稠油井所占有比例達到了30%，而通過熱采摻水工藝進行驅油的采油方式占比約80%。通過提高稠油井摻水自動化的生產能力，保證摻水生產合理使用，優化油井節能規劃，降低成本，節能減排，并對石油生產量提供有力支持，對油井摻水出油工作進行準確的管控已經迫在眉睫。

從現國內研究的情況看，油田行業缺少基于中小型油區物聯網技術的研發，油田主要采用PLC技術進行大型自控推廣。但隨著網絡應用技術發展，特別是物聯網技術的靈活性和低成本，對實現局部小油區的自控生產，有非常大的優勢［1-3］。在未來“數字化油田”的物聯網構建規劃中，本研究可以起到一定的示范參考作用。

1 基于無線多跳網絡的區域性自控物聯框架

利用傳統自控與網絡技術的結合，提升油田摻水工藝的數字化管控。前端采用嵌入式開發技術，對儀表、閥門和輸送泵進行聯動控制總體設計規劃，使管道壓力控制在合理的MPA區間，摻水介質流量根據單井要求靈活控制［4］。在通信鏈路中，可利用無線多跳網絡技術，應用無線通訊5.8GHz處理模塊完成無線路由算法，依據802.11n，在300Mbps帶寬上實現雙工通信；開發可擴展無線中繼鏈路帶寬算法，從而滿足油井摻水站多媒體信息傳輸的信道帶寬要求。管理應用平臺擬采用3D仿真技術，利用JAVA等語言開發數字化摻水流程，達到直觀、簡易的管控界面。應用優化結構示意如圖1所示。

圖1 摻水自控優化結構示意圖

（1）前端開發網關

利用嵌入式和TCP/IP網絡技術，解決工業協議的網絡通信，控制流量控制閥門、電動執行機構等部件；同時根據電磁流量計的波動反饋，微調閥門的開閉幅度，解決前端的自控需求。控制前移，實現了中心軟件管理平臺的遠程控制，保證了整個系統的安全應急級別。

（2）無線信道

根據油田油井分布位置，以及主次突出的特點，信息傳送采取多樣化。以3-5公里為界，進行無線多跳網絡通訊的功能性研究［5］，組網形式可以分成兩個步驟：一是以無線網橋的形式搭建無線網絡。其路由優化和自組網的能力較弱，只能實現固定通訊鏈路的數據傳輸，優勢是穩定的實現點對點的數據傳輸。二是在第一步的硬件基礎上，構建第二代WiFi為基礎的多跳網絡，進行路由優化、信道平衡、信道鏈路優化、自主安全管理等功能模塊研發。WiFi和無線多跳網絡可以相互補充、相互融合，實現多協議的傳輸組合，實現了靈活處理油井摻水節點的故障信道切換、帶寬合并等技術應用，解決了油田特殊環境的生產數據和多媒體的傳輸要求。

（3）基于B/S架構的3D管控平臺開發

利用JAVA語言的WEB開發技術，結合組態軟件、3D仿真的配套開發技術，實現遠程的管控平臺［6］。在實現儀表數據采集、臨界報警等功能基礎上，進行遠程的流量數值設定和輸送泵的聯動調節的功能提升研究，以及對壓力、溫度、流量等基礎數據的分析，形成關聯算法，進而提高了中心管控平臺的聯動及應急處理能力。中心管控系統平臺只對管道流量進行一次性數值輸入，其他環節系統自動干預，方便采油工的操作。

2 摻水中心管控平臺的優化研究

在前端，利用傳感器、應用網關、采集壓力表、電磁流量計等采集的實時數據為基礎，程序控制執行操作機構，有效觸動電動閥門，控制行程，形成對流量的實時控制。而中心摻水控制平臺研究包括：

（1）在提升采油礦數字化指揮管理的同時，以目前的摻水業務為基礎，分析、提煉出業務核心內容，并給其提供新的管理方法和模式，提升其管理水平；

（2）依靠標準數據庫，結合業務管理的實際需求，形成采油礦的摻水數據資料管理體系，這是非常重要的基礎工作；

（3）運用先進的軟件技術，開發出能夠切實滿足業務需要的軟件系統，也是摻水優化的技術關鍵；

（4）管控平臺總體架構：系統在設計過程中，一方面使用B/S開發體系，采用目前先進的三層結構，分別在數據層、功能邏輯層和表現層，結合油田的統一數據編制標準，進行數據庫、業務功能、WEB 界面設計，達到邏輯數據源和標準的統一。另一方面利用組態軟件的自控開發功能，對前端儀器、儀表數據采集，整合控制相關數據和信息，納入B/S開發體系，從而提高摻水應用系統平臺的靈活性和網絡性；

（5）管控軟件平臺主要技術：①物理層——信息系統的數據采集與傳輸層，是采油廠源點數據源，匯總到平臺形成摻水控制信息；②功能邏輯層——在業務數字平臺，通過標準數據庫及源數據的綜合運算，在應用服務器上有效調用摻水綜合管理功能模塊，從而實現摻水、報警、閥控、調度、泵控等處理功能和具體應用。③表現層——該門戶系統提供用戶驗證、應用定制、外部系統接口的功能。門戶系統通過對業務邏輯層的定制，為用戶定制三維的應用界面。

3 摻水物聯優化的技術應用思路

摻水控制物聯信息化是把前端摻水傳感器和各類執行機構作為信號源和指令操作對象，通過前端數據采集、信令轉換、傳輸，結合中心自控指令進行一級調控；同時利用無線多跳網絡進行TCP/IP協議傳輸，使中心與前端實現自控指令、圖像、視頻等信息交互，保證通過應用平臺對摻水數據整理、匯總、分析、處理的同時，形成對前端摻水執行設備的二級管控。

（1）前端可采用32位嵌入式應用型網關，實現本地化儀表與閥門之間的聯動微調，減輕對中心管理平臺的依賴，具有應急處理功能，提高系統的準確和高效性。 前端采集和執行機構的整合原理圖，如圖2所示。

圖2 前端采集原理圖

（2）無線通信鏈路的多跳網絡算法技術應用，提升信道帶寬。稠油井的信息占用帶寬主要有兩部分：一部分為應用網關與摻水管控服務器的雙工摻水數據流；另一部分為中心視頻服務平臺與前端攝像機的視頻采集分發的視頻流。其中應用網關與摻水管控服務器的雙工數據流基本維持在K數量級，依據100油井的摻水核算標準，單位時間的占用帶寬可以維持在5MBPS以內。而中心視頻服務平臺所需的帶寬可以根據一個平臺的滿負荷前端數量50%的視頻進行同時監看和并發規模進行規劃。在無線基站建設中，為了保證支持多頻段信道，防止干擾，最大限度的節省光纖鋪設或租用成本，邊緣型基站和主干線路基站的通訊信道可采用5.8GHz頻段設備。另外根據基站信號的傳播特性，以及圓極化天線相比傳統的線極化天線擁有更多的優良性能，如在惡劣天氣、移動環境、非視距等復雜環境下能提供更好的有效信號連接，因此作為無線多跳網絡中基礎通訊部分，增加功率增益設備，在無線通道中使用圓極化天線。由于大部分稠油井都分布在野外荒原中，為了更好地保證無線鏈路的帶寬通信安全，還需加強避雷、電源防雷和信號防雷的優化處理。

（3）中心管控平臺采用3D仿真技術對現場進行模擬，動態、實時地顯示前端各設備的生產工作狀況。以單個油井為統計單位，通過對摻水管路的瞬時流量、累計流量、動態壓力、水溫、油溫等進行數據采集；通過中心管控平臺的WEB操作界面，對摻水動態數據的進行二維和三維數字和模擬顯示，并可設定時間、數值邊界等各類條件，還可設置關鍵詞進行查詢、核算、匯總，還可輸出相應的日報表、月報表和年報表等。

總之，每個摻水油區管轄多個摻水站，中心管控平臺以摻水站為管理單位，設置操作編輯、查詢、修改以及刪除等功能，還要重點加強摻水預警、報警、歷史數據管理分析等多個模塊的研發。

4 結論

在采油區，研究區域物聯自控技術，主要基于“物聯網”技術，前端采用微處理器為中心，形成嵌入式、網關處理的一級自控；中間信道基于無線多跳網路技術；后臺利用JAVA和WEB管理開發體系，形成了二級自動管控的摻水管理系統，解決了傳統的PLC自控技術在采油摻水區域運行成本高、靈活性低、邏輯固化、難推廣等問題。本優化方案對油田的其他中小區域自控網絡化建設提供了應用參考示范。

參考文獻

［1］ 彭力.基于案例的物聯網導論.北京：化學工業出版社，2012.

［2］ 石志國，王志良，丁大偉.物聯網技術與應用.北京：清華大學出版社，2012.

［3］ 詹青龍，劉建卿.物聯網工程導論.北京：清華大學出版社，2012.

［4］ 尹紅衛，周寵.采油工程生產運行管理系統［J］.數字化工，2005（09）.

［5］ 邵惠鶴.工業過程高級控制.上海：上海交通大學出版社，1997.

［6］ 侯志林.過程控制與自動化儀表.北京：機械工業出版社，2000.

Oil Water Area “WuLian” Optimization of Automatic Control Technology

Xuebing Wang， Huifang Tong
（Victory College， China University of Petroleum， Dongying， Shandong， 257000， China）

Abstract：Oil wells of water is an important oil production development.In order to solve the problem manually controlled watering poor accuracy， low efficiency， high cost， the internet of things and other technology should be applied.In the oil field devlopment of front-end assembly gateway， completed information collection，the valve stride fine-tuning control.In the remote management center， researched and found centralized control platform， remote real-time data acquisition and processing of various watered metering station， the pressure gauge and the temperature of the medium.This research project has a positive effect on heavy oil control of China's hydropower waste and increases the oil extraction yield.

Key words：Water Control； Multi Hop Wireless Networks； Joint Optimization

中圖分類號：TE 19

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8412 （2016） 02-164-04

DOI：工業技術創新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.014

作者簡介：

王雪冰，工程碩士，副教授，現為中國石油大學勝利學院教師，于1997年畢業于北京師范大學電子信息專業，主要擔任了《軟件模式設計及應用》、《網絡規劃與組建》等專業應用類課程和《微機原理與接口技術》、《數據結構》等專業基礎類課程。現為工信部中國信息化推進聯盟“應急容災專業委員會”專家委員、山東大學東營研究院“信號與信息處理”領域特聘專家，天津大學碩士生校外指導教師。

E-mail： bbxxww2002@163.com