采油廠多場景物聯網關鍵技術研究

吳軍 王金和 黃寅 邵妍婷 文建國

[摘? ? 要] 近年來，油田生產現場的數據采集、過程控制、參數優化等凸現重要，將自動化技術、通信技術、信息技術、視頻技術融合的物聯網系統在智能識別、數據融合、數據應用等方面發揮越來越大的作用。為促進油田兩化深度融合，提升油氣生產管理水平，物聯網系統技術發展和建設應用日新月異。本文主要以新疆油田公司采油二廠為例，介紹物聯網技術研究與應用實現。

[關鍵詞] 油氣生產;自動化;物聯網;采集傳輸

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 17. 029

[中圖分類號] F270.7;TP315? ? [文獻標識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2019）17- 0071- 03

1? ? ? 引? ? 言

物聯網（Internet of Things）是指：通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網包括應用層、網絡層和感知層三個層面，全面感知、可靠傳遞、智能處理是物聯網的三大重要特征。

物聯網技術在采油廠生產中的應用，主要是利用物聯網技術，實現對采油廠油氣水井、計量間、轉油站、處理站等各類生產對象進行全面感知，實現生產數據自動采集和控制、油氣田生產運行監控和管理，進而提高生產操作單元的自動化水平，進一步提高油氣田生產決策的及時性和準確性。

2? ? ? 采油廠生產業務現狀分析

目前采油廠油氣生產流程主要包括油氣舉升、產量計量、油氣集輸、油氣水處理、注入措施5部分。如圖1所示。

（1）油氣舉升：采取各種物理和化學手段把原油、天然氣從地底采集到地面的過程。采油廠采出的氣主要以采油過程中產生的伴生氣為主。

（2）產量計量：從井口采出的原油天然氣量是反映單井和地層的重要參數，也反映了舉升設備的能力，同時也是油、氣井生產的結果。

（3）油氣集輸：從井中采出的原油天然氣進行集中輸送到處理站。

（4）油氣水處理：從井中采出的原油含有水、天然氣、砂、蠟、硫等各類物質，因此需要對其物質分離處理。

（5）注入措施：主要是把水、蒸汽、聚合物、微生物用泵加壓后注入地層。

3? ? ? 關鍵技術研究與應用

3.1? ?油水井物聯網智能識別技術

物聯網傳感設備通過無線通訊模塊，變送器設備在初始化完成后，執行網絡掃描，尋找附近的無線RTU，通過變送器與RTU之間以層次化為中心的MESH網絡，選擇其中信號最強的一個作為主中繼設備，在有數據傳輸時，以DATA-ACK握手方式保證數據的傳輸，支持數據暫存與重傳。若主RTU失效或無法通信，則變送器設備選擇向其備選的運行狀態正常、網絡信號較好的RTU發起網絡加入與數據通信。

將物聯網特征技術——RFID射頻電子標簽應用于現場變送器接口模塊，完成現場變送器的身份標識。采用無源RFID標簽，設計RFID編碼庫，完成RFID標簽的編碼，采用128bit編碼機制，可標記2的128次方個設備。實現物聯網設備身份標識，設備再更換或新增時，無須在組態軟件中重新設定對應變送器的參數。如圖2所示。

3.2? ?4G網絡超級小區技術

采油二廠數據傳輸采用自建的4G網絡，井站數據采集點具有站點密集、分布范圍大、并發上行數量多的特點。通過TD-LTE網絡超級小區技術，實現了高密度基站覆蓋區域的網絡傳輸優化，通過4G網絡超級小區技術，將單基站下多個扇區RRU合并。采用超級小區技術、定向傳輸技術，優化網絡部署，解決大規模4G 網絡集中、交叉重疊部署應用，導致的網絡頻譜、信號互相干擾，數據上線率低的技術難題，實現并發單基站扇區并發400口井上行點的效果，有效提高大數據量傳輸穩定性。如圖3所示。

3.3? ?多井集聯技術

在非叢式井的條件，多口油井共用一個RTU的組網模式。建立高效的多井集聯（一對多）組網模式，針對相對集中的井在有效通訊區域內設置主從井，RTU和通訊模塊只需加在主井上，從井無須安裝，優于傳統的單井模式。充分發揮RTU強大的運算、存儲、控制、無線通信能力，保證了數據采集、控制的可靠性。大大減少了現場施工量，節省設備數量及經濟成本。3 073口油水井，節省628個RTU和CPE。

多井通信模式：無線傳感器設備→井口控制單元（井口路由單元）→多井集聯中繼器（RTU）→中心控制室的數據流為多井集聯通信模式。如圖4所示。

3.4? ?低功耗無線傳感組網技術

為了保證無線傳感設備長期穩定運行，要盡量降低系統的功耗，要求硬件采用低功耗芯片、周期休眠等技術，嵌入式操作系統也進行低功耗設計。

器件低功耗：選擇CPU、Flash、低頻和射頻放大器、無線收發、射頻開關等低功耗器件，從基礎上降低功耗上限。通信低功耗：使用高精度時間同步算法，提高時隙對齊程度，實現更短的時隙及更高程度的休眠，有效增加休眠時間，可降低終端功耗。軟件低功耗：把嵌入式操作系統設計成多個事件處理。系統上電初始化時，主程序只進行系統的初始化，完成后進入低功耗狀態。當外設發生事件，產生中斷信號，CPU退出節電狀態進入事件處理，處理完成后繼續進入節電狀態，降低CPU功耗。

3.5? ?移動APP技術

通過目前先進的移動APP技術，結合GPS、網絡通信、地理信息GIS平臺等關鍵技術，研究建立了采油二廠油區GPS巡檢系統，覆蓋16個計量站，1 200口單井。通過手持終端設備實現單井巡檢數據實時采集、上傳、入庫，并研發與中石油集團公司統建A2系統的數據接口，實現數據自動提取A2系統。同時系統還實現員工巡檢路線實時記錄、及時掌握工作狀態。對自動化系統未覆蓋的油水井，提供經濟有效的數據采集、巡檢技術手段，減少紙質記錄的謄抄和重復錄入工作量，為生產和人員的管理工作提供科學有效的手段。

4? ? ? 結? ? 語

通過自動控制、計算機網絡、數據整合、數據共享交換、視頻監控等物聯網先進技術技術，不追求單臺設備的高水平建設，以系統整體的最佳匹配為標準，對井場、站場關鍵設備進行建設，同時集成、整合現有的綜合資源，創新技術和管理理念，建立全油田統一的生產管理、綜合研究的物聯網系統是物聯網技術發展和應用趨勢。

物聯網系統建設，是對傳統油氣生產的一次深刻革命。重點是面向生產一線，井、站（庫）等基本生產單元的過程管理是物聯網系統建設的重心，是智能油田建設和生產運行管理模式變革的基礎。推行油氣田物聯網建設，實現油氣田智能化管理，是節省投資、降低成本、優化用工、提高勞動生產率、提質增效的有效手段。

主要參考文獻

[1]陳濤，劉景泰，邴志剛.無線傳感網絡研究與運用綜述[J].自動化與儀表，2005（z1）：46-51.