油氣生產物聯網系統建設分析

李兵元 李愷 吳斌 丁煜暉

[摘? ? 要] 分析了某油氣生產能源集團公司（簡稱A集團公司）油氣生產物聯網系統建設的現狀，討論了物聯網系統的作用和建設規劃，并就油氣生產物聯網系統的未來的發展愿景進行了分析。

[關鍵詞] 油氣生產;物聯網;現狀;規劃;展望

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 03. 042

[中圖分類號] TP311? ? [文獻標識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2020）03- 0102- 04

1? ? ? 油氣生產物聯網架構

“油氣生產物聯網系統”就是利用物聯網技術，實現油氣田井區、計量間、集輸站、聯合站、處理廠生產數據、設備狀態信息在采油采氣廠生產指揮中心及生產控制中心集中管理和控制的系統。物聯網網絡架構由感知層、網絡層和應用層組成。系統架構圖如圖1所示。

感知層實現對物理世界的智能感知識別、信息采集處理和自動控制，并通過通信模塊將物理實體連接到網絡層和應用層。

網絡層主要實現信息的傳遞、路由器和控制，包括延伸網、接入網和核心網，網絡層可依托公眾電信網和互聯網，也可以實現依托行業專用通信資源。

應用層包括應用基礎設施/中間件和各種物聯網應用。應用基礎設施/中間件為物聯網應用提供信息處理、計算等通用基礎服務設施、能力及資源調用接口，以此為基礎實現物聯網在眾多領域的各種應用。

2? ? ? 物聯網建設現狀

A集團公司下轄十數家油氣田生產企業，油氣生產企業主要是通過產能建設中配套、集團公司集中建設和自籌資金這幾種方式來進行物聯網系統建設。通過多年的建設，物聯網系統建設在減少一線用工需求、節能降耗和提高生產時率等方面效果顯著，也創造了良好的經濟效益，其中更是有多家油氣田公司實現了油氣生產物聯網系統全覆蓋。下面將從幾個方面分析物聯網系統建設的現狀。

2.1? ?生產現場監控系統

這是應用層中的重要組成部分，提供物聯網信息的處理、顯示和控制并為其他應用提供基礎數據。這一系統是成熟的獨立的軟件系統，在A集團公司有多種軟件在現場使用，主要包括：國外公司GE公司iFIX組態軟件、霍尼韋爾SCAN 3000和DCISYSTEM SIX組態軟件等，國內的三維力控公司的eForceCon組態軟件和組態王等。

2.2? ?傳輸網絡

油田礦權區域里地形復雜，沙漠沙丘起伏，雅丹地形溝壑縱橫，戈壁平坦一望無際，山區隔山向望;網絡技術幾十年來發展迅速，迅速演化;不同的年代有不同的需求，油氣田公司根據這些因素，選擇最適宜的網絡架構，”有線+無線，長距離+短距離”。

長距離數據傳輸：大數量、高速度、高帶寬、費用高昂，主要是光纖網絡。

短距離數據傳輸：布設便捷、使用靈活、易于擴展、經濟節約，主要有數傳電臺、ZigBee、4G、WIFI和網橋，同事還有正在普及的有LORAWAN和NB-IOT，以及5G等。

2.3? ?信息安全

國家對涉及網絡安全的單位強制要求進行保護，等級保護制度已經提升到了法律層面，按照等保2.0的規定，油田的工業控制網絡按照等保全三級進行保護。按照國家的法規和標準，大部分采油氣廠尚未建成完整和獨立的油氣生產網絡。

2.4? 運維現狀

總體來看，油氣生產物聯網的運維管理工作主要還是自行選擇外部運維隊伍對本單位的系統進行維護。許多油田企業還沒有建立統一和高效的運維體系。

2.5? 環境、安全現狀

油氣田企業擁有數量眾多的稀油、稠油和天然氣井，開發條件多樣，開采工藝復雜，生產過程中面臨著高溫高壓和有毒氣體的風險，還存在跑冒滴漏的風險。

大部分的油區工作現場距市區生活基地有著較遠的距離，上下班需要送班，存在行車安全，運行費用高昂，現場員工生活保障也很有難度。

很多油區分布在農業生產區和牧場草原中，有很大的綜治難度和環境污染風險。

2.6? 應用系統現狀

從2009年起，新疆油田就開始了智能油田的建設，油氣生產物聯網、單井診斷與優化等多個項目已獲得應用，并取得良好應用效果、創造經濟效益。目前正在開展產量變動分析和預測系統 、智能倉儲信息系統的建設以及智能油田平臺開發和大數據分析應用工作。

2.7? 人員現狀

按照油公司改革和三項制度改革，人數將有大幅的人員減少，人均管井數將大幅上升。

2.8? 生產管理模式

管理模式一：部分采油氣廠的生產作業區實現了“遠程監控、按需巡檢、中小站場無人值守”的生產運行模式和“監控中心—現場班組”的兩級生產管理模式。

管理模式二：大部分采油氣廠的生產作業區以人工巡檢為主、員工手工抄錄數據和“采油氣廠—采油氣站隊—現場班組”的三級生產管理模式。

2.9? 物聯網的覆蓋率不足，且建設成本高昂

在油氣開發程度處于后期的油氣企業，油井眾多，產量很低，總體物聯網建設程度較低;由于油氣水井和站場數量巨大，A集團公司的油氣生產物聯網系統建設總費用巨大。

3? ? ? 物聯網作用分析

油氣生產物聯網在油氣生產企業的生產和管理中起到了很好的作用，物聯網技術也已經滲透到了勘探、開發與生產的各個環節中。在勘探與評價、開發工作中、生產過程中都有大量的應用，將推進油田信息化的轉型，實現數字油田到智能油田的飛躍。

物聯網的作用主要體現在以下幾個方面。

3.1? 改變生產運行模式

油氣水井：“定時巡檢、現場抄表”轉變為“遠程監控、按需巡檢”;

中小型站場：“駐點值守”轉變為“無人值守”;

大型站場：“多人值守”轉變為“少人值守”;

生產現場：“事后人工排障”轉變為“提前預測”。

3.2? 生產運行模式的轉變促進生產管理模式轉變

大量一線工人后撤集中;

生產流程優化和再造，多種崗位整合，班組結構發生變化;

三級生產管理模式向“監控中心—現場班組”的兩級生產管理模式轉變。

3.3? 生產管理模式的轉變促進人力資源配置優化

管理層級壓縮，三級生產管理模式向“監控中心—現場班組”生產管理模式轉變，對經營管理也提出新的要求;

生產流程優化、再造、多種崗位整合及班組結構變化，對專業技術隊伍有很強的需求。

以上的變化會造成人員需求下降，崗位的整合和班組結構的變化，對操作技能隊伍就提出新的需求，技能要求提高，需要一專多能，多專多能。這些新的需求的產生，正好契合了油公司模式和三支隊伍的崗位序列的改革的需要，能夠有力的推進經營管理、專業技術、操作技能三支隊伍崗位體系建設。

3.4? 促進組織機構體系創新改革

通過生產運行模式的轉變、生產管理模式轉型、人力資源配置優化，從而奠定了組織機構體系創新改革的基礎，建立“新型油氣田作業區”，逐步實現管理層次控制在兩級，為A集團公司深化人事勞動分配制度（“三項制度”）改革起到促進作用，為集團公司推進“油公司”模式打下堅實基礎。

4? ? ? 物聯網建設規劃

A集團公司根據油氣生產物聯網系統的現狀和作用，提出了深入推進數字化、可視化、自動化、智能化發展，實現生產運行從人工值守向人機結合和無人值守轉變;對老油氣田采用低成本的物聯網技術和設備開展物聯網建設，在若干年的時間內分期分批實現油氣生產物聯網全覆蓋的戰略規劃。

同時，按照戰略規劃，做好頂層設計，實現A集團公司的物聯網數據統一接入，采用統一的技術平臺，基于統一的技術構建通用應用，采用集中監控指揮調度系統，建成生產監控與調度中心、應急指揮中心和信息集成與展示中心。

5? ? ? 物聯網研究方向

油氣生產物聯網系統需要在多方面進行研究以降低建設成本和拓展物聯網數據的應用。

5.1? 減少現場設備配置及數量，降低設備采購成本

溫壓一體變送器：兩個傳感器集成為一個傳感器，降低了傳感器的費用。

三合一智能RTU：集合RTU、4G通訊、電參三種設備功能為一體。

5.2? 數據透傳技術研究（減少RTU、CPE/網橋）

LORAWAN和NB-IOT都可以實現無線儀表數據通過網關透傳至集中監控平臺。在監控平臺端配置儀表，無須現場操作，組網靈活，運維簡單，取消RTU、CPE/網橋，簡化傳輸鏈路，降低單井建設成本。

5.3? 新型數據采集設備

新型無源無線傳感技術：以聲表面波核心技術為基礎，通過自主芯片的研究與設計，開發針對油田生產數據的新型無線無源采集系統。

自主控制技術中繼網關：研究具備自主控制技術能力的智能網關，網關智能自主判斷、自主控制和優化鏈路資源。

5.4? 巡檢機器人研究

利用巡檢機器人替代人工完成大中型站場巡檢中遇到的急、難、險、重和重復性工作。

5.5? 三維場站和數字孿生

利用新型的真三維數據分析平臺，構建可視化工廠，融合海量的繁雜、冗余、零散的數據，實現決策效率和準確度的大幅度提升。

數字孿生技術：對油機井油氣舉升系統，井口采油樹，計量及運輸管道，各種閥門及增壓泵，三相分離、脫水、凈化等工藝流程，進行三維建模和數據采集，實現數字孿生。

5.6? 電網監測

通過研究配網搶修中快速研判故障的方法對于能夠快速準確定位各種故障問題，節省人力物力，縮短故障的停電時間。

6? ? ? 油氣生產物聯網展望

目前，A集團公司油氣生產物聯網系統建設情況如下：

（1）最好的油氣田生產單位整體實現設備聯網、數據采集→數據接收、數據存儲、云平臺→數據處理;

（2）中等的油氣田生產單位整體實現設備聯網、數據采集→數據接收、數據存儲、云平臺;

（3）較差的油氣田生產單位，部分采油廠有物聯網系統，整體來看還差得較遠。

由此可以看出，還處在物聯網系統的早期階段，物聯網的建設還有較長的路要走。

中期規劃，在未來的七八年的時間內，A集團公司將在油氣生產物聯網方面做好以下工作。

（1）實現油氣生產物聯網系統全覆蓋。集團公司的油氣田生產企業全部實現油氣生產物聯網系統有效覆蓋：滿足要求的油氣水井數字化，中小型站場無人值守，大型站場少人值守;生產運行模式從“定時巡檢”變成“故障巡檢 ”。

生產管理流程扁平化：生產管理中心？圮現場班組，采油廠一線員工數量明顯減少，工作效率有明顯提高。

（2）實現設備管理和資產管理。開始從傳感器實時采集設備及站場獲得的溫度、壓力、流量、振動等海量數據中，通過挖掘分析、處理、應用，創造新的價值。故障預測、遠程診斷、生產流程優化、能耗優化等諸多方面開始有了初步的應用成果。

遠期愿景，在前面的物聯網系統的建設基礎上，更精細地控制生產模式，更進一步針對生產過程的每個環節獲得更細致的能見度，更好地優化生產周期，優化能源分配，結合AI技術、VR技術等新進的技術基本實現智能化和可視化的油田，借此促進生產、銷售等不同環節和部門員工之間的密切合作，全面提升整體效率。

開始將數據用于預測性分析指導企業行動。利用數據驅動管理的各個層次業務的流程改善，分析生產什么樣的產品和提供什么樣的服務可能帶來怎樣的收入，什么樣的物聯網應用能開拓新的市場。

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