物聯網技術在石油行業中的探索與應用

高 倩

（遼河石油勘探局有限公司信息工程分公司，遼寧 盤錦 124010）

物聯網技術(Internet of Things）的含義是指世界萬物互聯互通的數據信息網絡系統，是指廣大人民群眾借助數據信息傳感裝置，使用射頻辨別科技方法、無線網絡通信技術、人工智能AI技術和自動控制技術等措施把世間萬物和互聯網聯系起來，達成智慧化辨別、位置確定、方位追蹤、視頻圖像監控及管理的系統。現階段，根據礦井、庫站等油氣田開采作業現場的參數信息收集、開采過程把控、數據信息結構改進、管理過程決定等凸顯關鍵，把物聯網相關科技、通信技術及數據信息科技相結合的油氣田開采物聯網體系在智能辨別、參數信息結合、參數信息使用等層面起到至關重要的作用，油氣田開采過程應用物聯網技術是油氣田數據信息化工程進步的必然發展方向。因為其具備非常廣闊的使用前景，所以各個石油開采相關單位正在強化物聯網相關技術應用方面的研發力度。油氣田開采物聯網體系即根據物聯網相關科技，完成油氣田礦井區域、裝置運行情況、計量室、處理廠開采參數信息、集輸室及綜合處理室集中管控。組建油氣田場站標準參數信息管控系統，提升油氣田開采工作的準確性。

油氣田開采過程物聯網系統牽涉油氣開采全產業鏈條，制造工藝復雜，包含油氣礦井的生產過程管控、加水站、加氣站、油氣開采站及綜合服務站等業務范疇。油氣田開采物聯網技術主要功能有：完成開采過程參數信息自動化收集、遠距離監控、開采過程出現問題報警，支撐油氣田開采進程管控，最大限度地提升油氣田開采作業的準確程度和時效性；提升開采過程管控效果，減少生產成本及安全隱患；建立規范的數據管理和物聯網建設、管理技術體系；借助信息技術和工業工程的結合，油氣田開采物聯網體系提升了開采進程中所有技術環節的自動化水平，提高了開采作業管控的工作效率，確保了開采過程的連續、平穩及高效運行。通過油氣生產物聯網建設，實現了對傳統油氣生產方式的優化創新，為油氣生產業務精細化管理提供保障。

傳統的油氣日常生產井站管理,到整個企業人員管理，直至跨地區尤其敏感地區的安全管理等環節存在一些問題，具體體現在以下幾個方面：

（1）員工老齡化嚴重，企業機構冗余陳舊。采油廠員工年齡梯度不平衡，隨著員工自然減員、勞務輸出，近幾年操作工人自然遞減較快，沒有人員補充，已經面臨一線操作崗位員工的嚴重短缺。因此，需要通過物聯網工程建設，進一步推進油田生產管理模式創新，力爭做到“增井、增站、不增人”的目標。近些年來，由于石油行業不景氣，為了增產增效，各大石油企業都在推進組織扁平化管理，推行采油廠-作業區兩級管理模式，取消中心站（基層隊）管理層級，因此必須借助物聯網的建設推動組織結構的調整。

（2）開采方式轉變帶來的生產效率低下。隨著油田各采油廠產量降低和開采方式的轉變，計量接轉站、聯合站各環節運行負荷低、不平衡問題比較突出。為提升運行效率、簡化工藝流程，規劃實施大量地面集輸工藝優化項目，單人管井數、單人巡檢路線大大提升，同時工藝的改變對工藝參數的自動采集和控制提出更高的要求，急需建立數字化、物聯網化管控平臺。

（3）敏感地區生產安全不能保障。由于石油行業所處領域多毗鄰農田，屬環境敏感區域，管道運行多年泄漏嚴重，環保壓力大。隨著國家、集團公司對環保要求日趨嚴格，應及時發現油田生產跑、冒、滴、漏，使操作人員能夠及時采取措施，避免出現原油損失和環境污染。

尤其是油田地質條件多樣，開采工藝復雜，生產過程高溫高壓，現行的生產管理模式對員工的責任心和熟練程度依賴性高，員工工作量多、勞動強度大，生產安全風險高；各采油廠油區現場分布點多面廣，油田上下班行車安全、現場員工生活保障等方面也面臨一定困難。

數字油田是為了解決油田老齡化、推進企業扁平化管理、提高生產效率等一系列問題而提出的最新概念，是指油田企業在生產、管理過程中，運用物聯網技術、傳感器技術實現油田的信息化、平臺化管理。在油田的運行過程中，通過傳感器采集的各類信息，經過無線傳輸匯聚到云端，在云計算服務幫助下，幫助油田高效、穩定運轉。

上述基于物聯網的果蔬運輸系統的應用，能夠促進果蔬在運輸過程中的透明管理，使得整個系統可視化程度更高，可以減少新鮮果蔬在運輸過程中的損失，保證應有的社會效益和經濟效益。

數字油田是廣大油田企業今后進一步發展的方向，可以保證持續發展，并且一直保持強有力的競爭力，油田的發展勢必需要高智能趨勢的物聯網技術手段。數字油田的概念如圖1所示。

在油氣田物聯網建立和完善的過程中，數字油田需要在油井、轉接站、注水站、配水間等位置得到一些數據，且通常是一些電流數據，一線員工需要實時掌握罐內的液位、流量、可燃氣體體積分數等相關的信息。所有的傳感器都通過無線傳輸方式（ZigBee/LoRa）傳輸至數據采集傳輸終端（RTU或PLC），由RTU或PLC傳輸至生產基地服務器。整個無線采集傳輸系統采集的參數包括：載荷、位移、壓力、溫度、電參量、流量等。其中采集系統包括：遠程終端單元（RTU或PLC）、無線壓力傳感器、無線溫度傳感器、無線流量計等。油井口傳感采集如圖2所示。

圖2 油井口傳感采集示意圖

目前很多石油化工開采單位已制定了相關裝置離線檢查、系統設備抽檢及在線監測評估體系，即為物聯網技術在裝備鏈管控中的初步應用。應用離線檢查、設備抽檢及在線監測評估、精確科研儀器等裝置及措施，可以即時了解相關裝置工作的情況，盡量實現預先判斷維修的目標。根據傳感裝置網絡的油氣田開采物聯網系統框架如圖3所示。

圖3 油氣田開采物聯網系統框架

參數信息收集和現場監控分支體系：

通常是使用射頻及傳感等相關科技，探測油氣田的開采過程數據信息，搭建涵蓋油氣田整個開采過程精確安全及平穩的油氣田物聯網收集和現場監控分支體系。達成收集參數信息完備精確、開采進程把控及時準確、生產管控行之有效及系統操控安全穩定的目的。

參數信息收集和現場監控分支體系依據各類油氣田礦藏種類、各類油氣田不同的開采技術要求，使用不同的傳感裝置或者變頻裝置及圖像監控裝置完成開采作業參數信息及現場工作情況的即時收集，與此同時接收控制指揮中心傳輸的操作指令完成有關裝置的自動化操控。在數據采集與監控子系統的建設方案中，在保持技術先進性的前提下，充分依托已建設施和系統，優先考慮國產化、低功耗的儀表、控制器、組態軟件等，確保從技術方案源頭降低整體建設費用。

針對單井、計量室、轉接室、加注室、綜合處理室等制造部門，挑選制造過程中關鍵的工藝技術要求，經過針對智能儀器、氣動/電子傳動機構、遠距離監控模塊等裝置的安裝，完成制造過程的相關參數信息收集及監控工作。

參數信息傳輸分支系統：

按照各油田公司的網絡規劃和要求，建設與完善數據傳輸系統，站庫間借助線纜進行數據傳輸，以光纖參數信息傳輸為主要模式，礦井及遠距離數據庫借助無線網絡進行相關數據信息傳送，實現生產數據、視頻圖像、控制指令的統一承載，滿足生產數據傳輸、應用業務隔離、用戶訪問可控等安全要求。

生產管理子系統：

生產管理子系統提供生產過程監測、生產分析與工況診斷、物聯網設備管理、視頻監測、報表管理、數據管理、輔助分析與決策支持、系統管理、運維管理功能。

物聯網技術在油氣田企業中的應用將會越來越廣。目前，物聯網技術在石油企業日常生產中已經得到一些成功經驗，長慶油田、大慶的慶新油田、青海油田、大港油田等都進行了相關技術的研究。

在油田的物聯網化建設過程中離不開無線模塊尤其是ZigBee和LoRa的數據傳輸。兩種傳輸方式的選取需要結合石油企業自身的條件來考慮。

LoRa技術的優勢：

（1）LoRa網絡組建傳輸單元內部使用直接傳輸技術要求，相當于在各個單元之間創建了無線的傳輸通道。用戶能夠在不了解內部復雜的相關無線網絡傳輸技術要求的情況下，迅速完成組建網絡，顯著減少了項目裝備成本和作業的困難程度。

（2）LoRa網絡組建傳輸單元一般出廠內置自組網透明傳輸協議。并且用戶可以根據實際的應用需求，使用LoRaWAN協議、LinkWAN協議或CLAA協議等。用戶可以直接進行使用，最大限度地降低開發周期。

（3）LoRa網絡組建傳輸單元具有完備的進入網絡、退出網絡、通道規劃、節點把控及白目錄等作用，還能夠使網絡組建進程簡化成一鍵式操控，使用戶在搭建相關網絡時非常方便且快捷。

（4）在自行組件的網絡模式下，LoRa組網透傳模塊可自動判斷現場的信道使用情況，選擇空閑、干凈、可靠的信道進行組網通信，有效避免同頻段干擾。

ZigBee技術以ZM33系列模塊特點如下：

（1）ZM33系列高性能ZigBee模塊在不加PA的情況下就可以達到20分貝毫瓦的額定功率，搭配-98分貝毫瓦的靈敏度值，能夠給出大于3.35千米的信號通信傳輸間距，在穿墻能力和鄰道抑制性能上也有顯著提升。

（2）ZM33型式高品質ZigBee單元具備優良的網絡組建功能，能夠一鍵完成Mash網絡的自動組建過程，最大支持205點的非輪詢Mash網絡組建，110臺裝置自動組建網絡用時小于105秒。

（3）ZM33型式ZigBee單元可以支持三類通信模式：短距離地址通信、能夠修改MEC地址通訊及確定參數幀率的某個環節作為地址通信，三類通信模式能夠借助AT發出的指令進行動態化模式切換。

（4）ZM33型式ZigBee單元支持ARS125通信保密及新裝置登錄保密，使用非常規裝置由空中拾取也不能讀取相關參數信息，確保參數信息安全、平穩及高效傳輸。

由于物聯網技術在石油行業應用的探索已經開始，各大石油企業都在努力建設物聯網，伴隨著物聯網相關技術的持續熟練使用，今后將會有更加先進的科學技術手段及探索成果在油氣開采相關單位得到合理的使用。