基于物聯網的地熱系統管控技術研究與應用

王天宇 睢文強 張曉軍 王進修 高忠獻 馬麗娟

1華北油田公司工程技術研究院

2華北油田公司第四采油廠

3青海油田采油四廠

4河北華北油田友信勘探開發服務有限公司

冀中坳陷有效地熱資源豐富，品質優良，其中迷霧山資源量3×1012GJ（折標煤1 024×108t），館陶組資源量2.3×1012GJ（折標煤785×108t）[1-2]。華北油田大力發展地熱新能源產業，積極探索地熱井開采技術，實現地熱分區利用，燃氣調峰，多能互補，智能管控，應用物聯網技術，建立完善的地熱管控系統。同時借鑒油氣田開發經驗，實現地熱資源低成本科學開采與利用，促進地熱產業合理快速發展[3]。

1 系統結構設計

地熱管控技術實現了地熱系統全面感知、自動操控、預測趨勢、優化決策，推進以物聯網系統為核心的生產管理新模式全面深化應用[4]。該技術可優化生產管理模式，降低一線用工總量，推進以物聯網系統為核心的生產管理新模式；加強生產過程監控，掌握生產變化規律，實現節能降耗；輔助生產科學決策，降低生產運行成本，提高油田綜合效益；結合各油田開發階段和采集需求，建立低成本運作模式，保證建設效益最大化[5-7]。地熱井的地面監測與管控系統（圖1）由計量設備、站控終端、智慧供熱中心與用戶信息終端四部分組成。

圖1 地熱井的地面監測與管控系統Fig.1 Ground monitoring and control system for geothermal wells

（1）計量設備。主要分為現場儀表和用戶儀表兩個方面：現場儀表主要進行采集地熱井基礎數據，例如壓力、流量、溫度等；用戶儀表進行用戶熱能消耗以及電量消耗記錄，為地熱管控系統提供實時的基礎數據支持。

（2）站控終端。主要包括生產站控系統和用戶數據采集系統，其主要作用是對現場數據進行處理，包括數據解析、數據矯正、數據打印與現場數據本地存儲。同時，站控終端設備通過4G 無線技術和無線網橋技術實現生產數據和用戶數據的實時上傳。

（3）智慧供熱中心。納入智慧城市的統一智能監測，包括智能生產管控系統和用戶信息管理系統，向上與城市云數據中心通信，向下發布生產調度指令。生產數據和用戶數據由智慧供熱中心實現精準分析調節，集中存儲。數據交互移動化、實時化，實現信息遠程發送，第一時間預警。

（4）用戶信息終端。包括PC 端、移動端等設備，用戶可實時查詢個人用熱信息，實時在線繳費。

2 系統功能設計

2.1 智能生產管控系統

掌握地熱井實時生產運行狀態，需要對地熱井溫度、壓力、流量等生產數據連續監測[8]，智能生產管控系統通過地熱井動態監測站實現生產井、回灌井參數實時監測，動態分析及評價，主要包括控水及控熱構造、地熱井及熱儲幾何參數、熱儲物理及流體性質、熱儲滲透性和存儲流體能力的參數和回灌試驗測定等地熱井基礎數據，掌握熱儲全生命周期動態變化趨勢[9]，指導制定采灌策略（圖2）。

圖2 智能生產管控系統結構圖Fig.2 Structure diagram of the intelligent production control system

如圖3 所示，智能生產管控系統實時統計分析末端用戶耗熱情況，實現供熱負荷調節、多井智能協同工作，通過將實時生產數據與用戶數據相結合，應用數據源大數據分析技術，合理分配生產井數量和單井開采量，實現潛水泵調頻，使每口地熱井處于最佳負荷率，降低采水能耗。

圖3 系統末端用戶耗熱情況分析圖Fig.3 Analysis diagram of heat consumption of system terminal users

2.2 用戶管理信息系統

用戶管理信息系統實現用戶耗熱數據實時上傳至智慧供熱中心，并通過GPRS 和4G 等通信方式實現數據上傳至城市云數據中心，從而進行大數據分析。互聯網和手機APP 可實時查詢個人用熱信息，（圖4），同時可以通過用戶管理信息系統實時在線繳費。

圖4 熱量月度消耗曲線圖和熱量日消耗曲線圖Fig.4 Curve of monthly calorie consumption and curve of daily calorie consumption

3 系統應用

目前，華北油田已初步建成地熱資源評價與開發利用體系，潛山地熱開發進入全面推廣應用階段[10]，累計新建地熱供暖四項（石油新城一期、渤海職院、華隆礦區、華苑礦區），供暖面積120×104m2。正建地熱供暖兩項（萬錦新城和蠡縣北部），供暖面積100×104m2。

地熱管控系統實現開采井、回灌井、閥組、熱泵機組、中間循環泵、板換器等井站平臺的生產數據采集、故障診斷與（預）報警、應急處置以及部分生產流程的遠程控制功能，實現對涉及的生產對象基礎數據和歷史數據查詢和實時監測功能，并實現智慧供熱中心的數據分析與應用。

4 總論

地熱系統管控技術結合物聯網技術，通過生產數據管控、用戶數據管控，對現場數據進行實時監測、實時存儲、實時分析與處理，實現了對地熱系統的精密管控，大數據分析以及遠程監測控制。物聯網技術在地熱能源中的應用亟待進一步挖掘與應用，地熱智能管控系統是地熱數字化建設過程中所邁出的重要一步。