大慶油田地面工程數字化建設方案優化探索

曹萬巖

（大慶油田工程有限公司）

0 引言

大慶油田1960年投入開發，歷經60年，建成了國內規模最大的整裝開發油田。當今世界正處于工業化向信息化邁進的大變革時期，信息技術的迅猛發展正在帶來深刻的革命性的變化?！笆濉逼陂g，大慶油田制定發布了《大慶油田振興發展綱要》，描繪了今后一個時期的發展藍圖，提出了建設智慧油田的構想，這既是根據形勢變化作出的戰略部署，更是建設百年油田的迫切需要。

近年來，大慶油田逐步加大數字化建設力度，按照試點先行、規模推廣、持續優化、深化應用的建設路線推進數字化建設。但是，由于油田開發年限較長，開發方式及采出液處理工藝復雜，井、間、站場建設周期跨度大且數量多，面臨的生產成本壓力大，數字化應用程度仍處于較低水平。為了緊跟互聯網大數據時代的前進步伐，早日建成數字油田、智能油田、智慧油田，急需加快油田數字化建設步伐，推進建設進程。因此大慶油田大力推進數字化建設示范工程，通過優化數字化建設方案，固化數字化建設模式，為大規模推廣數字化建設積累經驗。

1 數字化建設思路

根據“加強頂層設計、突出問題導向、聚焦產業升級、追求質量效益”的數字化建設總體工作要求，確定了地面工程數字化建設思路，即：優化調整與篩選排查相結合，精簡實施對象；試點先行，綜合比選，優化實施方案；管理模式轉型再造，提高管理水平。

1.1 優化調整與篩選排查相結合，精簡實施對象

開展數字化建設首先需要進行地面系統優化調整。針對部分區域和系統運行負荷率低的問題，結合開發安排對原油集輸、配制注入、供水及水處理等系統運行情況進行適應性分析，通過“核減、合并、降級”及“三優一簡”（“地上地下”一體化優化，總體布局優化，系統能力優化，應用簡化技術成果），實施站場合并、規模縮減、功能降級等優化措施，避免站場的后續擴改建造成數字化建設的浪費。同時，降低地面系統運行能耗、提高地面系統運行負荷率，為建設高效益、低能耗數字化油田創造條件。

全面調查區域內建設對象現狀，對已實施數字化建設的井、站以及不具備實施數字化建設的井、站進行排查后，確定數字化建設對象。

1.2 試點先行，綜合比選，優化實施方案

通過開展示范工程，優化實施方案，為后續大規模推廣積累經驗。如，龍虎泡油田在數字化建設中，對于無電源注水井井場配電方式，根據用電負荷情況及油水井布置情況，通過對太陽能發電、風能發電、風光互補發電、周邊油井井場接引供電等4種供電方式的綜合比選，最終確定采用周邊油井井場接引供電的方式為注水井供電。

1.3 管理模式轉型再造，提高管理水平

在對地面系統實施數字化建設的同時，需要同步實施管理模式轉型再造。搭建管理責任清晰、崗位設置科學合理、員工隊伍優化配置的組織架構體系，確定數字化建設的數據流（生產數據上傳流向）和控制流（生產管控流程）?；鶎诱娟爩崿F值守和巡檢專業化；技術保障實現開發分析與管理專業化；生產保障實現檢維修專業化；優化勞動組織結構，優化一線用工量，實現精益生產，提高管理水平。

2 數字化建設方案優化措施

油氣田地面工程的數字化建設，就是利用物聯網技術，建設數據采集與監控子系統、數據傳輸子系統、生產管理子系統，實現油氣田井區、計量間、集輸站、聯合站、處理廠的生產數據和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[1]。數字化建設方案作為推進數字化建設的切入點和著力點，在滿足業務需求、深化實踐應用的同時，因地制宜、因時制宜、因需制宜地對實施方案進行優化，對數字化建設至關重要。

自2018年開始，大慶油田先后開展了海拉爾油田、龍虎泡油田、采油五廠數字化建設示范工程建設，綜合技術、投資、成本、效益及政策等多重因素進行優選，通過“三優選，三優化”措施，優化數字化建設方案。

2.1 優選井、間數據采集通信技術

對于油水井，計量間，閥組間等井、間的數字化建設，需在井場和間內增加壓力變送器、溫度變送器等儀表設備進行相關生產運行數據采集。現場儀表信號傳送至控制設備的方式有電纜傳輸及無線信號傳輸兩種。根據相關規范的要求，同時考慮到現場施工及井口作業的方便性，現場儀表以無線傳輸方式為主。

通過對井、間設置的現場無線儀表應用技術進行對比后，優選WIA-PA技術（一種面向工業過程自動化的工業無線網絡標準技術）和Zigbee技術（一種應用于短距離和低速率下的無線通信技術）作為現場無線儀表采集技術。這兩種技術均為采用 2.4 GHz頻段的無線網絡通信協議，在現場儀表內嵌入相應Zigbee或WIA-PA通信模塊，通過無線電磁波可以實現數據上傳。

2.2 優選井場采集設備

對油井井場數據進行儀表功能整合，實現一表多能。應用智能電參數采集器，將電參數采集、抽油機啟停功能、RTU（遠程終端單元）集成于一體。

對于叢式井場，同一平臺區域內有多口油水井時，選擇一口油井作為平臺主井，設置RTU，其他從井將采集信號上傳至主井RTU統一處理，簡化從井采集設備。

2.3 優選無線傳輸方案

考慮到油水井場、小型站場數量多，且分布在大中型站場周圍，通信業務單一，通信速率需求較低。建設光纜線路投資較高、施工難度大，而無線通信具有投資低、施工簡便、部署靈活等優勢。因此，油水井場、小型站場通信采用無線傳輸方式。

無線傳輸技術分為自建無線專網和利用4G（第4代移動通信技術）公網兩種方式。利用4G公網具有充分利用公共資源，不需建設投資的優勢，因此海拉爾油田示范工程采用了 4G公網傳輸方式。但為了確保數據安全，井、間前端數據在進入生產網之前需經過兩次安全認證，其數據流向為：井、間→運營商核心交換機→DMZ（隔離區）→生產網絡→作業區管理中心，數據鏈路較長。

考慮到自建專網的數據流向是自下而上的，即井、間→站→作業區生產管理中心，流向合理，安全性高。因此，在龍虎泡油田示范工程中，井、間數據傳輸采用了WIA-PA/FA技術（WIA-PA是基于IEEE 802.15.4標準的用于工業過程測量、監視與控制的無線通信網絡協議，WIA-FA是基于 IEEE 802.11物理層開發的無線通信標準）。采用WIA-PA/FA工業無線組網技術，可實現MESH（無線網格網絡）組網，具有高可靠、低延時、安全可控的特點。WIA-PA/FA組網具備2.4G/5.8G雙層網絡架構，2.4G的WIA-PA工業無線網絡適用于現場傳感數據的采集傳輸，并將數據匯聚至架設在計量間、閥組間外的WIA-PA無線網關，網關數據通過WIA-FA 5.8G MESH主干網絡傳輸單元，上傳至周邊站場，再經光纖傳輸網絡上傳至各級監控中心。

2.4 優化油井采集點位

對比相關工程建設情況，結合現場實際生產需求，進一步優化油井采集點?？紤]到大慶油田常規油井氣油比低于100 m3/t，油井套壓波動不大，因此不對套壓進行自動采集。優化后的抽油機井采集點為油壓、電流、電壓、載荷和位移，繪制示功圖并上傳。

采集油壓主要是考慮到大慶油田冬季氣溫較低，油壓可直接反映單井管道凍堵及泄漏情況，提高處置及時性。在站場停電且通訊中斷的極端情況下，可實現井口超壓聯鎖自動停井，避免冒罐、管道穿孔事故的發生，同時，油壓對于工況反映較為直接，可根據油壓變化趨勢實現事故預警。

采集電流可實現盜竊電預警，通過變電所變壓器前端電流與單井設備總電流的差值，可監測偷盜電情況；采集電壓可實現系統效率加密測試，通過錄取的電流、電壓、功率值計算出單井的系統效率，可實時掌握系統效率情況。

采集載荷、位移，繪制示功圖，利用示功圖實時對油井工況進行判斷，計算出油井產液量。根據工況和產液異常程度進行分級預警提示，縮短對故障油井的判斷和處理時間。

2.5 優化注水井實施方案

注水井參數采集實施方案分為采集型和控制型，根據生產的不同需求進行優化選用。采集型對注水井油壓、瞬時注入量、累計注入量進行采集及數據上傳；對注水量需實時監控和精確調整的注水井，采用控制型，在采集型基礎上，增設注水量實時遠程自動調節功能。

在示范工程建設時，根據生產實際需求進行實施方案優選，如，采油五廠數字化建設工程中，由于杏南地區注水量相對穩定，單井調節頻次較低，因此按照采集型采集注水井單井壓力與流量數據，采用電池供電，降低工程投資；而高臺子油田和太北作業區注水井注水量調節較為頻繁，采用控制型，在對注水井單井壓力與流量數據進行采集的同時，增設流量控制裝置，實現注水量實時遠程自動調節。

2.6 優化站場建設模式

隨著大慶油田開發力度的不斷增大，大中型站場數量不斷增長，對人力資源需求進一步增加。大慶油田中型站場主要包括轉油站、注水站、注入站、變電所；大型站場主要包括轉油放水站、放水站、脫水站、污水處理站及配制站，以及2座及2座以上生產站場合建的聯合站。為控制生產用工，提高管理水平，在數字化建設時對站場采取集中監控建設模式。

（1）中型站場采用“區域集中監控，站場無人值守”模式

2015年以來，大慶油田在產能建設項目中，在注入站嘗試采用中心站遠程集中監控模式。如，采油一廠在2016年北一區產能項目中，建設區域內新建二元調配站1座，將周邊已建5座注入站的生產信號通過通信光纜上傳至新建的二元調配站中控室集中管控。注入站工藝設備維護人員由分散在單一站點的分散管理模式，轉變為維護人員集中在區域生產管理中心定期檢修、應急處理的集中管理模式，并且站場不再設置值班人員，人員全部集中到區域生產管理中心。

在此基礎上，對示范工程站場典型流程進行HAZOP（危險與可操作性）分析，針對站場存在的安全風險制定措施。如，針對加熱爐燃料氣泄漏著火的風險，設置總燃料氣管道緊急關斷電動閥門等，通過適當增設采集點位，保障站場安全運行；同時，對儀表系統進行全面改造完善，重要工藝參數全部進入站控系統，站場建設視頻監控系統及周界報警系統，生產運行工藝參數和生產狀態信息實時上傳區域管理中心。站場工藝設備維護人員和站內值班人員均集中到作業區生產管理中心，實現對站場生產的實時監控、自動保護及遠程操作。

（2）大型站場采用“多崗合并，集中監控”建設模式

大慶油田于 2009年提出大中型站場進行合崗設計的理念。如，2009年建設的肇 35轉油注水站為小型多功能站，該站由轉油站、注水站兩個部分組成。該站通過合崗設計，將集油閥組間與油水泵房合建為1棟廠房，將燃氣排水池、事故排污池、燃氣放空凝液回收池合建為1個排污池；同時，轉油站和注水站共用維修間、庫房等生產輔助廠房，轉油站、注水站配電室變壓器區合一；轉油站排污池與注水站排水池共用，且與生活水蒸發池聯合設置。通過以上措施，減少站場建構筑物數量的同時，節省了占地面積。

合崗設計在一定程度上緩解了用工不足的情況，但是由于控制系統設置分散，又沒有通過工藝改造增加保障生產的安全措施，沒有適當提高工藝自動化水平，因此維護和巡檢工作量沒有減少，員工的勞動強度也沒有減輕。為解決上述問題，2013年大慶油田提出生產站場集中監控的設計方針和管理理念，即取消傳統分崗管理模式，建設中控室，將各生產單元統一監控，集中管理，各分崗不再設置值班人員。并且于 2015年發布了 Q/SY DQ1677—2015《大慶油田原油站場集中監控設計規定》，對大中型站場生產過程參數采集及監控進行了詳細要求，為后續集中監控站場規劃方案設計提供了指導。

大型站場示范工程實施“多崗合并，集中監控”建設模式。站場數據采集及監控執行Q/SY DQ1677—2015《大慶油田原油生產站場集中監控設計規定》的相關要求，實現站場相關生產參數的自動采集，同時，站場建設視頻監控系統及周界報警系統。建設中心控制室，對工藝生產過程進行監視和控制，各生產單元不設置分崗顯示操作設施，當工藝單元檢測控制點較多時，為減少進出中心控制室的線纜數量，設置就地 I/O（輸入/輸出）數據采集控制裝置，再通過有線光纜將數據上傳至中心控制室。整個站場的生產過程在中心控制室集中監控，值班人員采用定期巡檢的方式對各生產設施進行檢查。同時，中心控制室將數據上傳至廠級生產調度中心，對生產運行狀態實時監控、分析和預警。

3 下一步工作建議

“十三五”以來，國內各油田紛紛將數字油田列為企業信息化發展的戰略目標，油田地面工程向智能化、智慧化發展。為加快數字化建設步伐，大慶油田在前期探索實施、調研論證的基礎上，本著簡化、優化、實用的原則，通過示范工程建設，不斷優化數字化建設方案，形成適合高含水老油田的數字化建設模式。今后，為了更好地推進全油田地面工程數字化建設，建議如下：

一是積極跟蹤無線儀表技術現場應用測試。

為了測試無線儀表技術的穩定性和數據采集的準確性，目前相關無線儀表廠家正在進行現場應用測試。建議有關單位積極跟蹤現場應用測試結果，不斷完善方案，為今后推廣使用提供依據。

二是完善標準化設計圖集。

建議對典型站場在數字化建設模式下的運行情況進行現場調研。對各類站場生產流程進行深入研究，與主管部門和生產單位充分結合，根據生產實際需要進一步優化、細化站場自控采集及控制點。根據優化后井站數字化建設模式，升版井、站的標準化設計，完善有關數字化建設的相關內容。

三是在建設的同時開展物聯網深化應用研究。

建議積極開展數據的應用分析工作，加強 A11（中國石油勘探與生產分公司油氣生產物聯網系統）與A4（中國石油勘探與生產分公司地理信息系統）、A5（中國石油勘探與生產分公司采油、地面工程運行管理系統）等系統的資源共享和數據融合，通過數字化采集的海量數據，利用大數據技術，建立各種數據模型及功能模塊，實現油田由數字化逐步向智能化轉變，并最終實現智慧油田。