拉運式原油生產全過程管控技術研究

高忠獻 陳燕 王進修 葛紹軍 王天宇 閆暄崎 賈俊杰

1華北油田公司工程技術研究院

2渤海鉆探工程技術研究院

3華北油田公司第一采油廠

油田原油運輸大多采用管道集輸方式[1]，而對于地處偏遠地區的油井，采用汽車拉運方式進行運輸。油田拉油點傳統的生產方式是在拉油點安排人工值守，通過人工巡視方式來掌握各拉油點的拉油計劃，由值守人員監督拉油車前來拉油點拉油。拉油車裝油完畢后，值守人員給拉油車油罐閥門加裝一次性鉛封，拉油車駛離拉油點，拉油車到達卸油點后在值班人員的監督下拆除鉛封后卸油。這種拉油點油罐存儲、汽車拉運原油的方式稱為拉油儲運方式，它與管道儲運方式共同構成了油氣儲運系統。油田拉油點又稱作邊零井拉油點，這些邊零井拉油點由于地處偏遠、拉運線路長、管理難度大，成為監管的難點[2]。拉油點原油生產方式雖有人工監督和鉛封，但仍然存在失控風險和管理漏洞。

汽車拉運方式始終缺乏有效監管手段。首先，裝卸油過程由人工操作，身份校驗完全依靠現場值班人員，缺少技防手段；拉運交接依靠員工口頭上報或紙質記錄，不能實時監管與過程追溯[3]。其次，沒有在線式液位監測裝置，不能實時準確反映儲油罐液位及變化趨勢，拉油量與卸油量無法對比，無丟油確認機制。再次，不能實時掌握拉油車位置、行車軌跡、滿載率、油罐口開關狀態，運費計算依賴于拉油車，過于被動。最后，傳統鉛封為一次性機械鉛封，技術含量低、易被破解和仿制；傳統鉛封消耗量大，不能重復使用，成本較高；鉛封狀態不能實時上報，監管效率低。

1 拉油點原油生產全過程管控技術

當前信息化技術特別是物聯網、移動互聯技術的發展，為惡劣工況下數據采集、偏遠地區遠程通信提供了技術條件，使拉油點原油拉運全過程管控成為可能。面對目前裝油-運油-卸油全過程監管方式存在的漏洞，提出以下技術手段予以解決：①拉運車輛對口管控：將拉油點、油罐車、卸油點信息錄入系統，通過拉油點和卸油點現場安防設備的身份驗證與遠程授權方式，對拉油點油罐及拉油罐車油罐閥門進行施封、解封操作；②拉運油量對口管控：通過采集拉油點儲油罐液位變化，實現拉油量測量，通過拉油罐車在卸油點卸油前后質量變化，實現卸油量測量，通過拉油量、卸油量對比估算油量損失情況；③拉運路線與時間對口管控：通過采集罐車閥門電子鎖狀態、行車路線與時間實時監控，對各種異常情況隨時報警，防止中途盜油事件發生；④運費對口管控：通過管控平臺對拉油罐車的位置信息、行車里程進行監視與測量，對行車運費自動計量，使運費計量更加客觀。以上4 個對口管控技術涵蓋了拉油點原油生產的各個環節，通過嚴格把握這4 個對口管控，可達到拉油點原油生產全過程防盜油、節約運費、交接有依據的目的，并且可以減少勞動量，問題可追溯。

圖1 為油田拉油點原油生產全過程管控系統原理圖。拉油點原油生產全過程涉及到拉油點、拉油罐車運輸途中、卸油點3 個環節，每一個環節拉油罐車都受監控中心監視或控制，以保障車輛、路線、運費、拉油量正確。由于拉油點地處偏遠地區，井與井之間過于分散，通信網絡難以獨自建立，本文采用4G 公網傳輸數據與視頻[4]。由于動態視頻流量過大導致通信費用高，為解決流量矛盾，采用傳輸靜態圖片方式監視拉油過程。

圖1 油田拉油點原油生產全過程管控系統方框圖Fig.1 Block diagram of the oil hauling point whole-process control system of crude oil production in the oilfield

1.1 拉油點數據采集與監控子系統

拉油點通常位于單井井場，其功能是臨時存儲油井生產的原油，等待拉油車將原油拉走，其核心為儲油罐。拉油點數據采集與監控子系統主要完成的功能為拉油點儲油罐的液位監測與閥門控制、儲油罐視頻監控、拉油車閥門電子鎖授權控制等。文中涉及到39 個拉油點，每個拉油點井場情況及數據采集與監控設備布局如圖2 所示。每個拉油點安裝一套智能測控柜，用于數據采集與通信；儲油罐安裝一套靜壓式液位計，用于測量油罐液位，通過液位差換算拉油量[5]；儲油罐鶴管安裝一套閥門電子鎖及控制裝置；正對儲油罐鶴管方向設置一臺高清攝像機，用于監視鶴管和拉油車，同時配備語音警示與對話裝置，用于語音交互。

圖2 單井及拉油點數據采集與監控子系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of data acquisition and monitoring subsystem for single well and oil hauling point

拉油車到達拉油點，拉油點采用無線通信自動檢測拉油車信息，攝像機自動啟動進行拍照，拉油者向作業區監控中心提出拉油申請，監控中心人員通過攝像機和無線身份識別裝置鑒定拉油者身份后，向拉油點鶴管電子鎖、拉油車裝油口電子鎖授權開鎖，則拉油者獲得了拉油授權，可以打開儲油罐鶴管閥門和拉油車裝油口閥門[6]。拉油車裝油完畢后，狀態信息反饋至監控中心，經監控中心人員核實后，將鶴管電子鎖、拉油車裝油口電子鎖閉合。拉油車離開后，攝像機停止攝像。

1.2 單井數據采集與監控子系統

如圖2 所示，單井油井將原油就近輸送至其所屬拉油點，成為拉油系統的一部分。每口單井需要采集的參數有：抽油機電參量、抽油機運行狀態、抽油桿懸點載荷、沖程、井口壓力、抽油機遠程啟停狀態、井口視頻[7]。后臺系統通過抽油桿懸點載荷、沖程可得到油井示功圖，進而可以分析抽油機產量、管桿泵狀態。單井數據采集與監控子系統需要安裝的硬件設備包括：油井RTU（遠程終端單元）、電量采集模塊、載荷傳感器、帶語音警示功能的攝像機以及通信模塊[8-9]。油井RTU 與拉油點智能測控設備共用一個柜體，用于監視油井井口的攝像機與拉油點攝像機同桿架設。

當單井與所屬拉油點距離較近時，單井數據采集設備與拉油點數據采集設備安裝于同一測控柜內，便于集中維護與管理；當單井與所屬拉油點距離較遠時，單井數據采集設備與拉油點數據采集設備分開放置于不同測控柜內。

1.3 拉油車數據采集與監控子系統

拉油車用于將拉油點油井生產的原油拉運至卸油點，涉及到原油拉運生產全過程，是監控的重點。拉油車數據采集與監控子系統用于監視拉油車從停車場出發，經過拉油、運油、卸油過程后返回停車場整個過程。在每個拉油車頂部裝油口和底部放油口閥門處分別安裝一套電子鎖；車內安裝GPS和北斗雙定位系統（互為冗余），確保車輛跟蹤持續有效[10]；測控箱固定于車體，內含控制與通信裝置，用于電子鎖的開關控制、鎖的狀態監視和車輛定位信息傳輸。在運輸途中GPS（或北斗）定位模塊實時地向監控中心發送地理坐標、時鐘信息，通過定位系統實現對拉油車運輸線路跟蹤，以及行車里程和時間計量，同時控制與通信系統將電子鎖開閉狀態傳輸至監控中心，監控中心可以實時監視拉油車運行軌跡和電子鎖開閉情況。當以上參數與預定參數差異過大時，后臺系統就會給出報警提示，并將異常信息記錄下來。拉油車裝油完畢且電子鎖閉合后，無法在途中打開拉油車油罐閥門，只能在卸油點解鎖。通過計算拉油量和拉油車罐體容積之比獲得滿載率，滿載率過低系統會報警，避免拉油車“空罐”運油，提高拉運效率。

1.4 卸油點數據采集與監控子系統

卸油點用于接收拉油車拉運的原油，將原油輸入密閉管道，最終進入原油外輸系統。由于只有卸油點存在油量計量，拉油點無法計量，油量交接時拉油量完全按照卸油量計算，致使中途丟油無法判別，更無法計量損失大小。為解決以上問題，每個卸油點安裝一套數據采集與監控子系統，包括高清攝像機、無線信號區域覆蓋裝置、卸油量檢測裝置、含水率在線分析儀。高清攝像機可實現車牌號碼識別，無線信號區域覆蓋裝置可實現車輛在卸油點區域內控制及身份識別，卸油量檢測裝置通過卸油點稱重流程，采集2 次地磅數據，經過做差比較獲得卸油量。由于卸油點基礎建設條件較好，多數采用光纖通信，即使采用微波通信的卸油點，通信帶寬也足以滿足視頻圖像連續傳輸，因此卸油點通信無需4G 公網[11]。如圖3 所示，當拉油車到達卸油點，卸油點無線信號自動檢測拉油車信息，攝像機自動啟動進行錄像拍照，拉油者向作業區監控中心提出卸油申請，監控中心人員通過攝像機和無線身份識別裝置，鑒定拉油者身份并得到卸油點值班人員確認后，向拉油車油罐放油口電子鎖授權開鎖，則拉油者獲得了卸油授權，可以打開拉油車油罐放油口閥門[12]。同時卸油點數據采集裝置采集拉油車所卸油的質量及含水率，卸油量顯示界面如圖4 所示。拉油車卸完油后，拉油者向監控中心反饋卸油完畢信息，監控中心確認卸油完畢。拉油車離開卸油點后，攝像機停止攝像。

圖3 卸油點布局及數據采集與監控子系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of oil unloading point layout and data acquisition and monitoring subsystem

1.5 后臺管控系統

后臺管控系統設置于監控中心，用于原油拉運總體指揮與監管。只有通過后臺系統向拉油點、拉油車、卸油點授權打開其電子鎖，才能從鶴管放油或向拉油車裝油。同時拉油車的行車路徑、里程、車載閥門電子鎖的狀態都呈現在后臺顯示設備上，為后臺管控人員提供決策依據[13]，顯示界面如圖5所示。如有異常，系統將主動報警，提醒后臺管控人員及時處理。后臺系統主要功能包括：

圖5 油田拉油點全過程管控系統顯示界面Fig.5 Display interface of whole-process control system of oil hauling point in the oilfield

（1）根據拉油點油罐液位計算油罐油量，通過拉油前后液位差計算拉油量。

（2）監控與識別拉油點拉油車的信息。

（3）拉油點油罐電子鎖、拉油車電子鎖遠程開啟與關閉，監視拉油車油罐閥門電子鎖狀態。

（4）監視單井電參量、載荷、沖程、井口壓力、井口視頻，根據載荷與沖程計算油井示功圖，根據抽油機運行電流判斷抽油機狀態，抽油機遠程啟、停機控制等。

（5）監控車輛運行軌跡。

（6）自動識別卸油點車輛車牌號，并與預先設置的信息進行比對。

（7）計算卸油量，并與拉油量進行比對。

（8）根據裝卸油時間、拉運里程自動計算運費，判別車輛運行異常狀態。

（9）各種異常信息報警。

（10）統計分析與自定義報表功能。

后臺系統設備包括數據服務器、視頻服務器、數據監控計算機及軟件、視頻監控計算機及軟件。后臺系統結構采用B/S 模式，數據中心設置服務器集中處理、存儲前端設備采集的數據和視頻，各作業區監控中心均通過訪問數據中心服務器獲得前端設備數據[14]，如拉油點、卸油點、拉油罐車、單井運行參數。

2 效益分析

油田拉油點原油拉運全過程管控技術已在中石油華北油田分公司第一采油廠5 個作業區39 個拉油點實施，取得了良好的效果。本項目的經濟效益主要表現在提升運輸效率、降低運輸成本、減少原油損失方面。除建設投資外，增加的成本主要是維護費、通信費，節約的成本主要是人工成本、鉛封費用、運費。效益計算如下：

（1）本項目整體投資540 萬元，按10 年壽命計算，年均投資54 萬元。

（2）年維護費用為投資的10%，即54 萬元。

（3）按照項目運行時中國電信的無線流量通信資費標準，一個拉油點10G流量的月費用為200元，由于在接收端還需要同樣的流量費用，單個拉油點的年流量費用為4 800 元，39 個拉油點年費用為18.72 萬元。由于拉油車傳輸數據量較小，流量費用相對較低，每輛車年通信費用為420 元，全廠31輛拉油罐車年費用為1.30 萬元。通信費用每年總體投資為20.02 萬元。

（4）通過該項目的實施，需要人工參與的工作量大幅減輕，拉油點實現無人值守，卸油點實現少人值守，全廠節約人工20人，人工成本按15萬元/年計算，每年節約人工成本300 萬元。

（5）原39 個拉油點每天拉運78 次，每次拉運消耗物理鉛封3 根，通過該項目的實施，拉油車減少鉛封8.54 萬根，每根鉛封按10 元計算，每年可節約鉛封成本85.41 萬元。

（6）通過GPS 定位系統精確地計量行車里程；通過異常警告措施，避免了人為延長運輸里程和時間；通過監測滿載率，避免空車運油。以上措施可節約運費1%，即22.57 萬元。

年效益=年節約人工成本+年節約鉛封成本+年節約運費-年均投資-年維護費-年通信費=279.96萬元。

通過以上計算，該項目的實施每年可以為企業帶來279.96 萬元的效益，投資回收期為1.9 年，效益狀況優秀。由于該技術有效遏制了原油拉運途中偷盜油事件的發生，也將產生一定的效益。

3 結論

為緩解拉油點原油生產與成本、交接計量、運費計量的矛盾，同時遏止偷盜油事件發生，以拉運車輛、油量、路線、運費對口為管控目標，采用先進的技術措施，通過遠程授權方式開閉相關閥門電子鎖，采集拉油量、卸油量并比對，拉油車輛由GPS 定位定時計量運費，拉、卸油點通過視頻監控識別車輛與人員，成功實現了對口管控，達到了預期目的。經過一系列的自動化改造后，原有的拉油生產方式被新的生產方式取代，使全廠拉油點、拉油車、卸油點全部納入一個綜合監管網絡內，使原油拉運得到全過程全時段管控，使數據獲取更加及時、準確。該項目的實施，極大地提高了生產效率和預防盜油風險的能力，也為油田用電能耗分析、大數據分析奠定了技術基礎。