油氣生產物聯網系統的運用分析

肖 理

（中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司 蜀南氣礦計量自控中心，四川瀘州 646001）

1 建立油氣田物聯網系統的必要性

1.1 提高油氣資源綜合競爭能力的要求

我國大多數油田經過長時間的高效率開采，正處在特高含水和特殊開采時期。雖然為各個行業的生產提供了豐富的石油資源，但長期的高強度開采也給油田的發展帶來了很大的困難。特別是油氣田的儲層資源接替不充分，儲層平衡系數不高，油氣田的綜合含水量達到94.6%，生產成本的快速增長，收入和利潤的持續下滑，對油氣企業的整體競爭力造成了很大的影響。為了更好地完成百年油氣田的目標，提高油氣田的經濟效益，使其始終保持行業標桿地位，必須強化頂層設計，建立起油氣田物聯網系統體系，增強主營業務以及經營管理工作，大力推動信息化改革工程，增強油氣田發展期間的綜合效益。

1.2 企業精益經營必須具備的要素

要達到油田信息化的目的，必須要建立一個智能化的油氣田物聯網系統。為了實現油氣藏的可持續發展，必須立足于資源的可持續使用，并不斷開發新的技術。我國油氣的地下剩余儲量仍相當可觀，但是隨著油田開發的復雜性，其開發周期也在不斷增加。傳統的以勞動組織和分工為主導的管理體制已不適應油田企業的改革要求，必須通過建立健全物聯網系統體系，落實精細化管理制度，增強油氣田開采期間的管理效益。

1.3 是數字化、智能化油氣田開發的主要方向

石油工業信息化建設已全面展開，國家和相關部門制定了石油工業信息化建設的整體計劃。在油氣田數字化、智能化建設中必須實現物聯網系統，構建油氣田物聯網系統，實現油氣田數字化的覆蓋率。

1.4 提高對低油價的適應能力

通過建立油氣田物聯網系統，降低了油氣田的生產和運營成本，從而更好地適應當前的低油價，維護自己的核心利益，達到可持續發展目標。通過建立健全的生產信息化管理體系，對油田實際生產中出現的成本浪費進行了分析，制定相應的控制措施，以達到降低成本和提高效益的目的。

2 油氣物聯網系統概況

物聯網的概念最早是由美國麻省理工大學于1999年創立的Auto-IDLabsAuto-IDLabs（Auto-IDLabs）系統發展而來，能夠將所有物件都與諸如RFID 之類的信息傳感器裝置相連，從而達到智能識別與管理的目的。通過傳感器、射頻、通訊等技術對油氣水井、計量間、油氣站庫、油氣管網等生產對象進行全面感知，實現生產數據、設備狀態信息在生產指揮中心及生產控制中心集中管理和控制。能夠利用傳感器、射頻等技術，對油氣開采的信息進行感知，從而達到精確的采集、精確的數據、精確的控制和穩定的控制。數據傳送子層主要是通過數據通訊技術來實現實時的生產和視頻圖像的傳送，與USN 模式下的泛在傳感網絡接入網和泛在傳感網絡的基礎上相適應。生產現場的監測和管理，主要是通過對生產過程中實時數據的收集，構建生產管理和預測預警系統，覆蓋油氣生產和處理的全過程。該系統與基于USN 模型的泛在傳感網絡中間件以及通用傳感網絡應用平臺相匹配。

物聯網技術的應用范圍很廣，借鑒石油天然氣工業物聯網3層體系結構，對其所涉及的關鍵技術進行分類、整理，從而構建了石油天然氣生產物聯網技術的系統模型。感知和控制技術主要應用于油氣井、計量間、油氣站庫、油氣管網等領域，并可實現對生產過程中的自動化控制。包括傳感器技術、射頻識別技術、紅外技術、自動控制技術等。網絡和通信技術主要應用于傳感器和RTU（PLC/DCS）之間的數據、圖像和控制等數據的傳送，從而使數據從生產端和控制端向后端生產現場的監控和管理部門之間的連接。石油生產中的海量感知信息的存儲、計算和處理是石油工業物聯網的關鍵技術。利用數據存儲、數據處理、綜合分析、安全預警、生產調度、應急搶險等綜合數據管理平臺，實現生產數據自動采集、遠程監控、生產預警，支持油氣生產過程管理，進一步提高油氣田生產決策的及時性和準確性。

隨著石油天然氣生產物聯網的覆蓋范圍不斷擴大，承載業務的多樣化、服務品質的不斷提升，影響到網絡正常運轉的因素也越來越多。

3 基于油氣生產物聯網系統的總體設計

3.1 整體結構

針對石油油氣企業的整體需求，結合石油油氣企業物聯網系統標準，將其劃分為數據采集、監控、數據傳輸、生產管理部分。

3.2 常規稀油井、拉油罐

由于油氣田大多數分布環境氣候惡劣、環境惡劣，故采用無數字顯示的RTU 控制盒。RTU 采用4G無線客戶端，將4G 網絡的數據傳輸到工廠監控中心，在每個井口拉油槽的出口設置一個單凸緣式液面傳感器，將電加熱控制信號和熱阻信號與井口RTU 連接，從而實現了對油槽溫度的自動控制。

3.3 稀油計量站和配水間

對于具有全自動化的橇裝計量站，只要在現有RTU 控制器上安裝4G 通信模塊，即可實現RTU 數據的傳輸。對于磚混計量站，在每個計量間的分離器上分別裝有1個壓力傳感器、1個磁翻盤水位計、1個旋轉式旋流流量計、2個電動壓油閥、1個集油管、1個壓力變送器和1個溫度傳感器。通過自動化改造和工藝改造，實現了對管道匯的遙控。最后，實現了管匯的自動選井和分離機的自動計量。

3.4 數據傳輸子系統

為了保證數據采集、監測、生產管理等子系統的安全、可靠的網絡傳輸，提出了一種基于無線技術的通信方案。無線網組網具有獨立的組網功能，能夠直接接入油田的生產自動化專用網絡；具有高的訪問密度和較高的帶寬傳送容量，以滿足井下的數據傳送需求；支持中央管理的無線網絡設備，具有訪問權限的控制；采用IP 接口協議的網絡終端裝置。為了以后的網絡操作和維護，無線網路的組網結構盡量簡化，并且不能有太多的類型。隨著數字油田建設的深入，移動通信、應急救援、移動辦公、人員定位、視頻會議等都與TD-LTE 系統兼容。然而，無線網橋具有固定訪問特性，不能滿足移動通信需求，不利于數字油田開發的深入。考慮到經濟性、先進性、擴展性等因素，選擇TD-LTE 來承擔油田自動化數據傳輸服務。

3.5 信息安全

①在多個垂直層級的網路間設置一個工業防火墻，并設定適當的存取規則，有效地控制了不需要的越級存取，避免了攻擊者透過上層網路侵入及攻擊底層網路，降低網路連通性所造成的安全性風險。同時還能實現多層間的工業協議數據交換，有效地屏蔽了非法操作，保證了企業的安全。②在相同的網絡層級上，也可以設置一個工業防火墻，將其劃分為不同的安全區，設置不同的存取規則，避免在不同的安全區間進行無意義的訪問，同時也可以實現對不同安全區間的工業協議進行深入的過濾，從而降低安全區間的安全性問題。

4 油氣生產物聯網系統在油氣田生產中的應用

4.1 做好三大網絡基礎設施的建設

在油氣田的經營過程中以實現高水平、高效益為目標，通過科學的方法，減少投入，減少勞動強度，使油田物聯網系統得到了有效的推進。在油氣田的智能化物聯網系統建設中，有關部門要做好以下工作：重點推動老區油氣田的石油、天然氣生產的“物聯網”模式，搞好組織結構和生產方式的變革。通過對油氣田的信息化技術和智能化物聯網系統的建設，投入了1.5億元，主要包括采油廠油水井數字采集、轉油站，注入站等聯合站數字化改造，相關配套數據傳輸網絡，生產管理平臺建設等工作。

在三大物聯網基礎設施的建設過程中，需要根據油氣田生產物聯網系統建設工作為重要基礎，建立統一的數字化實施思路，選擇更加適宜的軟件量油以及工況分析方法，形成更加統一標準的油氣田油氣生產數字化管理以及勞動組織工示范模式，要求以油氣田生產物聯網系統建設工作為重要基礎，注重在試點單位內開展勞動組織機構優化改造工作，要求建立起以作業區為單位的專業化管控構架，確保采油隊伍、聯合站、勘察隊伍人力資源能夠得到最優化配置。在開發油氣田物聯網系統時，必須嚴格按照整體規劃、先易后難的原則，充分發揮出數據在指導油氣田生產，加強油氣田管理整體管理水平中的積極作用。

4.2 重視技術服務系統的優化

在油氣田智能管理體系的工作中建立了基于石油、天然氣工業的物聯網系統，建立了數字儀器工業的數字化工業基地，加大石油、天然氣的數字化建設設。為了確保氣田的安全，該油氣企業將技術服務體系優化為當前的發施品種，加強技術改造和產品升級，努力研究出低成本的物聯網數字儀表展重點，建立起了油氣田物聯網系統，著力破解生產難題。確保信息化管理的質量，組建了一支以信息化為核心的軟件開發、系統維護、項目建設等技術支撐團隊。

4.3 建立數字化管理機制

為了在油氣田的信息化環境下，建立一個基于信息化的油氣田物聯網系統，必須從根本上提高其應用的數字化水平。①要建立一個基本的工業基地和技術支援團隊，要對明傳和專業知識進行適當的培訓，保證信息化體系的建設和后期的運作。加強與各大油田油氣企業的聯系，加大技術支援，為油田的數字化管理工作提供更充分的技術保證。②要實現數字化建設和管理工作的規范化、標準化，必須重視對數字管理工作進行統一的體系結構和技術計劃，建立健全地面工程項目信息化審查機制。根據油田實際情況和工程建設的實際情況，建立了運行物聯網系統的保障體系。因此，必須在實施物聯網系統的同時，充分利用國外的先進經驗，制訂出適合當前生產需要的管理辦法，以保證油田的建設和應用工作順利進行。同時，組建了一個專業化的數字化運營隊伍，提升了團隊內部的系統運維專業性，確保了物聯網系統的穩定運行。

4.4 油氣田物聯網系統的基本內容

在石油天然氣生產信息化系統建設中，通過對生產組織結構的調整，進一步優化了生產流程，將精細化管理思想貫徹到了生產實踐中。油氣田物聯網系統體系建設工作在解決油氣田勘探開發生產管理的難題上發揮出了重要作用，油氣田物聯網系統體系建設主要以一個中心、三項基礎建設為根本目標，旨在建立起兩項技術與管理保障。其中以油氣生產物聯網為核心，以采集油氣田企業的數據為核心，實現了油氣田生產信息的公開與共享。在此基礎上，通過各企業的經營物聯網系統，構建了一個統一的生產管理平臺，并制定了網絡系統的設計方案，對油田的物聯網系統進行了全面的指導。

4.5 明確油氣生產物聯網技術發展趨勢

無線、微型、超低功耗、嵌入式和智能化是傳感器發展的方向。目前已有的傳感器體積大、功耗大、功能單一、安裝配置復雜等缺點已不能滿足油田的需求，采用無線連接、超低功耗的智能儀器是未來的發展趨勢。當前射頻識別技術主要集中在低頻、高頻等方面，而超高頻技術由于其體積小、成本低等優點，將是RFID 技術發展的主要方向。將MEMS 與傳感器技術的進一步整合，MEMS是一種微型設備或系統，它包括微型機械、微型傳感器、微型執行器、信號處理和控制電路、接口、通信和電源。隨著無線傳感器、終端設備的不斷增加，對各種數據類型的支持，異構網絡的集成，使得無線網絡的協議變得更加復雜，同時也更加困難。

5 結束語

為了加快油氣田物聯網系統體系的建設和優化，必須做好油氣田管理頂層設計工作，進一步完善油氣田物聯網系統各項功能，必須高度重視油氣生產物聯網系統的構建。通過加強管理力度獲得最大化生產效益，積極開展油氣田智能化升級工作，結合油氣田生產基本要求以及相關目標，建立智能化生產模型系統，確保生產期間的各項資源得到最優化配置。