祝小鯨?田慧

摘要：近些年，隨著石油天然氣行業(yè)工作目標(biāo)要求，氣田物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用得到蓬勃發(fā)展。新疆氣田天然氣管理模式及物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需求不斷提高。通過對(duì)氣田數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)進(jìn)行完善，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、生產(chǎn)預(yù)警等功能，支持油氣生產(chǎn)過程管理，促進(jìn)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，提升氣田生產(chǎn)管理水平和綜合效益。

關(guān)鍵詞：氣田；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；數(shù)據(jù)采集；遠(yuǎn)程監(jiān)控；生產(chǎn)預(yù)警

一、前言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識(shí)別技術(shù)與通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中，也因此被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。

我國天然氣行業(yè)發(fā)展起步較晚，行業(yè)從建設(shè)伊始物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用水平就較高。按照中國石油集團(tuán)公司工作目標(biāo)要求，在天然氣行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，全面推動(dòng)工業(yè)化和信息化深度融合、生產(chǎn)作業(yè)方式和勞動(dòng)組織方式變革，實(shí)現(xiàn)扁平化管理和高效決策，開展油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體規(guī)劃研究工作，以推進(jìn)智能油氣田建設(shè)，加快油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，提升油田信息化、智能化水平。

新疆油田結(jié)合自身特點(diǎn)，利用各類傳感器技術(shù)、有線和無線通信技術(shù)、信息系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)，相繼開展各自區(qū)塊的生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)，實(shí)現(xiàn)氣田井區(qū)、集氣站、處理站生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)在廠處級(jí)生產(chǎn)指揮中心及生產(chǎn)控制中心集中管理和控制，搭建氣田場(chǎng)站規(guī)范、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。

二、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)成果及問題

新疆油田天然氣行業(yè)油氣生產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)較早，自20世紀(jì)90年代以來相繼建成了生產(chǎn)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。通過工業(yè)化、信息化系統(tǒng)的融合，將現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理由傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)管理、人工巡檢轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芄芾怼㈦娮友簿瑢⑶胺椒稚ⅰ⒍嗉?jí)的管控方式轉(zhuǎn)變?yōu)楹蠓缴a(chǎn)指揮中心的集中管控。

（一）氣田管理模式及工藝流程簡(jiǎn)介

1.氣田管理模式

（1）典型布站模式：三級(jí)布站。典型氣田流程走向：氣井→集氣站→天然氣處理站。

（2）各作業(yè)區(qū)生產(chǎn)運(yùn)行采取中心站場(chǎng)處理站集中監(jiān)視、分散控制，集氣站、單井無人值守、故障巡檢的管理模式。

2.氣田工藝流程簡(jiǎn)介

典型單井工藝流程：?jiǎn)尉蓺饧訜峁?jié)流流程、帶緊急關(guān)斷功能。

集氣站流程：集氣站多井式加熱節(jié)流、選井計(jì)量工藝。

典型天然氣處理站工藝：采氣流程采用節(jié)流膨脹制冷/丙烷外冷、低溫分離的天然氣處理工藝。凝析油采用閃蒸分離穩(wěn)定的工藝。富氣采用增壓分離外輸?shù)墓に嚒９に嚵鞒倘鐖D1所示。

（二）生產(chǎn)業(yè)務(wù)需求（見表1）

（三）數(shù)字化發(fā)展成果

十多年前，在新疆油田各氣田建設(shè)初期，由于考慮到氣田工藝壓力高、介質(zhì)易燃易爆、危險(xiǎn)性較大等因素，各氣田積極推進(jìn)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)，數(shù)字化建設(shè)水平還是比較高的[1]，基本實(shí)現(xiàn)了各井、站的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及信息化建設(shè)，目前正在向各自動(dòng)化系統(tǒng)互聯(lián)互通、生產(chǎn)數(shù)據(jù)綜合分析轉(zhuǎn)變。下文從數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸、生產(chǎn)管理、視頻監(jiān)控四個(gè)子系統(tǒng)全面介紹數(shù)字化現(xiàn)狀。

1.采集與監(jiān)控系統(tǒng)

（1）單井?dāng)?shù)據(jù)采集

采氣井口建設(shè)水平較高，大部分單井實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集，數(shù)字化覆蓋率60%以上，基本實(shí)現(xiàn)“無人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障巡檢”的管理模式。采氣井口設(shè)置RTU，負(fù)責(zé)完成單井測(cè)控內(nèi)容的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過光通信鏈路（或無線通信鏈路）傳輸至所屬集氣站/集配站站控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。以太網(wǎng)協(xié)議采用MODBUS TCP協(xié)議。

存在的問題：

第一，在氣井建設(shè)初期，井口參數(shù)僅采集油壓、井溫及安全切斷閥等數(shù)據(jù)。投用后，為滿足用戶地質(zhì)分析等需求，逐步完善井口套壓和環(huán)空壓力檢測(cè)點(diǎn)。天然氣井?dāng)?shù)據(jù)僅有少數(shù)井場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程關(guān)井功能，大部分井場(chǎng)雖設(shè)置自力式安全切斷閥，但不具備遠(yuǎn)程控制功能。少量井口未設(shè)置安全切斷閥，不能實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)范要求遠(yuǎn)程關(guān)井功能。

第二，部分氣井RTU自投用后，已使用十幾年，硬件老化、故障頻發(fā)，頻頻出現(xiàn)死機(jī)和通信中斷問題。

設(shè)計(jì)成果：確定單井測(cè)控內(nèi)容見表2。

（2）集氣站數(shù)據(jù)采集

集氣站實(shí)現(xiàn)了重要參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，數(shù)字化率達(dá)到100%。集氣站設(shè)站控系統(tǒng)PLC（或RTU），負(fù)責(zé)站內(nèi)進(jìn)站管匯、選井計(jì)量以及計(jì)量分離器等設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)“無人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控、定期巡檢”的管理模式。

設(shè)計(jì)成果：

設(shè)計(jì)一體化橇裝集氣站。橇裝化產(chǎn)品一體化橇裝集氣站是集進(jìn)站管匯選井、計(jì)量分離器計(jì)量（含儀表、電氣）的橇裝化設(shè)備，橇內(nèi)儀表全部選用智能儀表及遠(yuǎn)程控制閥門，具有橇裝設(shè)備運(yùn)輸便捷、現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)單、自動(dòng)化水平高等優(yōu)勢(shì)。

存在的問題：

部分集氣站在設(shè)計(jì)初期，按照“有人值守”的管理模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，輪井球閥采用手動(dòng)操作方式，由于各單井在計(jì)量周期需每天倒井一次，現(xiàn)場(chǎng)操作工作量大，不滿足集氣站目前“無人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控”的管理要求。

（3）處理站數(shù)據(jù)采集

處理站是整座氣田的管理監(jiān)控中心，負(fù)責(zé)整座站場(chǎng)的集中監(jiān)控、調(diào)控管理功能。

設(shè)計(jì)成果：處理站BPCS集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

根據(jù)儀表功能的區(qū)別，分別設(shè)置DCS集散控制系統(tǒng)、SIS安全儀表系統(tǒng)以及FGS火氣系統(tǒng)。各系統(tǒng)通過以太網(wǎng)集成為1套站場(chǎng)BPCS系統(tǒng)[2]。

DCS負(fù)責(zé)井、站生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證工藝設(shè)施穩(wěn)定、有效運(yùn)行。

SIS負(fù)責(zé)井、站生產(chǎn)過程中安全參數(shù)的監(jiān)控，采用故障安全性設(shè)計(jì)理念，保證生產(chǎn)運(yùn)行的安全，在發(fā)生緊急情況時(shí)，觸發(fā)緊急停車，使工藝裝置回歸安全狀態(tài)。

FGS負(fù)責(zé)站內(nèi)可燃?xì)怏w泄漏以及火災(zāi)事故檢測(cè)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)及可燃?xì)怏w泄漏時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)及中控室發(fā)出聲光報(bào)警，警示操作人員采取有效措施，規(guī)避火災(zāi)及可燃?xì)怏w泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

典型氣田控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

存在的問題：

氣田SIS安全儀表系統(tǒng)缺乏設(shè)計(jì)前的安全完整性評(píng)估。在初步設(shè)計(jì)審查階段，應(yīng)對(duì)PID圖和安全聯(lián)鎖因果表進(jìn)行分析研究，結(jié)合過程危險(xiǎn)分析和保護(hù)層功能分配的結(jié)果，評(píng)估、確定各安全儀表功能的安全完整性等級(jí)[3]。安全完整性評(píng)估可與HAZOP分析同時(shí)進(jìn)行。

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)軟、硬件發(fā)展較快，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟、硬件在使用幾年后老舊過時(shí)，并偶發(fā)死機(jī)、藍(lán)屏現(xiàn)象。各作業(yè)區(qū)的組態(tài)軟件還是基于Windouws XP操作系統(tǒng)，目前該操作系統(tǒng)已下線，無法更新維護(hù)，存在一定風(fēng)險(xiǎn)隱患。所以，建議自動(dòng)化控制系統(tǒng)每隔5年進(jìn)行軟件升級(jí)，每隔8年進(jìn)行硬件更新。

2. 生產(chǎn)管理子系統(tǒng)

生產(chǎn)管理子系統(tǒng)作為氣田自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的核心部分，是采氣廠生產(chǎn)運(yùn)行管理數(shù)據(jù)的監(jiān)控管理點(diǎn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)源，并為應(yīng)用開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。生產(chǎn)管理子系統(tǒng)監(jiān)控范圍覆蓋采氣井、集氣站、處理站。

典型的生產(chǎn)管理子系統(tǒng)有兩層架構(gòu)，底層由設(shè)置在各作業(yè)區(qū)站場(chǎng)的BPCS集成控制系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)各作業(yè)區(qū)的集中監(jiān)控功能。各氣田作業(yè)區(qū)設(shè)置通信處理機(jī)，從站場(chǎng)控制系統(tǒng)工程師站讀取數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)MODBUS TCP協(xié)議，上傳至采氣廠生產(chǎn)管理子系統(tǒng)[4]。生產(chǎn)管理子系統(tǒng)由SCADA系統(tǒng)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成，包括操作站、工程師站（兼操作員站）、實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、冗余磁盤陣列、通信前置機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)各站場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制。

已建生產(chǎn)管理子系統(tǒng)軟硬件配置如下：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器（主備冗余）、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫軟件、磁盤陣列、通信處理機(jī)配套工業(yè)協(xié)議 Modbus RTU/ASCII、Modbus TCP/UDP。

運(yùn)行過程存在的問題：生產(chǎn)管理子系統(tǒng)監(jiān)控功能單一，需定制開發(fā)氣田專用應(yīng)用功能。

目前，生產(chǎn)管理子系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。生產(chǎn)管理子系統(tǒng)與各采氣作業(yè)區(qū)SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能重復(fù)，不能滿足生產(chǎn)管理層智能管理需求。生產(chǎn)管理層不僅需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，更需要對(duì)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用與開發(fā)，形成一套能提供指揮決策的物聯(lián)網(wǎng)智能管理平臺(tái)，功能至少應(yīng)該包括：生產(chǎn)過程檢測(cè)功能、生產(chǎn)分析與診斷功能、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理與輔助分析與決策功能、產(chǎn)能預(yù)測(cè)與視頻監(jiān)控功能、預(yù)警功能、生產(chǎn)報(bào)表及文檔管理功能等。設(shè)計(jì)院應(yīng)與用戶加強(qiáng)合作，充分識(shí)別用戶意圖，對(duì)生產(chǎn)管理系統(tǒng)的研發(fā)提出指導(dǎo)性意見。

3.數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

（1）單井?dāng)?shù)據(jù)鏈路

各氣田單井主要采用光纖的通信傳輸方式，部分早期開發(fā)的氣田物聯(lián)網(wǎng)水平較低，單井通信鏈路采用無線輸出電臺(tái)的通信方式或沒有建設(shè)通信鏈路。

（2）廠—公司級(jí)的主通信鏈路

各作業(yè)區(qū)與廠部的主通信鏈路沒有建設(shè)自動(dòng)化數(shù)據(jù)專網(wǎng)，自動(dòng)化數(shù)據(jù)鏈路的匯聚通過油田辦公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)安全存在隱患。另外，隨著氣田采氣業(yè)務(wù)的擴(kuò)展與遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控應(yīng)用的需求，通信鏈路亟待改造。

新疆油田目前正在進(jìn)行油氣田生產(chǎn)網(wǎng)和視頻專網(wǎng)的建設(shè)，待建設(shè)完成后，即可解決各二級(jí)廠處油氣站場(chǎng)與油田公司總部的通信問題。

4.視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

新疆油田各采氣作業(yè)區(qū)視頻監(jiān)控子系統(tǒng)采用基于IP網(wǎng)絡(luò)型視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（IPC）+具備網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器功能的嵌入式網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)（NVR）+視頻智能分析服務(wù)器（IVS）+報(bào)警監(jiān)控客戶端構(gòu)成。前端設(shè)備主要由200萬像素（1920×1080）數(shù)字式高清網(wǎng)絡(luò)一體化紅外攝像機(jī)構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)站區(qū)周界圍墻、出入口等重點(diǎn)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保周界圍墻監(jiān)控?zé)o死角。

存在的問題：

由于大部分采氣單井在建成時(shí)未建設(shè)單井通信鏈路，通信鏈路的二次建設(shè)、一次性建設(shè)成本過高，項(xiàng)目效益不高。屬于安防風(fēng)險(xiǎn)單位的采氣單井，其視頻監(jiān)控需求及單井通信需求大幅增強(qiáng)。綜合高壓、易燃易爆等因素，建議氣田采氣單井采用光纖傳輸鏈路。

四、氣田物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展展望

（一）多相流流量計(jì)的應(yīng)用

單井三相流計(jì)量技術(shù)近些年取得了長足的進(jìn)步，三相流流量計(jì)已在新疆油田的部分作業(yè)區(qū)試用。三相流流量計(jì)一旦試驗(yàn)成功，將使采氣工藝三級(jí)布站方式（氣井—集氣站—處理站）減少為兩級(jí)布站方式（氣井—處理站），簡(jiǎn)化了工藝流程、降低站場(chǎng)建設(shè)和管道鋪設(shè)成本，對(duì)提高氣藏和氣井的科學(xué)開發(fā)具有重要意義，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。

目前，在新疆油田應(yīng)用的三相流流量計(jì)的測(cè)量原理主要有兩種：

第一，基于文丘里管+雙能伽馬傳感器（豁免級(jí)放射源）測(cè)量技術(shù)，解決在不分離情況下的計(jì)量問題，實(shí)施檢測(cè)油、氣、水三相流量。

第二，基于音速噴嘴+微波的測(cè)量技術(shù)，實(shí)施檢測(cè)油、氣、水三相流量。

三相流檢測(cè)技術(shù)一直是業(yè)內(nèi)測(cè)量技術(shù)的難點(diǎn)，但隨著測(cè)量技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，三相流技術(shù)在新疆油田已經(jīng)進(jìn)行了試用及推廣，特別是在文丘里管+雙能伽馬傳感器三相流流量計(jì)的應(yīng)用中，計(jì)量結(jié)果與大罐交油數(shù)據(jù)比對(duì)已經(jīng)達(dá)到±1%的誤差精度，完全滿足計(jì)量規(guī)定及現(xiàn)場(chǎng)使用需求，得到用戶的一致好評(píng)，但因其存在的本質(zhì)放射風(fēng)險(xiǎn)，管理難度較大。音速噴嘴+微波測(cè)量技術(shù)已在煤制氣項(xiàng)目中成功應(yīng)用，新疆油田在2022年進(jìn)行了試用，目前使用效果等待后續(xù)評(píng)價(jià)。

雖然三相流計(jì)量技術(shù)就其應(yīng)用效果而言測(cè)量精度還是受限于運(yùn)行工況、含液（水）量不同等因素，但通過不斷的試驗(yàn)驗(yàn)證以及測(cè)量技術(shù)的不斷提高，三相流技術(shù)必將會(huì)在氣田得到廣泛應(yīng)用。

（二）無線儀表技術(shù)

近些年，無線儀表技術(shù)蓬勃發(fā)展，作為工業(yè)控制領(lǐng)域一項(xiàng)熱點(diǎn)技術(shù)，已在國內(nèi)外各個(gè)行業(yè)、領(lǐng)域廣泛推廣應(yīng)用。無線儀表技術(shù)無需布線，受到廣大用戶的青睞，引領(lǐng)工業(yè)自動(dòng)化向著低成本、高靈活性的方向發(fā)展。

根據(jù)氣田井場(chǎng)布局采氣單井的實(shí)際管理要求，無線儀表雖然具有很多優(yōu)越性，但目前還不能完全取代有線儀表。其原因詳見表3。

可以看出，有線儀表具備數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、供電穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，適用于測(cè)控點(diǎn)數(shù)集中，并且需要緊急控制的井、站。無線儀表具有安裝維護(hù)方便，施工成本低、施工周期短的優(yōu)點(diǎn)，適用于測(cè)控內(nèi)容規(guī)模不大，地勢(shì)平坦，無需控制的井、站。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇有線或無線儀表。

五、結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深化應(yīng)用必將優(yōu)化、簡(jiǎn)化天然氣行業(yè)的工藝流程、優(yōu)化生產(chǎn)管理模式，使得生產(chǎn)過程智能化、氣田開發(fā)精細(xì)化，由經(jīng)驗(yàn)管理向科學(xué)決策發(fā)展轉(zhuǎn)變，達(dá)到“增產(chǎn)、增效、不增人”的目的，為生產(chǎn)、安全、質(zhì)量控制提供有效技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯：張津平、尚丹