油氣計量設(shè)備選型與智能化應(yīng)用實(shí)踐

一、前言

油氣資源作為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源支柱，精確計量貫穿于勘探、開采、運(yùn)輸、儲存和銷售等各個環(huán)節(jié)。在油氣生產(chǎn)過程中，準(zhǔn)確計量油氣產(chǎn)量不僅關(guān)系到企業(yè)對生產(chǎn)效益的評估，還影響著生產(chǎn)計劃的制定與調(diào)整。隨著油氣行業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的計量方式逐漸難以滿足日益增長的高精度、智能化需求[。因此，合理選型油氣計量設(shè)備并推進(jìn)其智能化應(yīng)用，成為提升油氣行業(yè)整體競爭力的關(guān)鍵舉措。通過深入研究計量設(shè)備選型的科學(xué)方法，以及探索智能化技術(shù)在油氣計量中的創(chuàng)新應(yīng)用，有助于提高油氣計量的可靠性和效率，促進(jìn)油氣行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

二、油氣計量設(shè)備選型的基礎(chǔ)理論與技術(shù)框架

（一）核心計量參數(shù)與設(shè)備類型匹配關(guān)系

核心計量參數(shù)與設(shè)備類型匹配關(guān)系見表1。

從表1可以看出，不同的計量參數(shù)需要與之相匹配的設(shè)備類型。渦輪流量計憑借其高精度和快速響應(yīng)的特點(diǎn)，在清潔、低黏度流體的流量測量中表現(xiàn)出色，在天然氣輸送管道中，其測量精度可達(dá)到 ±0.5% ，能準(zhǔn)確計量天然氣流量。彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，在一般工業(yè)場合（如油氣集輸站場，能穩(wěn)定地監(jiān)測管道壓力，保障生產(chǎn)安全）。熱電阻溫度計精度高、穩(wěn)定性好，在原油加熱爐出口溫度測量中，可精確測量溫度，確保加熱爐的正常運(yùn)行。振動式密度計可在線連續(xù)測量，在石油化工生產(chǎn)中，能實(shí)時監(jiān)測流體密度，為生產(chǎn)過程控制提供重要數(shù)據(jù)。

（二）設(shè)備選型的關(guān)鍵原則與方法論

精度等級是設(shè)備選型的重要考量因素。以原油外輸計量為例，若用于貿(mào)易結(jié)算，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際需求，要求計量精度達(dá)到 ±0.2% 。此時，就需要選擇高精度的計量設(shè)備（如刮板流量計），在原油外輸交接中，刮板流量計憑借其高精度能夠滿足這一要求，而質(zhì)量流量計大多應(yīng)用于采油站場景，若只是用于生產(chǎn)過程中的流量監(jiān)測，對精度要求較低，普通渦輪流量計在 ±1% 的精度下即可滿足需求[2。環(huán)境適應(yīng)性也是不可忽視的因素，在高溫、高壓且具有強(qiáng)腐蝕性的油氣開采環(huán)境中（如在一些酸性氣田），設(shè)備需要具備耐高溫、高壓和抗腐蝕的性能。選用內(nèi)襯耐腐蝕材料的壓力變送器，可有效應(yīng)對強(qiáng)腐蝕環(huán)境，確保壓力測量的準(zhǔn)確性和設(shè)備的使用壽命。

（三）全生命周期成本效益分析模型

初始購置成本以及維護(hù)費(fèi)用之間要做到動態(tài)平衡。一臺高精度的多相流計量設(shè)備，其初始購置成本也許高達(dá)50萬元，但維護(hù)費(fèi)用較低，每年約2萬元。而一臺普通計量設(shè)備初始購置成本僅10萬元，但由于其精度低、易損壞，每年維護(hù)費(fèi)用也許需要5萬元。從長期來看雖說高精度設(shè)備初始投入大，但綜合考量維護(hù)成本，在運(yùn)用壽命內(nèi)其總成本也許更低。技術(shù)升級迭代成本也要納人考量，伴隨技術(shù)的發(fā)展，一些計量設(shè)備需要適時技術(shù)升級以滿足新標(biāo)準(zhǔn)、新需求。傳統(tǒng)的機(jī)械流量計升級為智能流量計需要投人一定的升級成本，在選型時要預(yù)測設(shè)備將來的技術(shù)升級需求、成本，同時結(jié)合長期收益實(shí)行評估。若升級后的智能流量計能提升計量精度并且減少因計量誤差導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，從長期來看，提升計量精度帶來的收益也許遠(yuǎn)超升級成本[3]。

表1核心計量參數(shù)與設(shè)備類型匹配關(guān)系

表2AI技術(shù)在計量校準(zhǔn)與診斷中的應(yīng)用

三、智能化技術(shù)在油氣計量中的集成應(yīng)用創(chuàng)新

（一）物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的智能計量系統(tǒng)構(gòu)建

在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的部署是實(shí)現(xiàn)智能計量的基礎(chǔ)。以某大型油氣田為例，在油井、管道等關(guān)鍵位置部署大量無線傳感器，用于采集流量、壓力、溫度等數(shù)據(jù)。這些傳感器通過低功耗、遠(yuǎn)距離的無線通信技術(shù)（如LoRa），將數(shù)據(jù)傳輸至邊緣計算節(jié)點(diǎn)。邊緣計算節(jié)點(diǎn)具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，可對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析和篩選，減少數(shù)據(jù)傳輸量，提高數(shù)據(jù)處理效率。數(shù)據(jù)實(shí)時采集與云端存儲的安全機(jī)制至關(guān)重要。采用加密傳輸技術(shù)（如AES加密算法），確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性。在云端存儲方面，建立嚴(yán)格的訪問權(quán)限控制機(jī)制，只有經(jīng)過授權(quán)的人員才能訪問相關(guān)數(shù)據(jù)。同時，定期對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，防止數(shù)據(jù)丟失，保障油氣計量數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。

（二）大數(shù)據(jù)驅(qū)動的計量決策支持系統(tǒng)

通過對歷史數(shù)據(jù)的挖掘，可以建立設(shè)備性能預(yù)測模型。以某油氣田的計量設(shè)備為例，收集過去5年的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)（包括流量、壓力、溫度等參數(shù)），以及設(shè)備的維護(hù)記錄、故障信息等。利用數(shù)據(jù)分析算法，建立設(shè)備性能預(yù)測模型，預(yù)測設(shè)備的剩余使用壽命和可能出現(xiàn)的故障。當(dāng)模型預(yù)測某臺渦輪流量計的葉輪磨損嚴(yán)重到可能影響計量精度時，相關(guān)人員應(yīng)提前安排維護(hù)，避免故障發(fā)生。異常工況識別與預(yù)警算法能夠及時發(fā)現(xiàn)計量過程中的異常情況。例如，通過對流量數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)流量突然大幅波動，超出正常范圍時，算法立即發(fā)出預(yù)警。結(jié)合壓力、溫度等其他參數(shù)進(jìn)行綜合分析，判斷異常原因（如管道泄漏、設(shè)備故障等），并及時采取相應(yīng)措施。

（三）AI技術(shù)在計量校準(zhǔn)與診斷中的應(yīng)用

AI技術(shù)在計量校準(zhǔn)與診斷中的應(yīng)用情況見表2。

從表2可以看出，機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動的自動校準(zhǔn)算法通過對大量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，能夠根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)自動調(diào)整校準(zhǔn)參數(shù)，提高校準(zhǔn)精度和效率。在實(shí)際應(yīng)用中，校準(zhǔn)誤差可降低至 ±0.1% 以內(nèi)，相比傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法有了顯著提升[4。故障模式識別與健康管理（PHM）系統(tǒng)利用深度學(xué)習(xí)算法，對設(shè)備的振動、溫度、壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠快速準(zhǔn)確地識別故障類型和位置。在某油氣田的應(yīng)用中，故障診斷準(zhǔn)確率達(dá)到 95% 以上，有效減少了設(shè)備停機(jī)時間，提高了生產(chǎn)效率。

四、設(shè)備選型與智能化應(yīng)用的實(shí)踐案例分析

（一）典型油氣田智能化改造示范項(xiàng)目

在某稠油開采油氣田，傳統(tǒng)的計量設(shè)備難以準(zhǔn)確測量稠油這種高黏度、多相流的油氣。為此，選用了新型的多相流計量裝置，該裝置采用先進(jìn)的電容層析成像技術(shù)和微波測量技術(shù)，能夠精確測量油、氣、水三相的流量和組成。在實(shí)際應(yīng)用中，測量精度相比傳統(tǒng)設(shè)備提高了 15% ，有效解決了稠油計量難題，為油氣產(chǎn)量的準(zhǔn)確統(tǒng)計和生產(chǎn)優(yōu)化提供了可靠數(shù)據(jù)。

在輸氣管道中，對智能渦輪流量計和傳統(tǒng)渦輪流量計進(jìn)行了效能對比。智能渦輪流量計配備了智能傳感器和數(shù)據(jù)處理模塊，能夠?qū)崟r監(jiān)測流量、壓力、溫度等參數(shù)，并自動進(jìn)行補(bǔ)償計算。在某輸氣管道運(yùn)行中，智能渦輪流量計的計量精度達(dá)到 ±0.5% ，而傳統(tǒng)渦輪流量計在復(fù)雜工況下精度只能達(dá)到 ±1.5% 。

（二）克拉瑪依沙漠特殊環(huán)境下的技術(shù)適配

克拉瑪依沙漠的環(huán)境極為惡劣，狂風(fēng)裹挾著大量沙塵，無孔不人地侵蝕各類設(shè)備，高溫加速設(shè)備老化，晝夜溫差極大，這些因素給設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行與精準(zhǔn)計量帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在此環(huán)境下，油氣計量設(shè)備的選型及技術(shù)適配就顯得尤為關(guān)鍵。

考慮到抗風(fēng)沙與耐高溫需求，具備特殊防護(hù)與耐高溫性能的設(shè)備成為首選。例如，帶有高強(qiáng)度沙塵防護(hù)濾網(wǎng)及散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化的壓力變送器能有效阻擋沙塵侵入，降低設(shè)備內(nèi)部積塵，保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。與普通壓力變送器相比，此類特殊設(shè)計的壓力變送器可顯著減少沙塵對內(nèi)部元件的磨損，避免因沙塵積累導(dǎo)致的測量誤差和設(shè)備故障。在沙漠中，普通壓力變送器可能因沙塵侵?jǐn)_，短短數(shù)月便出現(xiàn)性能衰退，而經(jīng)過特殊防護(hù)設(shè)計的設(shè)備，使用壽命能延長數(shù)年，大大提升了設(shè)備的可靠性。另外，沙漠中的油氣環(huán)境易燃易爆，特殊的防爆設(shè)計必不可少，通過配備防爆外殼、采用本質(zhì)安全電路等設(shè)計，有效杜絕設(shè)備運(yùn)行時產(chǎn)生電火花、高溫引發(fā)爆炸的風(fēng)險，有力保障沙漠作業(yè)的安全生產(chǎn)。

針對沙漠晝夜溫差大對計量的影響，智能溫度補(bǔ)償技術(shù)發(fā)揮了重要作用。在克拉瑪依沙漠的作業(yè)區(qū)域，安裝了高精度溫度傳感器，它們?nèi)缤艿摹坝|角”，實(shí)時監(jiān)測環(huán)境溫度變化。運(yùn)用先進(jìn)的補(bǔ)償算法，根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)，對計量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時校正[5]

（三）智能化改造的經(jīng)濟(jì)性評估案例

某油氣田為提升生產(chǎn)效率和計量精度，開展了智能化改造項(xiàng)目。在前期投入方面，涵蓋了設(shè)備購置、安裝調(diào)試以及系統(tǒng)開發(fā)等多個環(huán)節(jié)，總計投人500萬元。其中，新購置的智能化計量設(shè)備采用了先進(jìn)技術(shù)，具備更高的測量精度和穩(wěn)定性。安裝調(diào)試過程需要專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行精細(xì)操作，確保設(shè)備能夠正常運(yùn)行。系統(tǒng)開發(fā)則致力于打造一個高效的數(shù)據(jù)管理和分析平臺，實(shí)現(xiàn)對計量數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測和智能分析。

改造完成后，經(jīng)濟(jì)效益逐漸顯現(xiàn)。后期運(yùn)維成本相比傳統(tǒng)計量系統(tǒng)每年降低了80萬元。這是因?yàn)橹悄芑O(shè)備具備自我診斷和預(yù)警功能，能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，提前進(jìn)行維護(hù)，減少了設(shè)備損壞帶來的維修成本和停機(jī)損失[。同時，由于計量精度的顯著提升，減少了因計量誤差導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，每年直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到120萬元。在貿(mào)易結(jié)算中，更精準(zhǔn)的計量數(shù)據(jù)避免了因計量爭議產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)糾紛，為企業(yè)贏得了良好的聲譽(yù)和更多的合作機(jī)會。

五、智能化應(yīng)用的技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

（一）復(fù)雜工況下的數(shù)據(jù)采集與傳輸難題

在油氣生產(chǎn)的復(fù)雜工況中，高噪聲環(huán)境對數(shù)據(jù)采集構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。以壓縮機(jī)附近的流量測量為例，壓縮機(jī)運(yùn)行時會引發(fā)強(qiáng)烈的機(jī)械振動、高分貝噪音，這些干擾源會混入流量傳感器采集的信號中使得原始信號變得雜亂無章。未使用有效措施前以及采集到的流量信號波形嚴(yán)重失真，導(dǎo)致計量數(shù)據(jù)發(fā)生較大偏差無法準(zhǔn)確體現(xiàn)實(shí)際流量情況。

為處理這一難題，數(shù)字濾波技術(shù)變成核心手段，其中卡爾曼濾波算法表現(xiàn)出色?？柭鼮V波算法根據(jù)線性系統(tǒng)狀態(tài)空間模型且經(jīng)過預(yù)測、更新兩個步驟，連續(xù)改良對信號的估計。它能夠根據(jù)前一時刻的信號狀態(tài)、當(dāng)前時刻的測量值對噪聲實(shí)行精確估計并有效去除。在實(shí)驗(yàn)室模擬壓縮機(jī)高噪聲環(huán)境的實(shí)驗(yàn)中對采集到的流量信號應(yīng)用卡爾曼濾波算法進(jìn)行處理。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)處理后的信號信噪比顯著提升 30% ，原本模糊不清的信號變得清晰平穩(wěn)，計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性得到極大增強(qiáng)。在實(shí)際油氣生產(chǎn)現(xiàn)場，經(jīng)過卡爾曼濾波處理后的流量數(shù)據(jù)為生產(chǎn)調(diào)度、計量結(jié)算提供可靠依據(jù)。

（二）網(wǎng)絡(luò)安全與數(shù)據(jù)隱私保護(hù)機(jī)制

在數(shù)字化程度日益提高的油氣行業(yè)，網(wǎng)絡(luò)安全至關(guān)重要。工業(yè)防火墻和入侵監(jiān)測系統(tǒng)是保障油氣田網(wǎng)絡(luò)安全的重要防線。工業(yè)防火墻部署在油氣田的網(wǎng)絡(luò)邊界，如同堅固的“城墻”，對進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)的流量進(jìn)行嚴(yán)格審查和過濾，它能夠識別并阻止外部非法網(wǎng)絡(luò)訪問，防止黑客、惡意軟件等非法入侵。人侵檢測系統(tǒng)則像一位不知疲倦的“巡邏兵”，實(shí)時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)流量，一旦發(fā)現(xiàn)異常流量（如大量的異常連接請求、數(shù)據(jù)傳輸速率異常等），立即發(fā)出警報

數(shù)據(jù)加密與訪問權(quán)限控制策略是保護(hù)數(shù)據(jù)隱私的關(guān)鍵措施，采用非對稱加密算法RSA，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密存儲和傳輸。RSA算法基于數(shù)論中的一些復(fù)雜數(shù)學(xué)原理，通過一對密鑰（公鑰和私鑰）對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密。公鑰可以公開，用于加密數(shù)據(jù)。私鑰則嚴(yán)格保密，用于解密數(shù)據(jù)。即使數(shù)據(jù)在傳輸過程中被竊取，沒有私鑰也無法解密、獲取其中的內(nèi)容。同時，建立嚴(yán)格的訪問權(quán)限控制體系，根據(jù)員工的工作崗位和職責(zé)分配不同的訪問權(quán)限。計量操作人員只能訪問和修改與自己工作直接相關(guān)的計量數(shù)據(jù)（如自己負(fù)責(zé)的某幾個計量點(diǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史記錄）。而管理人員由于工作需要，可查看更全面的數(shù)據(jù)，包括整個油氣田的計量匯總數(shù)據(jù)、趨勢分析等。通過這種精細(xì)的權(quán)限劃分，確保了數(shù)據(jù)的安全性和隱私性。

（三）標(biāo)準(zhǔn)化與兼容性問題應(yīng)對策略

在油氣行業(yè)，設(shè)備接口協(xié)議不統(tǒng)一嚴(yán)重阻礙設(shè)備之間的互聯(lián)互通。為解決這一難題，行業(yè)各方積極參與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定。在某區(qū)域的油氣田聯(lián)合項(xiàng)目中，多家設(shè)備供應(yīng)商達(dá)成共識一道遵循統(tǒng)一的ModbusTCP協(xié)議。ModbusTCP協(xié)議是一種應(yīng)用層協(xié)議，它定義設(shè)備之間實(shí)行數(shù)據(jù)通信的規(guī)則、格式，經(jīng)過統(tǒng)一采用這一協(xié)議，各廠家生產(chǎn)計量設(shè)備（包括流量傳感器、負(fù)擔(dān)變送器，以及其他相關(guān)設(shè)備），都能夠?qū)嵭邢嗷ブg的通信、數(shù)據(jù)共享。這樣一來，現(xiàn)場設(shè)備可以方便地接入統(tǒng)一的監(jiān)控系統(tǒng)，且實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的無縫對接，提升系統(tǒng)的集成度、可擴(kuò)展性。跨平臺數(shù)據(jù)集成也是一個亟待解決的難題，不同廠家的計量設(shè)備往往采用不同的數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議，給數(shù)據(jù)的集中管理、分析帶來困難。為處理這一難題，開發(fā)中間件系統(tǒng)成為有效的應(yīng)對策略。在某油氣生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，中間件系統(tǒng)發(fā)揮關(guān)鍵作用，它就像“翻譯官”，能夠?qū)Σ煌脚_的數(shù)據(jù)實(shí)行轉(zhuǎn)換、集成。中間件系統(tǒng)一開始與每個計量設(shè)備進(jìn)行通信，并根據(jù)設(shè)備類型、協(xié)議，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式，再將這些數(shù)據(jù)集成到油氣生產(chǎn)管理系統(tǒng)中。經(jīng)過中間件，系統(tǒng)成功達(dá)成來自不同廠家的計量設(shè)備數(shù)據(jù)的集中管理、分析，為油氣田的生產(chǎn)決策供給全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

六、結(jié)語

對油氣計量設(shè)備選型與智能化應(yīng)用進(jìn)行了全面研究。在設(shè)備選型方面，明確了核心計量參數(shù)與設(shè)備類型的匹配關(guān)系，掌握了選型的關(guān)鍵原則和全生命周期成本效益分析方法，有助于選擇最適合的計量設(shè)備。在智能化應(yīng)用方面，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)的集成應(yīng)用為油氣計量帶來了創(chuàng)新和變革，提高了計量的準(zhǔn)確性和效率。通過實(shí)際案例分析，展示了設(shè)備選型與智能化應(yīng)用的實(shí)踐效果和經(jīng)濟(jì)效益。同時，針對智能化應(yīng)用面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，提出了有效的解決方案。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，油氣計量設(shè)備將更加智能化、高精度化，為油氣行業(yè)的高效發(fā)展提供更有力的支持。

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作者單位：中國石油新疆油田公司采油二廠監(jiān)督中心

責(zé)任編輯：王穎振楊惠娟