油氣生產物聯(lián)網技術在油氣生產中的應用
李建華薛廣民陳冰
（北京中油瑞飛信息技術有限責任公司 北京 100007）
摘要：本文對目前國內油氣田的生產管理現狀進行了分析，構建了油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)的總體結構和技術方案。油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)由采集與控制子系統(tǒng)、數據傳輸子系統(tǒng)、生產現場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)具有生產動態(tài)實時監(jiān)控、生產信息統(tǒng)計分析、生產工況實時診斷、關鍵告警集中展現、設備資產在線管理、生產調度指揮管理等功能，另外還有環(huán)境監(jiān)控、氣體監(jiān)測、防盜防泄漏監(jiān)控、故障預警、系統(tǒng)管理、數據管理、物聯(lián)設備管理等功能，可使油氣生產過程管理更加精細化、智能化，提高油氣田生產決策的及時性和準確性，優(yōu)化生產管理流程和組織結構，從而為油氣生產的精細化管理奠定技術基礎。
關鍵詞：油氣生產；物聯(lián)網；采集與控制子系統(tǒng)；數據傳輸子系統(tǒng)；生產現場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)
The Application of Oil and Gas Production IOTTechnology in Oil and Gas Production
Chen Bing GuoYueming
(Beijing Richfit Information Technology Co., LTD, Beijing100007, China)
Abstract: This paper analyzed current managementsituation of domestic oil and gas production, and built the overall structureand technical programs of oil and gas production IOT system. The oil and gasproduction IOT system is mainly composed of acquisition and control subsystem, datatransmission subsystem and monitoring and management subsystem. This system hassome application functions, such as dynamic real-time monitoring of oil and gasproduction, statistical analysis of production information, real-time diagnosisfor the production conditions, smart optimization for process, concentratedexpression for critical alarm, production equipment management and productioncommand and control. This system makes the oil and gas production processmanagement more sophisticated and intelligent, improves the timeliness andaccuracy of oil and gas production decisions, optimizes production managementprocesses and organizational structure, and lays the technological foundationfor sophisticated management of oil and gas production.
Key words: Oil and gas production; IOT; Acquisitionand control subsystem; Data transmission subsystem; Monitoring and managementsubsystem
隨著射頻識別、紅外感應器、激光掃描器等信息傳感設備的出現以及互聯(lián)網的廣泛普及，物聯(lián)網已成為未來信息化發(fā)展的必然趨勢。中國石油集團在“十二五”信息化規(guī)劃中成立了物聯(lián)網項目，率先開展了物聯(lián)網的應用研究，致力于建設油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)。在目前的油氣生產中，油氣生產流程主要包括油氣舉升、注入、計量、油氣集輸、油氣處理等部分，這些生產環(huán)節(jié)大部分使用傳統(tǒng)生產工藝，現有生產組織形式主要由人工管理，效率較低，穩(wěn)定性較差，安全風險高。有些油田為滿足自身的生產需求，已建立了各自的生產現場監(jiān)控與管理系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)并投入使用。這些由軟件開發(fā)公司和油田用戶結合各自油田生產的特點和實際情況合作開發(fā)的系統(tǒng)，主要是為了滿足各級目標用戶生產運行管理的實際需要，由于所處地域氣候條件、油藏地質以及社會環(huán)境差異各不相同，因此各油田開發(fā)的系統(tǒng)功能有一定差異，還沒有形成一個統(tǒng)一、開放的系統(tǒng)[1-5]。
根據中石油集團公司“十二五”總體規(guī)劃以及目前各油氣田的實際要求，亟需加快開發(fā)統(tǒng)一、開放的油氣生產管理信息平臺，將先進信息技術與實際工業(yè)生產相融合，提高生產操作的自動化程度，保證油氣生產持續(xù)、安全、穩(wěn)定、高效的運行，提高油氣田生產決策的及時性和準確性，優(yōu)化生產管理流程和組織結構，從而為油氣生產的精細化管理奠定技術基礎。
1、油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)的體系架構
油氣生產物聯(lián)網建設通過在井場、站庫等現場安裝數據自動采集、監(jiān)控裝置及自動化控制設備，實時采集各項生產數據和工業(yè)視頻信號，通過網絡將這些數據、信號傳輸到后方的生產調度指揮中心或中央控制室進行集中管控，應用生產運行管理系統(tǒng)對收集的信息進行匯總、綜合處理與分析，提供生產指揮決策支持，達到生產操作自動化、生產運行可視化、管理決策系統(tǒng)化的目的[6,7]。
油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應用層組成，油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)的體系結構如圖1所示。感知層由安裝在油氣生產設備上的各種感知設備和控制設備組成，通過有/無線溫度變送器、有/無線壓力變送器、流量計等傳感器，自動采集油氣水井、集輸管網及油氣處理站庫的生產數據，從而實現對生產狀態(tài)的全面感知以及對各種設備的自動控制；傳輸層采用有線數據傳輸和無線數據傳輸相結合的方式，將現場傳感器采集到的井場、站庫生產數據及視頻信號傳輸到油氣田監(jiān)控指揮中心。其中，距站距離較近的井場以及站庫之間通過有線網絡相連，主要采用光纜傳輸；井場和邊遠站庫的生產和視頻數據通過無線異構網絡進行傳輸，無線傳輸技術包括多載波無線信息本地環(huán)路（McWiLL）、全球微波互聯(lián)接入（WiMAX）、通用分組無線服務（GPRS）、數傳電臺等；應用層主要功能包括生產動態(tài)實時監(jiān)控、生產信息統(tǒng)計分析、生產工況實時診斷、關鍵告警集中展現、設備資產在線管理、生產調度指揮管理等，另外還有環(huán)境監(jiān)控、氣體監(jiān)測、防盜防泄漏監(jiān)控、故障預警、系統(tǒng)管理、數據管理、物聯(lián)設備管理等功能，可使油氣生產的管理更加精細化、智能化。
圖1 油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)體系架構圖
Fig. 1 The Structureof Oil and Gas Production IOT System
2、油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)的功能架構
油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)的總體功能為：將油井、閥組間、中轉站、聯(lián)合站、水源井以及管線等站點設備單元的生產數據和視頻圖像實時采集并集中起來，通過有線或無線傳輸與油田企業(yè)網相連接，通過分析、計算將數據分類組合，并以文字、報表、圖形、圖像等方式即時顯示出來，實現對生產設備單元的遠程監(jiān)測與控制；同時對各設備單元的數據進行整合、計算，為生產部門提供相應輔助分析功能；另外通過系統(tǒng)的電子巡檢功能和視頻智能分析功能將各設備單元產生的故障、異常數據、非法入侵等進行預警和報警；并最終實現源頭數據一次采集、全局授權共享和對各應用系統(tǒng)的無縫支持。
油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)的功能設計需滿足油氣田的日常生產運行、生產管理、生產監(jiān)控、設備管理、成果展示等需求，根據目前油氣生產的實際現狀及生產過程中所反映出來的不足和問題，油氣生產物聯(lián)網的建設應立足于解決如下問題：
（1）實時顯示生產概況，如采油氣廠的生產狀況、產量、注水量等；
（2）在高危環(huán)境、重點區(qū)域實現對生產環(huán)境的可燃、有毒氣體監(jiān)測及視頻監(jiān)控；
（3）自動生成、存儲、查詢井、站、作業(yè)區(qū)的生產報表及曲線；
（4）自動控制生產過程，對關鍵生產過程實現閉環(huán)控制，提高生產運行的可靠性和穩(wěn)定性；
（5）生產設備故障預警和報警；
（6）定時進行設備自檢，對網絡設備、現場儀表等設備定時自動巡檢和故障原因定位。
油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)從功能上可劃分為三個子系統(tǒng)：采集與控制子系統(tǒng)、數據傳輸子系統(tǒng)和生產現場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)，油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)的功能結構如圖2所示。
圖2 油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)功能結構圖
Fig. 2 The Functionsof Oil and Gas Production IOT System
2.1 采集與控制子系統(tǒng)
采集與控制子系統(tǒng)包含四個主要功能：生產數據自動采集、生產環(huán)境自動監(jiān)測、生產過程自動控制、物聯(lián)設備狀態(tài)監(jiān)控。
（1）生產數據自動采集：通過有/無線溫度變送器、有/無線壓力變送器、流量計等傳感器，自動采集油氣水井、集輸管網及油氣處理站庫的生產數據。
（2）生產環(huán)境自動監(jiān)測：通過攝像頭、危害氣體檢測裝置、自動報警裝置等，自動采集生產現場的環(huán)境信息，并將這些信息實時傳輸到實時數據庫，實時監(jiān)測重點油氣井、高危井、重點站庫、關鍵路口的生產環(huán)境，對有毒、有害氣體及污染源、空氣質量等實施在線監(jiān)控，可及時發(fā)現生產現場的人為破壞、可燃有毒氣體濃度超標等情況。
3）生產過程自動控制：通過ESD、控制閥等自動化控制設備，對油氣水井、站庫、處理站、聯(lián)合站等生產過程實現自動控制和無人值守，降低用工需求和勞動強度。
4）物聯(lián)設備狀態(tài)監(jiān)控：監(jiān)控網絡中所有設備的工作狀態(tài)、入網標識、空間位置等信息，實現對這些設備的遠程集中管理和維護，保證系統(tǒng)安全、可靠、高效的運行。
2.2 數據傳輸子系統(tǒng)
數據傳輸子系統(tǒng)采用有線數據傳輸和無線數據傳輸相結合的方式，將現場傳感器采集到的井場、站庫生產數據及視頻信號傳輸到油氣田監(jiān)控指揮中心。其中，油氣生產物聯(lián)網建設中有線傳輸主要部署到各油氣田的采集站、中轉站、聯(lián)合站、注水站、集氣站等站區(qū)，對于距離各站區(qū)較近、油氣水井產量大、需重點關注的油氣水井也可考慮采用有線傳輸進行部署。
井場和邊遠站庫的生產和視頻數據采用無線方式進行傳輸，無線傳輸技術包括多載波無線信息本地環(huán)路（McWiLL）、全球微波互聯(lián)接入（WiMAX）、通用分組無線服務（GPRS）、數傳電臺等。采用無線傳輸部署的油、氣、水井通過無線傳輸方式將油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)采集到的生產數據傳輸到中心基站，中心基站通過有線連接到集團公司核心網，將生產數據傳輸到油氣生產物聯(lián)網管理系統(tǒng)。
2.3 生產現場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)
生產現場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)包括三大功能：工況分析預測優(yōu)化功能、物聯(lián)網網絡及設備管理功能和生產運行管理功能。
（1）工況分析預測優(yōu)化功能
生產現場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)可對從生產現場采集并傳輸到實時數據庫的油氣水井、計量間、處理站庫和集輸管網的生產數據進行分析優(yōu)化預測。計量間、處理站庫的工況分析預測優(yōu)化功能主要是實現現場的實時遠程數據采集、工況診斷、運行參數優(yōu)化、智能控制以及出現故障時的應急自動處理；油氣水單井的工況分析預測優(yōu)化功能主要是實現油氣井生產數據的實時管理、實時分析、實時優(yōu)化、實時控制、智能預測等，從而實現精細化、智能化管理。
（2）物聯(lián)網網絡及設備管理功能
生產現場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)具備物聯(lián)網網絡管理和設備管理功能。物聯(lián)網網絡管理主要是指對網絡拓撲、網絡協(xié)議、網絡時間同步、網絡安全、網絡健康狀態(tài)、節(jié)點健康狀態(tài)、網絡信道、節(jié)點功能配置等的管理。網絡管理水平與運行狀態(tài)對油氣生產物聯(lián)網平穩(wěn)、可靠地運行起著至關重要的作用。設備的管理主要是指對壓力儀表、溫度儀表、流量計、示功儀、攝像頭、有害氣體檢測儀以及RFID讀寫器、網關、路由等物聯(lián)網終端設備的狀態(tài)和運行情況的監(jiān)控。設備管理除了管理節(jié)點上的傳感器、執(zhí)行機構，也包括對節(jié)點能耗（尤其是電池供電節(jié)點）和信道質量的監(jiān)控。另外，通過對車輛、油區(qū)、廠礦實施RFID標簽管理，借助GPS和GIS系統(tǒng)，對于應急輔助快速檢索事故點周邊的救援信息，諸如醫(yī)療資源、消防資源、車輛資源，從而制定出相應的應急預案，以實現對應急物資、應急隊伍等起到很好的調度作用；也可通過RFID技術、GPS定位技術、無線傳輸技術來全程跟蹤監(jiān)測危險品的移動、運輸過程，以及危險品的有效處理。
（3）生產運行管理功能
生產現場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)可生成油氣生產的業(yè)務狀態(tài)報告，對生產動態(tài)進行實時監(jiān)控，對生產信息進行統(tǒng)計分析，實時診斷生產工況，實現關鍵告警集中展現以及對設備資產的在線管理和生產調度指揮管理功能。該子系統(tǒng)將應急預案可視化，可對應急計劃實施狀態(tài)追蹤以及對應急計劃進行模擬演練；可對日周月季年業(yè)務經營情況進行分析，全景展示生產過程（包括地理、流程、組織、績效、治理及運營成果等）。實時數據庫和監(jiān)控中心部署在油氣生產部門，同時能將數據上傳到總部的數據中心，從而及時了解生產動態(tài)，實現生產管理、分析優(yōu)化以及指揮調度的功能。
3、目前存在的問題
（1）傳感器問題：目前在單井中常用的無線溫度及壓力傳感器均使用自身所攜帶的電池提供電力，因此如何降低傳感器功耗，延長設備使用壽命是一個亟待解決的技術問題。另外，由于傳感器制造對技術工藝要求很高，因此傳感器的生產目前還處于定制生產階段，單個傳感器的成本相對較高，難以滿足大規(guī)模在油田部署的需求。
（2）信息安全問題：由于油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)具備自動采集、傳輸生產數據以及自動控制生產過程的功能，因此信息安全問題至關重要。由于集團公司各油氣田所包含的單井數量較多，分布范圍較廣，如果使用全有線傳輸進行部署，實施投資成本高、部署周期長、實施難度大、擴展能力差，不適合對各油氣田所有單井進行部署，因此大多采用無線數據傳輸的方式。但是由于信道的開放性使得通信鏈路存在非常嚴重的安全隱患，故需要在調制和編碼方式上采取相應的安全措施，利用高安全等級的編碼方式和調制方式來保證通信信道的安全性。信元數據在空中傳輸時，如果不進行加密和處理就很容易被竊聽和攻擊，所以在系統(tǒng)設計時應該首先考慮對信元數據進行必要的安全處理。由于受到終端接入設備計算能力的限制，通常無法采用復雜的安全認證機制，這也是目前在信息安全技術上遇到的一個挑戰(zhàn)。
（3）行業(yè)標準不統(tǒng)一：由于油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)的建設涉及到多學科、多專業(yè)，解決方案也各不相同，因此標準相對分散，開放性較差。目前我國并沒有相應的國家標準或者行業(yè)標準可供參照，因此為了實現不同廠商油氣生產物聯(lián)網產品的互聯(lián)互通，降低系統(tǒng)運維成本，亟需統(tǒng)一油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)的建設標準。
4、結束語
本文對目前國內油氣田的生產管理現狀進行了分析，構建了油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)的總體結構和技術方案, 討論了油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)面臨的一些技術問題。油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)將物聯(lián)網技術應用于油氣生產，可以實現對油氣水井、計量間、油氣站庫、油氣管網等對象生產數據的自動采集、傳輸、處理，可以實現生產動態(tài)實時監(jiān)控、生產信息統(tǒng)計分析、生產工況實時診斷、關鍵告警集中展現、設備資產在線管理、生產調度指揮管理等功能，另外還有環(huán)境監(jiān)控、氣體監(jiān)測、防盜防泄漏監(jiān)控、故障預警、系統(tǒng)管理、數據管理、物聯(lián)設備管理等功能。油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)可使油氣生產過程管理更加精細化、智能化，提高油氣田生產決策的及時性和準確性，優(yōu)化生產管理流程和組織結構，從而為油氣生產的精細化管理奠定技術基礎。
參 考 文 獻
[1] 項有建著．沖出數字化[M]．機械工業(yè)出版社，2010，6：6．
[2] 賈靈，王薪宇等著．物聯(lián)網/無線傳感網原理與實踐[M]．北京航空航天大學出版社，2011，1：86．
[3] 檀朝東等．油水井遠程監(jiān)控液量自動計量及分析系統(tǒng)[J]．石油礦場機械，2007，36（1）：49~52．
[4] 檀朝東等．油井在線監(jiān)控計量分析系統(tǒng)技術研究及應用[J]．工業(yè)計量，2008，18（5）：1~4．
[5] 閆學峰，檀朝東等．油井生產實時分析優(yōu)化專家系統(tǒng) PES 的研發(fā)及應用[J]．中國石油和化工，2009，22:61~64．
[6] UIT.ITU Internet Reports：The Internet of Things[R].2005.
[7] 張暉.物聯(lián)網技術架構與標準化進展[R].2010.08.
