摘要

　　基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字化油氣田建設(shè)，應(yīng)用了傳感器技術(shù)、自控技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等新技術(shù)，通過對各類井站、場站、閥室日常生產(chǎn)數(shù)據(jù)和視頻圖片的采集、存儲、傳輸與轉(zhuǎn)換，可有效解決基層單位數(shù)據(jù)重復(fù)錄入問題，減少人工勞動強度，提高原始數(shù)據(jù)采集的準確度和實時性，同時還建有支撐上層各類綜合應(yīng)用的發(fā)展，實現(xiàn)一次采集、集中管理、多業(yè)務(wù)應(yīng)用的功能。

　　1引言

　　物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。具體到物聯(lián)網(wǎng)在油氣田生產(chǎn)管理中的應(yīng)用，體現(xiàn)在通過傳感、射頻、通訊、自動控制、電子信息等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對油氣水井、計量間、油氣站庫等生產(chǎn)對象進行全面的感知，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息在生產(chǎn)指揮中心及生產(chǎn)控制中心集中管理和控制，搭建規(guī)范、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺，支持油氣生產(chǎn)過程管理，進一步提高油氣田生產(chǎn)決策的及時性和準確性。

　　2數(shù)字化油田站控系統(tǒng)方案

　　油氣田生產(chǎn)是個多專業(yè)、跨學(xué)科的行業(yè)，運營模式主要包括勘探開發(fā)、開發(fā)生產(chǎn)、油氣處理、油氣運輸、油氣銷售等環(huán)節(jié)。隨著新資源的不斷被探明，滾動開發(fā)模式也就逐漸形成。生產(chǎn)運營過程中產(chǎn)生了海量的原生數(shù)據(jù)，信息化也就成為了油氣田生產(chǎn)不可缺少的一部分。當今信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，加快了油田信息技術(shù)的前進步伐。為有力保證生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)的及時性和準確性，首先必須明確前端的工藝要求。油氣田生產(chǎn)遠程監(jiān)控分析主要的對象是抽油井、氣井、注水井、計量系統(tǒng)、原油處理站等生產(chǎn)現(xiàn)場。

　　1) 抽油井主要關(guān)注的參數(shù)負荷、壓力、溫度、三相電流、三相電壓、功率、扭矩等數(shù)據(jù)，并形成專業(yè)的圖形數(shù)據(jù)實現(xiàn)油井生產(chǎn)工況實時診斷;

　　2) 氣井主要采集的數(shù)據(jù)為井口的壓力、溫度、流量，如一級閥后的溫度壓力、二級閥后的溫度壓力、三級閥后的溫度壓力。根據(jù)工藝要求的不同，還有可能采集套管的壓力及排除水的流量;

　　3) 注水井生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要關(guān)注的參數(shù)為壓力、流量等，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的配注量，對比已注入的量，參考當前的實時壓力，自動調(diào)節(jié)閥門開度;

　　4) 計量系統(tǒng)是油氣田生產(chǎn)的重要參考依據(jù)，主要以原油計量為主。雖然計量工藝有所差別，但主要目標是計算出參考產(chǎn)量。主要監(jiān)測的變量有各管匯壓力、各管匯溫度、各閥門的狀態(tài)、計量液位等，并按系數(shù)計算出每次的液量，上傳至中控系統(tǒng)。

　　5) 原油處理站是整個原油開采生產(chǎn)中的終端工藝過程，負責下屬各前端采油點(如油井)、計量站、轉(zhuǎn)油站等來油的分離計量，對混輸原油進行原油、水和天然氣分離，實現(xiàn)原油提純、污水處理、污水回注、天然氣加工、原油外輸?shù)裙に囘^程，是實現(xiàn)成品原油的終端工藝，對外輸原油、天然氣的質(zhì)量至關(guān)重要。由于涉及工藝相對復(fù)雜，設(shè)備工藝裝置多，安全要求高，通過設(shè)置控制站、過程IO、遠程IO、工程師站和操作站等設(shè)備實現(xiàn)整個站內(nèi)工藝和設(shè)備的監(jiān)控，實現(xiàn)分離計量工藝、原油處理工藝、污水處理工藝和回注工藝。

　　數(shù)字化油田將導(dǎo)致大規(guī)模的上終端采集設(shè)備，實施維護的便利性也是必須考慮到的。油氣田生產(chǎn)實現(xiàn)自動化后，實現(xiàn)了減員增效，當再有大規(guī)模自動化系統(tǒng)需要部署時，其簡便性就要在目前的基礎(chǔ)上更簡單一些。無線通訊可以非常有效的解決這一問題，通用模式、專用產(chǎn)品、無線通訊等等大大降低了現(xiàn)場施工難度，大規(guī)模建設(shè)得以實施。

　　油氣田生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境非常惡劣，荒漠中要接受極限溫度的挑戰(zhàn)，而臨海區(qū)域又要面臨高濕度、高腐蝕的考驗;由于供電的不方便，自動化產(chǎn)品還需要是低能耗的?；谶@些條件的限制，一般市面的PLC顯然不能勝任，也就是需要更專業(yè)的RTU產(chǎn)品來執(zhí)行現(xiàn)場的自動化功能控制。

　　2.1設(shè)備要求

　　現(xiàn)場一次儀表的一般要求：

　　n 一體化設(shè)計，無線數(shù)據(jù)傳輸

　　n 微功耗設(shè)計，精確電源管理

　　n 一次性鋰電、太陽能供電、一次性鋰電配合太陽能及時補電

　　n 符合工業(yè)標準，帶信道擴頻

　　符合IEEE802.15.4無線標準

　　信道間采用直接序列擴頻技術(shù)，避免干擾和提高可靠性

　　n 可根據(jù)需求設(shè)置掃描時間間隔

　　n 防護等級不低于IP65，防爆等級不低于ExdII BT4 可以直接應(yīng)用到防爆場合

　　n 工作溫度-40℃～+70℃

　　n 工作濕度5%RH～95%RH

　　現(xiàn)場控制器的一般要求：

　　n 專業(yè)產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)合理。具備很強的適應(yīng)能力，直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場

　　n 靈活的通訊方式，具備RS232、RS485、EtherNET等多種通訊接口

　　n 標準的通訊協(xié)議，Modbus RTU/ASCII/TCP、TCP/IP

　　n 實時數(shù)據(jù)采集功能

　　n 故障主動上報功能

　　n 高效的工程開發(fā)工具，符合IEC61131-3標準，支持LD、FBD、IL、ST、SFC五種程序語言

　　n 友好的人機界面

　　n 功能強大的硬件系統(tǒng)，采用32位ARM處理器，嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)

　　n 先進的冗余/容錯方式

　　n 工作溫度-40～+70℃，工作濕度5～95%RH，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境

　　n 通過CE認證，達到EMC電磁兼容3級標準

　　n 整機防護等級IP65

　　2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　中心控制室是數(shù)字化田自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的核心，采集監(jiān)控所有前端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

　　監(jiān)控系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)大致可分為3層。第1層為數(shù)據(jù)采集層，由RTU與一次儀表構(gòu)成，完成現(xiàn)場原始數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理。根據(jù)設(shè)計需求還可以實現(xiàn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)存儲，以保證通訊中斷后數(shù)據(jù)的連續(xù)性;第2層為數(shù)據(jù)監(jiān)控層。在這層將利用各種軟件遠程仿真現(xiàn)場，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控、實時報警。該層可根據(jù)對應(yīng)的管理模式再分為分控中心、總控中心等，還可根據(jù)設(shè)計需求進行大量歷史數(shù)據(jù)的存儲;第3層為數(shù)據(jù)應(yīng)用層。在應(yīng)用層實現(xiàn)對已采集數(shù)據(jù)的分析、整理，并根據(jù)需要實現(xiàn)多種形式的發(fā)布。業(yè)界很多公司分別在數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)監(jiān)控層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層都擁有極其穩(wěn)定的產(chǎn)品和豐富的系統(tǒng)集成經(jīng)驗。如圖1

　　圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2.3站控系統(tǒng)組成

　　站控系統(tǒng)主要用于原油處理站、轉(zhuǎn)油站、增壓站。原油處理站是整個原油開采生產(chǎn)中的終端工藝過程，負責下屬各前端采油點(如油井)、計量站、轉(zhuǎn)油站等來油的分離計量，對混輸原油進行原油、水和天然氣分離，實現(xiàn)原油提純、污水處理、污水回注、天然氣加工、原油外輸?shù)裙に囘^程，是實現(xiàn)成品原油的終端工藝，對外輸原油、天然氣的質(zhì)量至關(guān)重要。由于涉及工藝相對復(fù)雜，設(shè)備工藝裝置多，安全要求高，通過設(shè)置控制站、過程IO、遠程IO、工程師站和操作站等設(shè)備實現(xiàn)整個站內(nèi)工藝和設(shè)備的監(jiān)控，實現(xiàn)分離計量工藝、原油處理工藝、污水處理工藝和回注工藝。

　　系統(tǒng)組成

　　站控系統(tǒng)一般采用RTU/PLC系統(tǒng)，系統(tǒng)包括以下幾個部分：

　　1、服務(wù)器：包括I/O服務(wù)器、監(jiān)視和報警服務(wù)器、報表服務(wù)器、歷史趨勢服務(wù)器等，服務(wù)器可兼做工程師站或操作員站使用。

　　2、控制站：包括主控單元、I/O模塊、電源模塊及標準機柜，I/O模塊完成現(xiàn)場信號采集、工程單位變換、連續(xù)和離散控制，主控單元通過100Mbps高速以太網(wǎng)和操作站、服務(wù)器、高級計算機等上位機構(gòu)成企業(yè)級的Intranet網(wǎng)絡(luò)。

　　3、通信系統(tǒng)：包括系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)，完全支持C/S結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)負責現(xiàn)場控制站和操作員站的通訊;控制網(wǎng)絡(luò)負責控制站和I/O模塊之間的通訊，采用現(xiàn)場總線協(xié)議。

　　4、一次儀表：包括一般的4~20mA儀表、閥門、流量計等，通過多芯鎧裝電纜和I/O模塊相連。

　　結(jié)構(gòu)

　　站控系統(tǒng)分為2層網(wǎng)絡(luò)。一層是現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，用于連接I/O、子站與主控制器。另一個為控制網(wǎng)，用于連接現(xiàn)場控制站與操作員工作站。

　　軟件

　　軟件的核心是監(jiān)控組態(tài)軟件，它完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控、報警管理等功能。DMS 數(shù)據(jù)庫管理軟件，對整個站控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提供了安全、詳細的數(shù)據(jù)庫管理。軟件中的SQL/ODBC 模塊使得組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)能方便地和數(shù)據(jù)庫相連。

　　3站控系統(tǒng)選型

　　根據(jù)數(shù)字化油田站控系統(tǒng)的要求，可以選擇性價比高的RTU/PLC產(chǎn)品，特別是民族品牌產(chǎn)品，近些年與國外品牌相比，在經(jīng)驗積累上國內(nèi)企業(yè)并不占優(yōu)勢，單談到技術(shù)我們并不存在多少差距。從研發(fā)角度而言國外品牌早已將研發(fā)中心建設(shè)在國內(nèi)，研發(fā)和生產(chǎn)制造都是國產(chǎn)化。并沒有純粹的國外系統(tǒng)與中國系統(tǒng)之別，只不過在于品牌的差異。

　　國內(nèi)控制器廠家如和利時、浙大中控、北京安控等，都各自推出了站控系統(tǒng)產(chǎn)品。其中北京安控一直從事油氣田自動化(數(shù)字化)產(chǎn)品的生產(chǎn)、研發(fā)和系統(tǒng)集成。北京安控的Super E50系列RTU是公司集多年的站控系統(tǒng)開發(fā)、工程經(jīng)驗設(shè)計的新型站控RTU產(chǎn)品，可實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場信號的采集和設(shè)備的控制。該產(chǎn)品采用了先進的32位ARM技術(shù)，高效的嵌入式操作系統(tǒng)，整個系統(tǒng)功能強大、操作方便、集成度高。不僅能勝任邏輯、定時、計數(shù)控制，還能完成數(shù)據(jù)處理、高速計數(shù)、模擬量控制、PID、RTD、TC、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。其程序開發(fā)方便，符合IEC 61131-3標準，支持LD、FBD、IL、ST、SFC五種程序語言，可與上位機組成控制系統(tǒng)，實現(xiàn)集散控制。

　　4實現(xiàn)目標

　　基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字化油田站控系統(tǒng)，建立一套覆蓋油氣生產(chǎn)、處理等全過程的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、關(guān)鍵過程聯(lián)鎖控制、工藝流程可視化展示、生產(chǎn)過程實時監(jiān)測的綜合信息平臺，達到強化安全管理、突出過程監(jiān)控、優(yōu)化管理模式，以實現(xiàn)優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)、提高效益的目標，具體實現(xiàn)目標如下。

　　(1)實現(xiàn)油氣生產(chǎn)、處理系統(tǒng)的智能化管理

　　• 實現(xiàn)油氣水井、站庫的數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控。

　　• 在油氣處理系統(tǒng)出現(xiàn)故障時的應(yīng)急自動處理。

　　(2)施工現(xiàn)場操作安全環(huán)保，實現(xiàn)人性化管理

　　• 對生產(chǎn)異常和故障進行報警，實現(xiàn)故障巡井，減輕生產(chǎn)一線員工的工作量。

　　• 保證現(xiàn)場操作人員的安全。

　　(3)科學(xué)指導(dǎo)生產(chǎn)，降低油田開發(fā)成本

　　• 優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)，控制一線員工用工總量，實現(xiàn)增產(chǎn)不增人。

　　• 通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時分析，降低油井蠟卡等停工停井數(shù)量，提高油井生產(chǎn)時率。

　　• 通過監(jiān)測原油集輸溫度，實現(xiàn)油井冬季低溫生產(chǎn)的常溫輸送，節(jié)省能源消耗。