The Technology Research of Oil and Gas Production IOT iProd System

Abstract：This paper analyzed current intelligent management situation of domestic oil and gas production,and built the overall structure and technical programs of oil and gas production IOT iProd system.The oil and gas production IOT iProd system is mainly composed of acquisition and control subsystem,data transmission subsystem,working condition analysis and forecasting subsystem,IOT network and equipment management subsystem, production operation management subsystem.This system had some application functions,such as dynamic real-time monitoring of oil and gas production,statistical analysis of production information, real-time diagnosis for the production conditions,smart optimization for process,concentrated expression for critical alarm, production KPI dynamic display,production equipment management,production command and control.Thus able to achieve many of system functions,included automatic production data collection,analysis of working conditions,failure warning and alarm,key process chain control,process visualization display,real-time intelligent decision-making of the production process for oil and gas wells,metering station,processing station or storage,and related transportation pipeline network.

Key words:Oil and gas production,process control,intelligent management,IOT

1 概述

各油田為滿足生產(chǎn)需求，已經(jīng)建立了各自的油氣生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工況監(jiān)控、分析與管理和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并正在當(dāng)前生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用^[1-5]。但這些系統(tǒng)是由軟件開(kāi)發(fā)公司和油田用戶結(jié)合各自油田生產(chǎn)的特點(diǎn)和實(shí)際情況合作開(kāi)發(fā)的，主要是為了滿足油田公司、采油廠、作業(yè)區(qū)等各級(jí)目標(biāo)用戶生產(chǎn)運(yùn)行管理的需要。由于受地域、地形地貌、氣候條件、油藏地質(zhì)、社會(huì)環(huán)境差異的影響，因此各油田油氣生產(chǎn)數(shù)字化的功能不盡相同，建設(shè)也具有各自的特殊性。目前各油田已經(jīng)建成并應(yīng)用的一部分油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在軟件平臺(tái)、開(kāi)發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)組態(tài)方式上都有很大差異，還沒(méi)有形成統(tǒng)一的系統(tǒng)。

建設(shè)面向生產(chǎn)操作過(guò)程的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是通過(guò)傳感、射頻、通訊、先進(jìn)計(jì)算等技術(shù)組合，對(duì)油氣水井、計(jì)量間、油氣站庫(kù)等生產(chǎn)對(duì)象進(jìn)行全面的感知。實(shí)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)控制中心的集中管理和控制，搭建規(guī)范、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，支持油氣生產(chǎn)過(guò)程管理，提供油氣生產(chǎn)的實(shí)時(shí)分析優(yōu)化，進(jìn)一步提高油氣田生產(chǎn)決策的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，達(dá)到節(jié)約油氣生產(chǎn)的建設(shè)投資與運(yùn)行成本的目的。

2 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

本文討論的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)iProd（Intelligent Production Engineering System）包括采集與控制、數(shù)據(jù)傳輸、工況分析預(yù)測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備管理、生產(chǎn)運(yùn)行管理等五個(gè)子系統(tǒng)。iProd由感知與控制層、傳輸層和應(yīng)用層組成，其分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。感知與控制層由安裝在油氣生產(chǎn)流程上的各種感知設(shè)備和控制設(shè)備組成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)的全面感知和各種設(shè)備的自動(dòng)控制；由無(wú)線傳感網(wǎng)、專網(wǎng)和公網(wǎng)無(wú)線技術(shù)等組成的無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了該系統(tǒng)的傳輸層，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸；應(yīng)用層則可實(shí)現(xiàn)包括生產(chǎn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、生產(chǎn)工況實(shí)時(shí)診斷、生產(chǎn)趨勢(shì)預(yù)測(cè)、生產(chǎn)參數(shù)智能優(yōu)化、關(guān)鍵告警集中展現(xiàn)、生產(chǎn)KPI動(dòng)態(tài)展示、生產(chǎn)設(shè)備管理、生產(chǎn)調(diào)度指揮管理等功能。其中類似WebAccess的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的引入，可對(duì)各種感知設(shè)備和傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自身診斷和管理，而移動(dòng)智能應(yīng)用則可以實(shí)現(xiàn)諸如物聯(lián)設(shè)備安裝、運(yùn)維的工單派發(fā)、工作上報(bào)、與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)交互及應(yīng)用等功能，使油氣生產(chǎn)的管理更加智能化。

圖1 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

3 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)功能

    油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)功能設(shè)計(jì)需要滿足油氣田的日常生產(chǎn)運(yùn)行、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)監(jiān)控、設(shè)備管理、成果展示等需求。對(duì)于目前油氣生產(chǎn)現(xiàn)狀分析中所反映出來(lái)的不足和存在的問(wèn)題，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，主要立足于解決如下生產(chǎn)問(wèn)題：1）快速了解生產(chǎn)概況：顯示采油氣廠生產(chǎn)狀況、產(chǎn)量、注水量變化情況；2）及時(shí)提供故障報(bào)警和預(yù)警：報(bào)警和預(yù)警信息自動(dòng)通知相關(guān)人員及時(shí)處理；3）自動(dòng)生成生產(chǎn)報(bào)表：自動(dòng)生成、存儲(chǔ)、查詢井、站、作業(yè)區(qū)的相關(guān)生產(chǎn)報(bào)表，自動(dòng)繪制相應(yīng)曲線；4）自動(dòng)控制生產(chǎn)過(guò)程：關(guān)鍵生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制、提高生產(chǎn)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性；5）高危環(huán)境重點(diǎn)區(qū)域：生產(chǎn)環(huán)境的可燃有毒監(jiān)測(cè)、重點(diǎn)井高產(chǎn)井的視頻監(jiān)控； 6）定時(shí)完成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)自檢：對(duì)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)儀表等數(shù)字化設(shè)備定時(shí)自動(dòng)巡檢和故障原因定位。

3.1 采集與控制子系統(tǒng)功能

該子系統(tǒng)是通過(guò)傳感器、無(wú)線傳感網(wǎng)、射頻識(shí)別、RTU等設(shè)備自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、處理油氣生產(chǎn)對(duì)象的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)攝像頭、危害氣體監(jiān)測(cè)等裝置，自動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的環(huán)境信息，將這些信息傳輸?shù)讲捎蛷S實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，支撐生產(chǎn)監(jiān)控等應(yīng)用；同時(shí)，通過(guò)ESD、控制閥等自動(dòng)化控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制。該子系統(tǒng)的功能如圖2：

圖2 采集與控制子系統(tǒng)功能

3.2數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)功能

     該子系統(tǒng)是采用無(wú)線傳感網(wǎng)、專網(wǎng)和公網(wǎng)無(wú)線技術(shù)（融合WSN、McWill、WiMAX、WiFi、3G、GPRS、CDMA、衛(wèi)星等無(wú)線傳輸技術(shù)）組成無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)線傳輸：用于單井、邊遠(yuǎn)站庫(kù)的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與視頻傳輸，采用無(wú)線傳感網(wǎng)、公網(wǎng)無(wú)限傳輸（融合WSN、McWill、WiMaX、WiFi、GPRS、CDMA、3G、4G、衛(wèi)星等無(wú)限傳感技術(shù)）組成無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。有線傳輸：用于計(jì)量間、中轉(zhuǎn)站、集氣站、聯(lián)合站等較近單位的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與視頻傳輸，主要采用油田內(nèi)網(wǎng)（光纖）傳輸。該子系統(tǒng)的功能如圖3：

圖3 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)功能

3.3 工況分析預(yù)測(cè)優(yōu)化子系統(tǒng)功能

該子系統(tǒng)主要是對(duì)采集、傳輸?shù)綄?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的油氣水單井、計(jì)量間、處理站庫(kù)及相關(guān)集輸管網(wǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析優(yōu)化預(yù)測(cè),如圖4所示。計(jì)量間、處理站庫(kù)及相關(guān)集輸管網(wǎng)的工況分析優(yōu)化主要是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、工況診斷、運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化、智能控制、出現(xiàn)故障時(shí)的應(yīng)急自動(dòng)處理；油氣水單井的工況分析預(yù)測(cè)優(yōu)化是該子系統(tǒng)中最重要的組成部分，實(shí)現(xiàn)油氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)管理、實(shí)時(shí)分析、實(shí)時(shí)優(yōu)化、實(shí)時(shí)控制、智能預(yù)測(cè)等^[6-8]，以實(shí)現(xiàn)智能化管理。

圖4工況分析預(yù)測(cè)優(yōu)化子系統(tǒng)功能

3.4 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備管理子系統(tǒng)功能

    該子系統(tǒng)主要包括物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理主要包括對(duì)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)健康狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)健康狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)信道、節(jié)點(diǎn)功能配置、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步、網(wǎng)絡(luò)安全等的管理。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理主要是負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)化的壓力儀表、流量計(jì)、示功儀、攝像頭、有害氣體檢測(cè)儀和RFId讀寫(xiě)器、網(wǎng)關(guān)、路由等物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的狀態(tài)和運(yùn)行情況的監(jiān)控。除了對(duì)于節(jié)點(diǎn)上的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和其他節(jié)點(diǎn)資源的管理，也包括節(jié)點(diǎn)能耗（尤其是電池供電節(jié)點(diǎn)）和信道質(zhì)量的監(jiān)控。從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的“即開(kāi)、即入、即管、即用”功能。該子系統(tǒng)的功能如圖5：

圖5 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備管理子系統(tǒng)功能

3.5生產(chǎn)運(yùn)行管理中心子系統(tǒng)功能

生產(chǎn)運(yùn)行管理中心子系統(tǒng)是提供油氣生產(chǎn)的業(yè)務(wù)狀態(tài)報(bào)告，關(guān)鍵生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)KPI動(dòng)態(tài)報(bào)表，生產(chǎn)流程可視化與跟蹤，綜合實(shí)時(shí)信息展現(xiàn)，關(guān)鍵告警集中展現(xiàn)，聯(lián)合業(yè)務(wù)調(diào)度指揮；應(yīng)急預(yù)案可視化，聯(lián)合緊急指揮，應(yīng)急計(jì)劃實(shí)施狀態(tài)追蹤，應(yīng)急計(jì)劃模擬演練；日\(chéng)周\月\季\年業(yè)務(wù)經(jīng)營(yíng)分析， 協(xié)同辦公，生產(chǎn)過(guò)程全景展示（地理、流程、組織、績(jī)效、治理及運(yùn)營(yíng)成果等）等。該系統(tǒng)在采油氣生產(chǎn)部門部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和監(jiān)控中心，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳到總部數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的及時(shí)了解，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理、分析優(yōu)化、指揮調(diào)度、智能決策，洞觀全局，掌控運(yùn)行。系統(tǒng)功能如圖6：

圖6 生產(chǎn)運(yùn)行管理中心子系統(tǒng)功能

4 結(jié)論與建議

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)iProd的建成可以實(shí)現(xiàn)包括油氣水井、計(jì)量間、處理站庫(kù)及相關(guān)集輸管網(wǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、工況分析、故障預(yù)警和報(bào)警、關(guān)鍵過(guò)程連鎖控制、工藝流程可視化展示、生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)智能決策等功能。能達(dá)到強(qiáng)化安全管理、突出過(guò)程監(jiān)控、優(yōu)化管理模式，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)、持續(xù)改進(jìn)業(yè)務(wù)績(jī)效的目標(biāo)。

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)除需要有一個(gè)先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案之外，還應(yīng)總結(jié)一些油氣田在面向生產(chǎn)操作過(guò)程的數(shù)字化建設(shè)方面所取得的一些有益的探索和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合國(guó)際上先進(jìn)石油企業(yè)的最佳實(shí)踐和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，來(lái)經(jīng)濟(jì)高效地建設(shè)我國(guó)的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)的基本概念和發(fā)展方向就是將涉及油氣經(jīng)營(yíng)的各種資產(chǎn)(油氣藏等實(shí)物資產(chǎn)、數(shù)據(jù)資產(chǎn)、各種模型和計(jì)劃與決策等)，通過(guò)各種行動(dòng)(數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解釋與模擬、提出并評(píng)價(jià)各種選項(xiàng)、實(shí)施等)，有機(jī)地統(tǒng)一在一個(gè)價(jià)值鏈中，形成虛擬現(xiàn)實(shí)表征的智能油田系統(tǒng)。油氣田智能化要求油氣田開(kāi)發(fā)進(jìn)入自動(dòng)化、可視化、實(shí)時(shí)化、智能化的閉環(huán)新階段。人們可以實(shí)時(shí)觀察到油田的自然和人文信息，并與之互動(dòng)。

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作者簡(jiǎn)介：檀朝東（1968-），男，安徽望江縣人，副研究員，博士，從事石油工程、物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)及科研工作；

Author introduction:Tan Chaodong,was born in Wangjiang of Anhui Province in 1968,associate researcher,Ph.D,engaged in petroleum engineering, Internet of Things teaching and research work.

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