油水井措施施工数字化监控平台的设计与实践

杨峰，杨灏，魏江伟，张进科　(中石油长庆油田分公司第五采油厂，陕西 高崚 716000)

油水井措施施工数字化监控平台的设计与实践

杨峰，杨灏，魏江伟，张进科(中石油长庆油田分公司第五采油厂，陕西 高崚 716000)

[摘要]如何在目前数字化油田的大环境下实现措施施工的有效管理,是油田急需解决的问题。根据油田油水井生产实际,通过对油水井措施施工目前存在的问题及其需求分析,提出了油水井措施施工数字化监控平台的设计技术路线和设计方案。油水井措施施工信息化监控系统主要由现场数据采集及传输单元和远程服务器监控平台两个部分组成。2014年分别在长庆油田冯地坑作业区、马房山作业区堵水调剖措施施工现场进行了现场数据采集及传输单元的安装、调试和测试,达到了预期的设计效果,为国内其他油田的措施施工提供了参考。

[关键词]油水井;措施施工;数字化管理;监控平台;技术路线;方案设计

随着油田开采时间增加，对已投产的油水井通过采用先进的工艺措施如压裂、酸化、堵水等来提高油田采油速度和采收率，是油田注水开采阶段提高经济效益的重要手段。然而，因现场作业区域分散、地域距离远、交通和信息交流不便，使得采油厂管理人员和技术人员难以随时掌握现场措施施工动态，关键性数据信息难以及时获得，而且过程中外界环境、现场技术人员的能力和责任心等因素影响了管理人员对现场施工情况的全面了解。因此，实现措施施工工艺过程的信息化监控管理[1]、开发数字化监控平台具有重要的现实意义。

1现状分析

1.1　存在问题

油水井措施施工工艺主要有压裂、酸化和堵水调剖工艺。通过对这些施工工艺过程的分析和现场调研发现目前存在的问题：①压裂和酸化措施可能由于工艺参数不合理，造成压不开、压窜、砂堵、砂卡等事故；②堵水调剖措施可能由于措施执行不到位，如堵剂用量不足而导致措施处理无效等问题；③井场措施施工中经常接触石油、天然气等易燃易爆和其他有毒有害物质，易发生人员伤亡、环境污染等事故；④施工现场通讯条件差，数据采集及控制较难实现，对突发事件，需要进行专家会诊比较困难；⑤现场施工数据采集、现场指挥、现场施工操纵等主要是在仪表车上进行，仪表车上的数据、施工现场的视频都没有传输到远端的监控中心，无法从网上实时查看施工现场状况并对现场进行指挥控制。

1.2　需求分析

通过对油水井措施施工存在问题的分析，油田生产管理部门亟需研发和建设一套满足油田措施施工实际需要的实时数据采集、视频监控和远程传输系统，将施工前期、中期、后期的关键生产数据信息和视频图像信息传输到采油厂的管理中心，从而实现信息共享和应用、压裂方案设计、远程专家诊断和现场监控。

2技术线路

根据不同措施工艺类型所需采集监控的工艺参数，确定现场数据采集仪表的技术指标，包括仪表测量介质适应性、测量精度、工作温湿度、信号输出方式、安装方式等[2,3]。在现有压裂、酸化仪表车软硬件环境中，部署针对性开发的数据接口模块，实时获取压裂仪表车的监测数据。开发、集成一套适用于油田压裂、酸化、堵水调剖3种不同工艺措施关键生产数据监控的RTU系统，采取标准化设计、模块化集成，确保橇装式仪表系统的现场安装和使用的便携性以及可靠性。结合油田的数字化网络现状，充分考虑目前各种成熟、主流的无线通讯方式，选择适合措施施工现场条件的数据传输方式，并开发相应软件程序和数据接口。开发完成油水井措施施工参数实时采集监控系统软件平台及数据发布组件，实现监控软件对施工现场工况的实时数据采集、趋势曲线绘制、报表数据生成、历史数据检索、异常报警提示、视频图像监控、B/S结构数据及视频发布等功能。

3方案设计

3.1　现场数据采集及传输单元

1)现场传感器压裂、酸化、堵水调剖施工中主要监控和采集的参数包括压力、排量、砂比等，以上参数的获得均要通过压力传感器、流量计、专用传感器来实现，传感器的准确与否和使用可靠性、寿命均将直接影响施工质量和施工安全。方案设计选用电容式压力传感器、电磁式流量计、发射性密度计完成现场数据采集。

2)摄像机考虑到数据远程传输以及网络带宽因素，选择低照度感红外一体化带云台标清网络摄像机，根据监控需求现场设置两个视频监控点，通过设置云台自动巡航功能实现主要生产区域的视频监控覆盖。

3)RTU单元RTU单元作为现场数据采集及传输单元的核心处理器部分，既要负责各个传感器数据的采集接入，又要考虑与仪表车等第三方PLC/RTU系统的数据通讯，此外还应具有标准的RJ45和RS232口以便于实现与无线网桥、GPRS DTU的数据通讯。

4)通讯模块常规通讯方式分为有线传输和无线传输，按照网络类型分为内网通讯和公网通讯。根据措施施工现场实际工况，通讯方式设计为2种方式：①井场已建数字化通讯网络的情况下，通过一套5.8G工业级无线网桥实现RTU采集箱数据向井场网络的接入，无需布线且保证了通讯距离和通讯效果，也便于现场安装；②拉油井场等偏远地区未连通数字化通讯网络的情况下，通过一套GPRS DTU实现RTU采集箱数据通过公网的透明数传，在厂监控平台进行数据接收。

5)集成橇橇装结构设计是设备框架和设备整体组合的一种形式设计，主要考虑到设备移动的便携性、接口的简易度、安装的牢固性等因素。现场传感器因为需要与工艺管道等直接连接，因此需要采取螺纹、法兰、卡箍等方式进行安装固定；除传感器之外的摄像机单元、RTU单元、通讯单元均可集成到橇上。设计考虑设备的集成、运输、使用，集成橇设计功能和要求：①采用立方体结构设计，运输时橇体全方位密闭，无活动部件外露；②橇内集成RTU箱、摄像机、补光灯、无线网桥(单个)及配套附件；③传感器到RTU单元的信号线两端均采用户外仪表专用快速接头连接；④摄像机和无线网桥支架采用升缩式结构设计，可调节架高高度；⑤橇体外壳采用304不锈钢材质，防护等级IP65。

3.2　远程服务器监控平台

远程服务器主要用于现场油水井措施施工参数的采集、处理、存储、视频监控及转发、网页发布等。服务器硬件因数据负载量不大，方案设计选用工控机。

1)操作系统考虑到系统的易用性和驱动程序的完整性，远程服务器的操作系统选用Windows XP with SP3版本，操作系统加装工业组态软件、SQL数据库、DTU驱动、视频ActiveX驱动、专用接口驱动等。

2)组态软件选用技术成熟、功能强大的工业组态软件作为开发平台，极大地缩短软件平台和网站发布的开发周期，减少开发费用；后期维护难度低，便于功能扩展。组态软件的功能和要求：①支持工业标准RTU通讯协议；②支持ActiveX控件嵌入及转发；③支持长时间的数据存储备份；④支持软件平台的Web网站发布。

4应用实践

2014年5～11月分别在长庆油田冯地坑作业区、马房山作业区堵水调剖措施施工现场进行了现场数据采集及传输单元的安装、调试和测试，远程服务器架设在冯地坑前线指挥部机房并实现了预期功能。

4.1　硬件功能部分

1)数据采集RTU控制器带两路RS485通讯，一路作为Modbus主站用于读取智能流量计内的瞬时和累计流量；一路作为Modbus从站用于GPRS DTU上传数据到服务器。

2)数据传输集成橇上的无线网桥与井场数字化通讯杆上的无线网桥通讯实现厂局域网的接入；当厂局域网通讯故障时RTU内的GPRS DTU通过中国移动公网将数据打包发送至指定公网IP。

3)视频监控两路视频固定于集成橇内，带伸缩杆调节高度、阵列LED灯夜晚补光，视频支持本地SD卡存储并通过局域网实时传输至监控后台。

4)设备安装集成橇放置于施工现场，压力变送器通过三通、截止阀安装于水井取压口，智能流量计通过高压卡箍固定于加药管道。

4.2　软件功能部分

1)RTU软件实现模拟量A/D转换采集、流量计Modbus RTU通讯以及GPRS DTU通讯调试。

2)视频嵌入软件通过视频摄像机厂家提供的SDK工具开发ActiveX控件，实现视频图像在力控组态软件上的图像显示、视频操作等。

3)服务器软件平台在力控组态软件上开发数据显示、趋势曲线、数据报表、异常报警、网站发布等功能模块。

5效果评价

油水井措施施工信息化监控的应用实践，对油田常规生产模式在数字化建设的基础上进一步技术改造，实现压裂、酸化、堵水措施现场的实时监控和信息共享，通过近半年的运行效果跟踪，目前各项功能均能够实现，主要效果：①实现油田压裂、酸化、堵水措施现场的实时监控和信息共享；②加强措施施工过程管理能力，提升施工的有效率，降低生产成本；③关键工艺参数和视频图像的监控，及时发现事故苗头，消除安全隐患；④厂级管理平台数据记录和共享，为专家会诊、措施优化提供数据支持。油水井措施施工信息化监控的试验探索，进一步显示了油田由自动化向信息化、智能化发展的必然趋势，为油田企业安全生产、精细管理和提高企业竞争力提供参考。

[参考文献]

[1]朱天寿.油气田数字化管理[M].北京：石油工业出版社，2011.

[2] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，2003.

[3] 贾爱林，郭建林.智能化油气田建设关键技术与认识[J].石油勘探与开发，2012，39(1)：118～122.

[编辑]帅群

[引著格式]杨峰，杨灏，魏江伟，等.油水井措施施工数字化监控平台的设计与实践[J].长江大学学报(自科版) ,2015,12(26):84~86.

[中图分类号]TE938.2

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2015)26-0084-03

[作者简介]杨峰(1972-)，男，工程师，现从事油田数字化建设与管理工作，yfcq@petrochina.com.cn。

[收稿日期]2015-05-04