降低抽油机井物联网系统建设和维护成本分析

李兵元

[摘    要] 随着物联网技术的日益成熟，国内大型油气生产集团都在大力开展油气生产物联网系统的建设，并且取得显著的效果和良好的经济效益。但同时也存在着明显的问题，那就是物联网系统建设费用巨大，成本高昂，如何降低其建设成本具有重要的意义。本文从油田中数量最多的抽油井出发，分析抽油机物联网系统系统结构，从减少传感器和采用适宜的传输技术等方面，提出了降低其物联网系统建设和维护成本的方法。

[关键词] 物联网;抽油机井;成本

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 21. 038

[中图分类号] TP315    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2019）21- 0098- 03

0     引    言

物联网技术是近些年新兴的信息技术，在油田的生产管理中起到了重要的作用，提高了工作效率，优化了劳动组织结构，减少了一线用工量，为油田生产的精细化管理提供了手段，达到“增产、增效、不增员，节能、节约、降成本”的目的。

国内的大型石油公司高度重视油气生产物联网系统建设，提出了要深入推进数字化、可视化、自动化、智能化发展，实现生产运行从人工值守向人机结合和无人值守转变，要实现这种转变，就需要建设物联网系统。在大型石油司里，拥有众多的油气田，各种油水井数量巨大，从几万口到几十万口，还拥有众多的配水间、转油站和油气处理站等大中小型站场，整个系统建设费用巨大，动辄需要数亿元，甚至几十亿元，后期的维护费用也非常庞大，如何降低物联网系统的建设和维护费用就非常有意义。

經过统计，在油田的油井、气井和水井中，抽油机井包括稀油抽油机井和稠油生产井（也是抽油机井），在油田的总井数中占了80%以上，是油田的生产主力，其物联网系统的建设费用在整个费用占了很大的比重，如何降低这三类井的物联网建设成本成为物联网系统建设研究的重要方向。

1      抽油机井物联网系统构成

主要组成单元：远程控制单元（RTU），载荷传感器（示功仪），油压变送器，套压变送器，温度变送器，摄像头。传感器数据传输有两种方式：有线或无线（ZigBee、4G、LoRaWAN或BN-IOT等）。如图1所示。

数据上传方式：有线传输（光缆）或者无线传输（网桥、WIFI、4G、LoRaWAN或BN-IOT等）。

主要实现功能：远程电子巡井，远程操控实现不正常井及时发现，节能优化辅助判断。

抽油机井物联网系统技术成本主要由传感器和数据上传网络两部分部分构成，只要能降低这两部分的成本就可以有效地降低抽油机井的物联网建设成本，进而达到降低油气生产物联网系统的建设成本。

2      降低成本的方法分析

2.1   数据上传网络选择

两种方式：自建网络和公用网络（电信运营商网络）。

自建网络：①国内油田的油区有很多都位于沙漠、戈壁或高原，人烟稀少，没有社会依托，只能自行建设。②电信运营商网络无法满足油区内大数量、高并发的数据业务。③数据保密和工业网络安全的需要。自建网络建设难度大，但可控性好，能够满足数据保密和工业网络安全的需要，但建设成本高，运行和维护成本高。

电信运营商网络：在有社会网络环境依托条件下的油区，可以采用。租用运营商成熟稳定覆盖面广的传输网络，建设资金中基本没有网络建设费用，油气生产物联网建设可以集中在前端采集方面，同时建设难度随之降低，同时降低传输网络运维费用和维护人员数量。

在今后的物联网系统建设中，在保障安全的基础上，大量采用电信运营商网络是必然的趋势。

2.2   减少传感器数量

2.2.1   合理选择采集参数

随着油田开发阶段不同，生产井的工况也不同，采集参数选择也有区别。每个油田按照地质条件、区块、开采方式合理选择采集参数，降低传感器数量，也就降低了建设成本，同时也降低了后期运行维护费用。例如，现在很多油田都实现了井口常温输送，就可以不采集井口的出液温度，减少温度传感器。

2.2.2   制定合理的采集周期

目前各个油田前端采集数据的采集周期按照生产要求和现场工况制定，通常设定为温度和压力每三分钟采集一次，功图数据每30分钟采集一次。国内的油田很多处于开发后期，含水很高，但单井工况很稳定，只要仔细地研究和分析，完全可以进一步优化采集周期，比如：温度和压力每10分钟或者15分钟采集一次。对于无线仪表来说，降低采集频次意味着延长电池的使用寿命。电池在物联网运维中占有一定的工作量和更换费用，同时，也影响现场数据采集，制定合理的采集频次可以延长仪表的在用时间，也避免重复提取数据。

2.2.3   传感器集成

电参模块+抽油机启停模块：将启停模块和电参模块进行集成，在施工费、材料费减少的同时，也能满足监控油井状态。

温度+压力传感器：温压一体传感器，一个传感器实现两个传感器的功能。

监控功能前移：传感器的高低限值通常是有生产监控系统实现，现在，也可以直接在传感器的电路中实现，如：设定温度的上下限，温度波动在上下限内，就不上传数据，这样就可以大大减少数据的上传，有利于降低无线传感器的功耗，延长电池的使用寿命，从而降低维护成本。

这样的技术在单井的使用，实现了物联网系统的功能，减少了传感器的数量，明显降低了建设成本。

2.2.4   电工图解算功图

电参数作为抽油机井的基本运行参数，是数字化的必装传感器，具有采集成本低、数据采集频率高及数据稳定等特点。采用人工智能技术对海量的电参数据进行深入分析和挖掘，可以解算出抽油机井的示功图，通过不断的学习，可以实现电参解算出的示功图精度，达到示功仪的精度，满足判断抽油机井泵工作是否正常、判断抽油机是否平衡及工况诊断等生产应用的要求。

此项技术已经研究了很多年，目前已经取得了很大的进展。在油田上目前已经开始试点，此技术的使用可以大量减少示功仪的安装使用，能够显著降低抽油机井的物联网建设成本。

2.2.5   网络传输技术结合传感器技术

结合无线传感器技术和无线传输技术，传感器数据不经过RTU，直接透传到无线网关。这种方法就取消了RTU，是一个费用较高的设备，没有了它，就可以有效地降低抽油机井的单井造价。这种技术已经在油田得到了应用。主要由两种方式：NB-IOT和LORAWAN技术。

NB-IOT网络由电信运营商负责建设，具有如下特点：

（1）强链接：在同一基站的情况下，NB-IOT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、低设备功耗和优化的网络架构。

（2）覆盖广。NB-IOT室内、地下室覆盖能力强，相比LTE提升20dB增益，相当于提升了100倍覆盖区域能力。不仅可以满足农村这样的广覆盖需求，对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用同样适用。以井盖监测为例，过去GPRS的方式需要伸出一根天线，容易被来往车辆损坏，而NB-I0T只要部署得当，就可以很好地解决这一难题。众山科技在智能井盖监测方面为多个城市提供设备和解决方案。

（3）低功耗。低功耗特点是物联网应用一项重要指标要求，特别是对于一些不能经常更换电池的设备及场合，比如安置于高山荒野偏远地区中的各类传感监测设备和电力电压监测设备，它们不可能像智能手机一天一充电，因此长达几年的电池使用寿命是最本质的需求。NB-IOT聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IOT设备功耗可以做到非常小，设备续航工作时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。

（4）低成本。NB-IOT不需要重新建网，射频和天线基本上都是复用的。以中国移动为例子，900MHz里面有一个比较宽的频带，只需要清出来一部分2G的频段，就可以直接进行LTE和NB-IOT的同时部署。低速率、低功耗、低带宽同样给NB-IOT芯片以及模块带来低成本优势。

图2是NB-IOT的结构图，从图中看到相对于传统物联网组网方式，网络部署减少了所有中间环節，成本低、可靠性高，低功耗保证了电池使用寿命，运营商网络支撑保证终端实时在线。

LoRaWAN技术和网络具有和NB-IOT类似的优点，不同之处在于，国内主要由企业自己组网和维护。其架构图如图3所示。

相对于传统物联网组网方式，减少了RTU（CPE，基站等），成本低、可靠性高，低功耗保证了电池使用寿命，有效地降低了物联网系统的建设和维护成本。

3      结    语

综合以上的分析可以得出，通过多种方法是可以有效地降低抽油机井物联网系统建设成本，并且在未来还有继续改进的余地，随着新的传输技术和新的传感器技术的发展和发明，还可以进一步降低成本。

主要参考文献

[1][作者不详]Semtech发布基于LoRaWAN的解决方案加速器以简化物联网应用[J].电子测量技术，2019，42（6）：93.

[2]戴博，袁弋非，余嫒芳.窄带物联网（NB-IoT）标准与关键技术[M].北京：人民邮电出版社，2016.

[3]李彤，李博，常成，等.LoRaWAN协议分析及安全性研究现状[J].单片机与嵌入式系统应用，2018，18（11）：21-25.