油气生产物联网系统建设分析

李兵元 李恺 吴斌 丁煜晖

[摘    要] 分析了某油气生产能源集团公司（简称A集团公司）油气生产物联网系统建设的现状，讨论了物联网系统的作用和建设规划，并就油气生产物联网系统的未来的发展愿景进行了分析。

[关键词] 油气生产;物联网;现状;规划;展望

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 03. 042

[中图分类号] TP311    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2020）03- 0102- 04

1      油气生产物联网架构

“油气生产物联网系统”就是利用物联网技术，实现油气田井区、计量间、集输站、联合站、处理厂生产数据、设备状态信息在采油采气厂生产指挥中心及生产控制中心集中管理和控制的系统。物联网网络架构由感知层、网络层和应用层组成。系统架构图如图1所示。

感知层实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制，并通过通信模块将物理实体连接到网络层和应用层。

网络层主要实现信息的传递、路由器和控制，包括延伸网、接入网和核心网，网络层可依托公众电信网和互联网，也可以实现依托行业专用通信资源。

应用层包括应用基础设施/中间件和各种物联网应用。应用基础设施/中间件为物联网应用提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物联网在众多领域的各种应用。

2      物联网建设现状

A集团公司下辖十数家油气田生产企业，油气生产企业主要是通过产能建设中配套、集团公司集中建设和自筹资金这几种方式来进行物联网系统建设。通过多年的建设，物联网系统建设在减少一线用工需求、节能降耗和提高生产时率等方面效果显著，也创造了良好的经济效益，其中更是有多家油气田公司实现了油气生产物联网系统全覆盖。下面将从几个方面分析物联网系统建设的现状。

2.1   生产现场监控系统

这是应用层中的重要组成部分，提供物联网信息的处理、显示和控制并为其他应用提供基础数据。这一系统是成熟的独立的软件系统，在A集团公司有多种软件在现场使用，主要包括：国外公司GE公司iFIX组态软件、霍尼韦尔SCAN 3000和DCISYSTEM SIX组态软件等，国内的三维力控公司的eForceCon组态软件和组态王等。

2.2   传输网络

油田矿权区域里地形复杂，沙漠沙丘起伏，雅丹地形沟壑纵横，戈壁平坦一望无际，山区隔山向望;网络技术几十年来发展迅速，迅速演化;不同的年代有不同的需求，油气田公司根据这些因素，选择最适宜的网络架构，”有线+无线，长距离+短距离”。

长距离数据传输：大数量、高速度、高带宽、费用高昂，主要是光纤网络。

短距离数据传输：布设便捷、使用灵活、易于扩展、经济节约，主要有数传电台、ZigBee、4G、WIFI和网桥，同事还有正在普及的有LORAWAN和NB-IOT，以及5G等。

2.3   信息安全

国家对涉及网络安全的单位强制要求进行保护，等级保护制度已经提升到了法律层面，按照等保2.0的规定，油田的工业控制网络按照等保全三级进行保护。按照国家的法规和标准，大部分采油气厂尚未建成完整和独立的油气生产网络。

2.4  运维现状

总体来看，油气生产物联网的运维管理工作主要还是自行选择外部运维队伍对本单位的系统进行维护。许多油田企业还没有建立统一和高效的运维体系。

2.5  环境、安全现状

油气田企业拥有数量众多的稀油、稠油和天然气井，开发条件多样，开采工艺复杂，生产过程中面临着高温高压和有毒气体的风险，还存在跑冒滴漏的风险。

大部分的油区工作现场距市区生活基地有着较远的距离，上下班需要送班，存在行车安全，运行费用高昂，现场员工生活保障也很有难度。

很多油区分布在农业生产区和牧场草原中，有很大的综治难度和环境污染风险。

2.6  应用系统现状

从2009年起，新疆油田就开始了智能油田的建设，油气生产物联网、单井诊断与优化等多个项目已获得应用，并取得良好应用效果、创造经济效益。目前正在开展产量变动分析和预测系统 、智能仓储信息系统的建设以及智能油田平台开发和大数据分析应用工作。

2.7  人员现状

按照油公司改革和三项制度改革，人数将有大幅的人员减少，人均管井数将大幅上升。

2.8  生产管理模式

管理模式一：部分采油气厂的生产作业区实现了“远程监控、按需巡检、中小站场无人值守”的生产运行模式和“监控中心—现场班组”的两级生产管理模式。

管理模式二：大部分采油气厂的生产作业区以人工巡检为主、员工手工抄录数据和“采油气厂—采油气站队—现场班组”的三级生产管理模式。

2.9  物聯网的覆盖率不足，且建设成本高昂

在油气开发程度处于后期的油气企业，油井众多，产量很低，总体物联网建设程度较低;由于油气水井和站场数量巨大，A集团公司的油气生产物联网系统建设总费用巨大。

3      物联网作用分析

油气生产物联网在油气生产企业的生产和管理中起到了很好的作用，物联网技术也已经渗透到了勘探、开发与生产的各个环节中。在勘探与评价、开发工作中、生产过程中都有大量的应用，将推进油田信息化的转型，实现数字油田到智能油田的飞跃。

物联网的作用主要体现在以下几个方面。

3.1  改变生产运行模式

油气水井：“定时巡检、现场抄表”转变为“远程监控、按需巡检”;

中小型站场：“驻点值守”转变为“无人值守”;

大型站场：“多人值守”转变为“少人值守”;

生产现场：“事后人工排障”转变为“提前预测”。

3.2  生产运行模式的转变促进生产管理模式转变

大量一线工人后撤集中;

生产流程优化和再造，多种岗位整合，班组结构发生变化;

三级生产管理模式向“监控中心—现场班组”的两级生产管理模式转变。

3.3  生产管理模式的转变促进人力资源配置优化

管理层级压缩，三级生产管理模式向“监控中心—现场班组”生产管理模式转变，对经营管理也提出新的要求;

生产流程优化、再造、多种岗位整合及班组结构变化，对专业技术队伍有很强的需求。

以上的变化会造成人员需求下降，岗位的整合和班组结构的变化，对操作技能队伍就提出新的需求，技能要求提高，需要一专多能，多专多能。这些新的需求的产生，正好契合了油公司模式和三支队伍的岗位序列的改革的需要，能够有力的推进经营管理、专业技术、操作技能三支队伍岗位体系建设。

3.4  促进组织机构体系创新改革

通过生产运行模式的转变、生产管理模式转型、人力资源配置优化，从而奠定了组织机构体系创新改革的基础，建立“新型油气田作业区”，逐步实现管理层次控制在两级，为A集团公司深化人事劳动分配制度（“三项制度”）改革起到促进作用，为集团公司推进“油公司”模式打下坚实基础。

4      物联网建设规划

A集团公司根据油气生产物联网系统的现状和作用，提出了深入推进数字化、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;对老油气田采用低成本的物联网技术和设备开展物联网建设，在若干年的时间内分期分批实现油气生产物联网全覆盖的战略规划。

同时，按照战略规划，做好顶层设计，实现A集团公司的物联网数据统一接入，采用统一的技术平台，基于统一的技术构建通用应用，采用集中监控指挥调度系统，建成生产监控与调度中心、应急指挥中心和信息集成与展示中心。

5      物联网研究方向

油气生产物联网系统需要在多方面进行研究以降低建设成本和拓展物联网数据的应用。

5.1  减少现场设备配置及数量，降低设备采购成本

温压一体变送器：两个传感器集成为一个传感器，降低了传感器的费用。

三合一智能RTU：集合RTU、4G通讯、电参三种设备功能为一体。

5.2  数据透传技术研究（减少RTU、CPE/网桥）

LORAWAN和NB-IOT都可以实现无线仪表数据通过网关透传至集中监控平台。在监控平台端配置仪表，无须现场操作，组网灵活，运维简单，取消RTU、CPE/网桥，简化传输链路，降低单井建设成本。

5.3  新型数据采集设备

新型无源无线传感技术：以声表面波核心技术为基础，通过自主芯片的研究与设计，开发针对油田生产数据的新型无线无源采集系统。

自主控制技术中继网关：研究具备自主控制技术能力的智能网关，网关智能自主判断、自主控制和优化链路资源。

5.4  巡检机器人研究

利用巡检机器人替代人工完成大中型站场巡检中遇到的急、難、险、重和重复性工作。

5.5  三维场站和数字孪生

利用新型的真三维数据分析平台，构建可视化工厂，融合海量的繁杂、冗余、零散的数据，实现决策效率和准确度的大幅度提升。

数字孪生技术：对油机井油气举升系统，井口采油树，计量及运输管道，各种阀门及增压泵，三相分离、脱水、净化等工艺流程，进行三维建模和数据采集，实现数字孪生。

5.6  电网监测

通过研究配网抢修中快速研判故障的方法对于能够快速准确定位各种故障问题，节省人力物力，缩短故障的停电时间。

6      油气生产物联网展望

目前，A集团公司油气生产物联网系统建设情况如下：

（1）最好的油气田生产单位整体实现设备联网、数据采集→数据接收、数据存储、云平台→数据处理;

（2）中等的油气田生产单位整体实现设备联网、数据采集→数据接收、数据存储、云平台;

（3）较差的油气田生产单位，部分采油厂有物联网系统，整体来看还差得较远。

由此可以看出，还处在物联网系统的早期阶段，物联网的建设还有较长的路要走。

中期规划，在未来的七八年的时间内，A集团公司将在油气生产物联网方面做好以下工作。

（1）实现油气生产物联网系统全覆盖。集团公司的油气田生产企业全部实现油气生产物联网系统有效覆盖：满足要求的油气水井数字化，中小型站场无人值守，大型站场少人值守;生产运行模式从“定时巡检”变成“故障巡检 ”。

生产管理流程扁平化：生产管理中心？圮现场班组，采油厂一线员工数量明显减少，工作效率有明显提高。

（2）实现设备管理和资产管理。开始从传感器实时采集设备及站场获得的温度、压力、流量、振动等海量数据中，通过挖掘分析、处理、应用，创造新的价值。故障预测、远程诊断、生产流程优化、能耗优化等诸多方面开始有了初步的应用成果。

远期愿景，在前面的物联网系统的建设基础上，更精细地控制生产模式，更进一步针对生产过程的每个环节获得更细致的能见度，更好地优化生产周期，优化能源分配，结合AI技术、VR技术等新进的技术基本实现智能化和可视化的油田，借此促进生产、销售等不同环节和部门员工之间的密切合作，全面提升整体效率。

开始将数据用于预测性分析指导企业行动。利用数据驱动管理的各个层次业务的流程改善，分析生产什么样的产品和提供什么样的服务可能带来怎样的收入，什么样的物联网应用能开拓新的市场。

主要参考文献

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