基于物联网的地热系统管控技术研究与应用

王天宇 睢文强 张晓军 王进修 高忠献 马丽娟

1华北油田公司工程技术研究院

2华北油田公司第四采油厂

3青海油田采油四厂

4河北华北油田友信勘探开发服务有限公司

冀中坳陷有效地热资源丰富，品质优良，其中迷雾山资源量3×1012GJ（折标煤1 024×108t），馆陶组资源量2.3×1012GJ（折标煤785×108t）[1-2]。华北油田大力发展地热新能源产业，积极探索地热井开采技术，实现地热分区利用，燃气调峰，多能互补，智能管控，应用物联网技术，建立完善的地热管控系统。同时借鉴油气田开发经验，实现地热资源低成本科学开采与利用，促进地热产业合理快速发展[3]。

1 系统结构设计

地热管控技术实现了地热系统全面感知、自动操控、预测趋势、优化决策，推进以物联网系统为核心的生产管理新模式全面深化应用[4]。该技术可优化生产管理模式，降低一线用工总量，推进以物联网系统为核心的生产管理新模式；加强生产过程监控，掌握生产变化规律，实现节能降耗；辅助生产科学决策，降低生产运行成本，提高油田综合效益；结合各油田开发阶段和采集需求，建立低成本运作模式，保证建设效益最大化[5-7]。地热井的地面监测与管控系统（图1）由计量设备、站控终端、智慧供热中心与用户信息终端四部分组成。

图1 地热井的地面监测与管控系统Fig.1 Ground monitoring and control system for geothermal wells

（1）计量设备。主要分为现场仪表和用户仪表两个方面：现场仪表主要进行采集地热井基础数据，例如压力、流量、温度等；用户仪表进行用户热能消耗以及电量消耗记录，为地热管控系统提供实时的基础数据支持。

（2）站控终端。主要包括生产站控系统和用户数据采集系统，其主要作用是对现场数据进行处理，包括数据解析、数据矫正、数据打印与现场数据本地存储。同时，站控终端设备通过4G 无线技术和无线网桥技术实现生产数据和用户数据的实时上传。

（3）智慧供热中心。纳入智慧城市的统一智能监测，包括智能生产管控系统和用户信息管理系统，向上与城市云数据中心通信，向下发布生产调度指令。生产数据和用户数据由智慧供热中心实现精准分析调节，集中存储。数据交互移动化、实时化，实现信息远程发送，第一时间预警。

（4）用户信息终端。包括PC 端、移动端等设备，用户可实时查询个人用热信息，实时在线缴费。

2 系统功能设计

2.1 智能生产管控系统

掌握地热井实时生产运行状态，需要对地热井温度、压力、流量等生产数据连续监测[8]，智能生产管控系统通过地热井动态监测站实现生产井、回灌井参数实时监测，动态分析及评价，主要包括控水及控热构造、地热井及热储几何参数、热储物理及流体性质、热储渗透性和存储流体能力的参数和回灌试验测定等地热井基础数据，掌握热储全生命周期动态变化趋势[9]，指导制定采灌策略（图2）。

图2 智能生产管控系统结构图Fig.2 Structure diagram of the intelligent production control system

如图3 所示，智能生产管控系统实时统计分析末端用户耗热情况，实现供热负荷调节、多井智能协同工作，通过将实时生产数据与用户数据相结合，应用数据源大数据分析技术，合理分配生产井数量和单井开采量，实现潜水泵调频，使每口地热井处于最佳负荷率，降低采水能耗。

图3 系统末端用户耗热情况分析图Fig.3 Analysis diagram of heat consumption of system terminal users

2.2 用户管理信息系统

用户管理信息系统实现用户耗热数据实时上传至智慧供热中心，并通过GPRS 和4G 等通信方式实现数据上传至城市云数据中心，从而进行大数据分析。互联网和手机APP 可实时查询个人用热信息，（图4），同时可以通过用户管理信息系统实时在线缴费。

图4 热量月度消耗曲线图和热量日消耗曲线图Fig.4 Curve of monthly calorie consumption and curve of daily calorie consumption

3 系统应用

目前，华北油田已初步建成地热资源评价与开发利用体系，潜山地热开发进入全面推广应用阶段[10]，累计新建地热供暖四项（石油新城一期、渤海职院、华隆矿区、华苑矿区），供暖面积120×104m2。正建地热供暖两项（万锦新城和蠡县北部），供暖面积100×104m2。

地热管控系统实现开采井、回灌井、阀组、热泵机组、中间循环泵、板换器等井站平台的生产数据采集、故障诊断与（预）报警、应急处置以及部分生产流程的远程控制功能，实现对涉及的生产对象基础数据和历史数据查询和实时监测功能，并实现智慧供热中心的数据分析与应用。

4 总论

地热系统管控技术结合物联网技术，通过生产数据管控、用户数据管控，对现场数据进行实时监测、实时存储、实时分析与处理，实现了对地热系统的精密管控，大数据分析以及远程监测控制。物联网技术在地热能源中的应用亟待进一步挖掘与应用，地热智能管控系统是地热数字化建设过程中所迈出的重要一步。