油气生产物联网系统的运用分析

肖 理

（中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司 蜀南气矿计量自控中心，四川泸州 646001）

1 建立油气田物联网系统的必要性

1.1 提高油气资源综合竞争能力的要求

我国大多数油田经过长时间的高效率开采，正处在特高含水和特殊开采时期。虽然为各个行业的生产提供了丰富的石油资源，但长期的高强度开采也给油田的发展带来了很大的困难。特别是油气田的储层资源接替不充分，储层平衡系数不高，油气田的综合含水量达到94.6%，生产成本的快速增长，收入和利润的持续下滑，对油气企业的整体竞争力造成了很大的影响。为了更好地完成百年油气田的目标，提高油气田的经济效益，使其始终保持行业标杆地位，必须强化顶层设计，建立起油气田物联网系统体系，增强主营业务以及经营管理工作，大力推动信息化改革工程，增强油气田发展期间的综合效益。

1.2 企业精益经营必须具备的要素

要达到油田信息化的目的，必须要建立一个智能化的油气田物联网系统。为了实现油气藏的可持续发展，必须立足于资源的可持续使用，并不断开发新的技术。我国油气的地下剩余储量仍相当可观，但是随着油田开发的复杂性，其开发周期也在不断增加。传统的以劳动组织和分工为主导的管理体制已不适应油田企业的改革要求，必须通过建立健全物联网系统体系，落实精细化管理制度，增强油气田开采期间的管理效益。

1.3 是数字化、智能化油气田开发的主要方向

石油工业信息化建设已全面展开，国家和相关部门制定了石油工业信息化建设的整体计划。在油气田数字化、智能化建设中必须实现物联网系统，构建油气田物联网系统，实现油气田数字化的覆盖率。

1.4 提高对低油价的适应能力

通过建立油气田物联网系统，降低了油气田的生产和运营成本，从而更好地适应当前的低油价，维护自己的核心利益，达到可持续发展目标。通过建立健全的生产信息化管理体系，对油田实际生产中出现的成本浪费进行了分析，制定相应的控制措施，以达到降低成本和提高效益的目的。

2 油气物联网系统概况

物联网的概念最早是由美国麻省理工大学于1999年创立的Auto-IDLabsAuto-IDLabs（Auto-IDLabs）系统发展而来，能够将所有物件都与诸如RFID 之类的信息传感器装置相连，从而达到智能识别与管理的目的。通过传感器、射频、通讯等技术对油气水井、计量间、油气站库、油气管网等生产对象进行全面感知，实现生产数据、设备状态信息在生产指挥中心及生产控制中心集中管理和控制。能够利用传感器、射频等技术，对油气开采的信息进行感知，从而达到精确的采集、精确的数据、精确的控制和稳定的控制。数据传送子层主要是通过数据通讯技术来实现实时的生产和视频图像的传送，与USN 模式下的泛在传感网络接入网和泛在传感网络的基础上相适应。生产现场的监测和管理，主要是通过对生产过程中实时数据的收集，构建生产管理和预测预警系统，覆盖油气生产和处理的全过程。该系统与基于USN 模型的泛在传感网络中间件以及通用传感网络应用平台相匹配。

物联网技术的应用范围很广，借鉴石油天然气工业物联网3层体系结构，对其所涉及的关键技术进行分类、整理，从而构建了石油天然气生产物联网技术的系统模型。感知和控制技术主要应用于油气井、计量间、油气站库、油气管网等领域，并可实现对生产过程中的自动化控制。包括传感器技术、射频识别技术、红外技术、自动控制技术等。网络和通信技术主要应用于传感器和RTU（PLC/DCS）之间的数据、图像和控制等数据的传送，从而使数据从生产端和控制端向后端生产现场的监控和管理部门之间的连接。石油生产中的海量感知信息的存储、计算和处理是石油工业物联网的关键技术。利用数据存储、数据处理、综合分析、安全预警、生产调度、应急抢险等综合数据管理平台，实现生产数据自动采集、远程监控、生产预警，支持油气生产过程管理，进一步提高油气田生产决策的及时性和准确性。

随着石油天然气生产物联网的覆盖范围不断扩大，承载业务的多样化、服务品质的不断提升，影响到网络正常运转的因素也越来越多。

3 基于油气生产物联网系统的总体设计

3.1 整体结构

针对石油油气企业的整体需求，结合石油油气企业物联网系统标准，将其划分为数据采集、监控、数据传输、生产管理部分。

3.2 常规稀油井、拉油罐

由于油气田大多数分布环境气候恶劣、环境恶劣，故采用无数字显示的RTU 控制盒。RTU 采用4G无线客户端，将4G 网络的数据传输到工厂监控中心，在每个井口拉油槽的出口设置一个单凸缘式液面传感器，将电加热控制信号和热阻信号与井口RTU 连接，从而实现了对油槽温度的自动控制。

3.3 稀油计量站和配水间

对于具有全自动化的橇装计量站，只要在现有RTU 控制器上安装4G 通信模块，即可实现RTU 数据的传输。对于砖混计量站，在每个计量间的分离器上分别装有1个压力传感器、1个磁翻盘水位计、1个旋转式旋流流量计、2个电动压油阀、1个集油管、1个压力变送器和1个温度传感器。通过自动化改造和工艺改造，实现了对管道汇的遥控。最后，实现了管汇的自动选井和分离机的自动计量。

3.4 数据传输子系统

为了保证数据采集、监测、生产管理等子系统的安全、可靠的网络传输，提出了一种基于无线技术的通信方案。无线网组网具有独立的组网功能，能够直接接入油田的生产自动化专用网络；具有高的访问密度和较高的带宽传送容量，以满足井下的数据传送需求；支持中央管理的无线网络设备，具有访问权限的控制；采用IP 接口协议的网络终端装置。为了以后的网络操作和维护，无线网路的组网结构尽量简化，并且不能有太多的类型。随着数字油田建设的深入，移动通信、应急救援、移动办公、人员定位、视频会议等都与TD-LTE 系统兼容。然而，无线网桥具有固定访问特性，不能满足移动通信需求，不利于数字油田开发的深入。考虑到经济性、先进性、扩展性等因素，选择TD-LTE 来承担油田自动化数据传输服务。

3.5 信息安全

①在多个垂直层级的网路间设置一个工业防火墙，并设定适当的存取规则，有效地控制了不需要的越级存取，避免了攻击者透过上层网路侵入及攻击底层网路，降低网路连通性所造成的安全性风险。同时还能实现多层间的工业协议数据交换，有效地屏蔽了非法操作，保证了企业的安全。②在相同的网络层级上，也可以设置一个工业防火墙，将其划分为不同的安全区，设置不同的存取规则，避免在不同的安全区间进行无意义的访问，同时也可以实现对不同安全区间的工业协议进行深入的过滤，从而降低安全区间的安全性问题。

4 油气生产物联网系统在油气田生产中的应用

4.1 做好三大网络基础设施的建设

在油气田的经营过程中以实现高水平、高效益为目标，通过科学的方法，减少投入，减少劳动强度，使油田物联网系统得到了有效的推进。在油气田的智能化物联网系统建设中，有关部门要做好以下工作：重点推动老区油气田的石油、天然气生产的“物联网”模式，搞好组织结构和生产方式的变革。通过对油气田的信息化技术和智能化物联网系统的建设，投入了1.5亿元，主要包括采油厂油水井数字采集、转油站，注入站等联合站数字化改造，相关配套数据传输网络，生产管理平台建设等工作。

在三大物联网基础设施的建设过程中，需要根据油气田生产物联网系统建设工作为重要基础，建立统一的数字化实施思路，选择更加适宜的软件量油以及工况分析方法，形成更加统一标准的油气田油气生产数字化管理以及劳动组织工示范模式，要求以油气田生产物联网系统建设工作为重要基础，注重在试点单位内开展劳动组织机构优化改造工作，要求建立起以作业区为单位的专业化管控构架，确保采油队伍、联合站、勘察队伍人力资源能够得到最优化配置。在开发油气田物联网系统时，必须严格按照整体规划、先易后难的原则，充分发挥出数据在指导油气田生产，加强油气田管理整体管理水平中的积极作用。

4.2 重视技术服务系统的优化

在油气田智能管理体系的工作中建立了基于石油、天然气工业的物联网系统，建立了数字仪器工业的数字化工业基地，加大石油、天然气的数字化建设设。为了确保气田的安全，该油气企业将技术服务体系优化为当前的发施品种，加强技术改造和产品升级，努力研究出低成本的物联网数字仪表展重点，建立起了油气田物联网系统，着力破解生产难题。确保信息化管理的质量，组建了一支以信息化为核心的软件开发、系统维护、项目建设等技术支撑团队。

4.3 建立数字化管理机制

为了在油气田的信息化环境下，建立一个基于信息化的油气田物联网系统，必须从根本上提高其应用的数字化水平。①要建立一个基本的工业基地和技术支援团队，要对明传和专业知识进行适当的培训，保证信息化体系的建设和后期的运作。加强与各大油田油气企业的联系，加大技术支援，为油田的数字化管理工作提供更充分的技术保证。②要实现数字化建设和管理工作的规范化、标准化，必须重视对数字管理工作进行统一的体系结构和技术计划，建立健全地面工程项目信息化审查机制。根据油田实际情况和工程建设的实际情况，建立了运行物联网系统的保障体系。因此，必须在实施物联网系统的同时，充分利用国外的先进经验，制订出适合当前生产需要的管理办法，以保证油田的建设和应用工作顺利进行。同时，组建了一个专业化的数字化运营队伍，提升了团队内部的系统运维专业性，确保了物联网系统的稳定运行。

4.4 油气田物联网系统的基本内容

在石油天然气生产信息化系统建设中，通过对生产组织结构的调整，进一步优化了生产流程，将精细化管理思想贯彻到了生产实践中。油气田物联网系统体系建设工作在解决油气田勘探开发生产管理的难题上发挥出了重要作用，油气田物联网系统体系建设主要以一个中心、三项基础建设为根本目标，旨在建立起两项技术与管理保障。其中以油气生产物联网为核心，以采集油气田企业的数据为核心，实现了油气田生产信息的公开与共享。在此基础上，通过各企业的经营物联网系统，构建了一个统一的生产管理平台，并制定了网络系统的设计方案，对油田的物联网系统进行了全面的指导。

4.5 明确油气生产物联网技术发展趋势

无线、微型、超低功耗、嵌入式和智能化是传感器发展的方向。目前已有的传感器体积大、功耗大、功能单一、安装配置复杂等缺点已不能满足油田的需求，采用无线连接、超低功耗的智能仪器是未来的发展趋势。当前射频识别技术主要集中在低频、高频等方面，而超高频技术由于其体积小、成本低等优点，将是RFID 技术发展的主要方向。将MEMS 与传感器技术的进一步整合，MEMS是一种微型设备或系统，它包括微型机械、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口、通信和电源。随着无线传感器、终端设备的不断增加，对各种数据类型的支持，异构网络的集成，使得无线网络的协议变得更加复杂，同时也更加困难。

5 结束语

为了加快油气田物联网系统体系的建设和优化，必须做好油气田管理顶层设计工作，进一步完善油气田物联网系统各项功能，必须高度重视油气生产物联网系统的构建。通过加强管理力度获得最大化生产效益，积极开展油气田智能化升级工作，结合油气田生产基本要求以及相关目标，建立智能化生产模型系统，确保生产期间的各项资源得到最优化配置。