物联网技术在油气生产现场的应用

向 刚

（中国石油吐哈油田分公司信息技术公司，新疆 哈密 839009）

0 引言

国内油气资源需求量的持续提升以及现存油气田开发难度的不断增加，导致油气开发企业面临较大的发展压力。在开发成本不断提升的情况下，油气开发企业急需采取适当的方式实现“降本增效、提质增效”的生产目标。当前，油气生产的举升、计量、注入以及集输等现场生产环节的管理通常需要人工来完成，存在效率低下、安全可靠性低等问题。因此，油气开发企业急需引进物联网相关技术，建立能够统筹管理生产现场各设备、工艺和生产流程的信息化系统，实现油气生产工作的提质增效和降本增效。

1 物联网技术概述

物联网技术能够实现物与物之间、人与物之间的互通，是在互联网基础上延伸与拓展而来的［1］。该技术能够借助激光扫描器、射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）以及红外传感器等传感设备完成对物的状态的识别与采集，通过既定的协议实现现场设备与后端管理系统的信息交互，最终达到监控、预警、分析和提升效率的目的。物联网技术体系主要包括3 个层次（见图1）。

图1 物联网三层体系架构

感知层是物联网技术的应用基础，主要包括各类传感器设备，如RFID 设备、GPS 感知终端、摄像头、二维码标签、压力传感器以及温湿度传感器等各类设备，这类设备作为终端设备的“神经末梢”，能够实现对现场各类状态信息的实时采集。传输层应用的关键在于将感知层各类设备、物体所采集的信息传递给应用层，主要涉及各类网络技术，如云计算平台、移动互联网、无线通信以及光纤网线等，是确保数据稳定传输的重要环节。应用层是物联网技术应用的最终体现，能够与各行业需求相结合，实现智能化运行管理目标，因此被广泛应用于物资管理、生产管理、智能交通等场景［2］。

2 油气生产现场中的物联网技术概述

物联网技术在油气生产现场的应用需要从物联网3 层架构入手，即将各类监控设备、数据采集设备装设于站库、井场等油气生产作业区域，实现数据信号的实时采集；依靠无线通信网络、光纤网线通信以及移动互联网等方式，将采集的数据信息传输给生产调度中心；生产调度中心的物联网应用系统则能够自动分析油气生产数据，进而为生产现场运作管理提供决策指引，满足现场设备的监控、预警、优化等相关需求。在实际应用过程中，感知层的设备主要包括通过无线、有线等通信网络传输数据的压力、温度、流量等传感器，这些设备能够方便生产调度中心实时采集和传输油气处理站库、集输管网、油气井等的生产数据，在全面感知全程设备运行状态的情况下实现智能化控制；传输层对通信网络形式的选取需要结合现场情况，如光纤网络传输用于间隔较近的井场、站库等区域，无线网络用于偏远区域，以此来降低传输层的建设成本，常用的无线传输技术主要包括数传电台、通用无线分组业务（General packet radio service，GPRS）、4G/5G①4G/5G：4G 是指第四代的移动信息系统；5G 是指第五代移动通信技术。专网、无线网桥、NBloT 等；应用层需要结合油田生产运作需求合理地设计功能模块，主要包括工况诊断、故障预警、智能分析、生产信息统计、生产现场监控以及资产管理等相关内容［3］。

3 油气生产现场中物联网技术的具体应用

油气生产现场的物联网系统主要涉及数据采集、数据传输、数据存储以及生产运行管理几个部分，数据采集系统主要借助各类传感器采集计量站、计转站、注水站、油气井、接转站、注水站以及联合站等站场数据，数据类型为视频画面、控制参数、运行参数等；数据传输系统借助无线、有线两种网络技术构建传递、处理现场所采集数据的传输通道；数据存储系统主要包括数据库、服务器等，能够用于存储处理现场所采集的视频、生产运行相关数据；生产运行管理系统则能够结合各类数据信息实现对油气生产现场工序的实时监控及优化改进，满足设备运维管理、自动控制等的需求［4］。

3.1 油气生产现场物联网感知层建设应用思路

3.1.1 井场数据采集

油气生产现场可以借助远程终端单元（Remote Terminal Unit，RTU）、ZigBee②ZigBee：也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802.15.4 标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。无线传输技术、数据采集传感器构建现场数据采集系统，以此来满足水套炉站、气井、电泵井、机抽井以及自喷井等各区域的运行参数和视频状态采集需求，实现对电泵、机抽等的远程控制。在系统运行过程中，压力传感器、温度传感器等设备能够借助ZigBee 无线传输技术将数据信息传输至RTU 远程终端控制系统，经RTU 处理后依靠无线传输设备、光缆、工控专线等将数据信息传输至监控中心，满足数据的采集和传输需求［5］。

感知层的关键在于借助各类传感器设备实现现场数据的实时采集，确保后台控制系统能够结合现场数据实现对现场油气生产设备的智能化控制。不同油气田采集的标准参数主要包括油压、回压、套压、井口温度以及功图等数据信息，对于部分储存稠度、黏度较高的原油田或压力较大的天然气田，现场生产环节通常需结合油气状态采取加热输送等传输方式。此外，针对相关生产运作模式，现场所采集的数据也需要增加加热炉温度、流量等相关参数。

3.1.2 站场数据采集

油气站场数据采集主要包括工艺流程参数和视频监控画面等相关数据信息，能够为生产运行管理系统的监控、调度指挥、自动控制等应用功能提供有效数据。其中，站场生产工艺流程数据主要包括流量参数、液位参数、压力参数、温度参数、可燃气体和有毒气体参数等，各类参数主要用于安全管理和生产管理；视频监控数据与井场数据采集情况一致，主要涉及生产作业现场、烟雾、火灾、人员闯入以及刺漏等相关视频画面的监控。

3.2 油气生产现场物联网传输层建设应用思路

物联网传输层在油气生产现场建设应用的关键在于确保数据能够高效、稳定地传输。油气开发企业需要兼顾传输的功能性与传输层的建设成本，这需要做好现场网络运行环境的调研工作，结合各应用场景的数据流量传输要求和各网络传输技术的特性合理选择，实现不同传输技术的有效结合。在实际应用过程中，油气开发企业可以在场站、井场等不同区域选择不同的网络传输模式。在井场传输网络建设过程中，油气开发企业应确保传输层能满足泵类设备、抽油机、加热炉等各类设备的控制信息传输需求，以及井场的各类视频监控信号和生产运行参数的传输需求。由于受到井场位置分布等因素的限制，油气开发企业传输层可以采取光纤网络、无线基站、虚拟专有拨号网络（Virtual Private Dial Network，VPDN ）专网相结合的网络传输模式。

3.2.1 井场传输网络

由于井场内部的数据传输距离相对较短，在考虑成本、功能性的情况下，油气开发企业可以借助ZigBee技术实现RTU 终端与现场流量、压力、温度等各类传感器设备的联系，满足现场采集数据的传输需求。对于井场外部区域，由于数据传输距离较远，油气开发企业可以结合移动互联网的覆盖情况合理地选择网络传输模式，将VPDN 专网用于4G/5G 等信号较强的区域，利用光纤网络和无线网桥实现井场数据的高效传输。

3.2.2 场站传输网络

场站相对井场而言，所汇集的数据量更大，需同时满足设备控制、视频监控以及生产数据采集等各类数据信号的传输需求，对数据网络传输安全的可靠性和稳定性要求较高。因此，在实际应用时，油气开发企业可以采用光纤构建传输网络，结合日常办公、生产运作、视频监控等的各类需求划分不同的网络，避免因日常办公网络与工控网络互联导致病毒入侵、黑客攻击等问题出现，以及对传输网络的安全性造成影响。

3.3 油气生产现场物联网应用层建设应用思路

为满足油气生产现场的高效管理需求，应用层应按照分层管理的思路架设，建设前结合油气田现状，划分为不同的片区，并设置单个片区的基础管理以及所有片区的全面管理两个管理层级。前者主要从事区域内井场及场站的事故处理、生产运维和现场监控等相关工作，能够结合现场情况和上级指挥完成对站场设备的远程控制等操作；后者则能够监控不同井场、场站的运行情况，具有单井报警、多参数组合报警、集输报警等预警和智能化处理功能，能够汇总所采集的液面、压力相关数据，并结合数据提出生产运作优化建议，还能够满足现场设备指挥调度等各项功能需求。

4 物联网技术在油气生产现场的应用效果及注意事项

油气开发企业能够依靠基于物联网技术构建的信息化管理系统实现对现场设备的高效管理。此外，油气开发企业在设备巡检方面能够利用物联网系统满足站场无人值守的运作需求。因此，日常巡检频次大幅度降低，最终被故障巡检取代，实现了人力成本的有效控制。借助各类视频监控数据，油气开发企业能够更有效地把控现场生产运作情况，实现对环境污染问题的有效控制，还可以借助各类生产运行参数对油气开发工艺流程进行优化改进，大幅度提升生产运作效率和质量。

然而，在实际应用过程中，油气开发企业也需要重点关注数据采集传感器的成本和寿命问题、数据传输层安全问题以及标准统一性等问题，提前做好解决相关问题的预案。在数据采集传感器方面，油气生产现场所应用的压力、温度等无线传感器需要借助传感器内置电池才能运行，为满足电池续航能力增强、传感器功耗控制等的需求，油气开发企业通常采取传感器定制生产模式，这导致传感器安装与维护成本相对较高。因此，油气开发企业需针对此类问题做好技术研发等相关工作。此外，油气田现场单井数量分布广泛，有线传输模式虽然安全性更高，但在成本和部署效率方面难以令油气开发企业接受；无线传输网络往往会存在较高的安全隐患，这需要油气开发企业对无线网络传输的数据进行必要的加密处理，合理采取调制、编码的方式提升无线传输信道的安全性和可靠性，但安全技术的应用也需要适应终端设备的计算能力，这需要油气开发企业做好相关研究工作。

5 结语

油气开发企业需要积极引进物联网相关技术缓解当前在油气生产等过程中面临的环境保护压力、成本控制压力和生产效率提升压力。在物联网技术应用过程中，油气开发企业应结合物联网技术构建包括感知层、传输层、应用层在内的3 层系统架构，利用感知层的传感器、摄像头等设备采集现场数据信息；借助ZigBee、RTU、光纤、VPDN 以及无线网桥等实现数据信号的传输；利用应用层各功能模块实现对井场、场站各设备的远程控制、故障预警、生产优化等，从而实现油气生产过程降本增效与提质增效。