自动化仪表在实现油田数字化中的应用

吴 迪

（大庆油田自动化仪表有限公司，黑龙江大庆 163000）

数字化技术近年来在各行业都得到了广泛应用，对提升生产精度、优化生产过程等都发挥了巨大作用。数字化技术能够将很多复杂的信号转化成数字化信号，有利于实现更为精确地控制，更方便多种不同类型数据结合使用。在油田的数字化建设中，自动化仪表具有十分重要的作用，能够保证现场作业的安全性和可靠性，降低油田生产对人力的需求，提升油田的生产效率。因此，需要在数字化油田中合理利用自动化仪表，提升油田数字化水平，满足油田的建设需求。

1 数字化油田与自动化仪表概述

1.1 数字化油田

数字化油田是指利用先进的信息技术和自动化控制技术，将油田生产过程中的各个环节进行数字化、信息化和智能化改造，实现油田管理和生产运营的全面优化。数字化油田通过实时监测、数据分析和智能决策等手段，可以提高油田生产效率，降低生产成本，提高生产安全性，并提供科学决策支持，实现油田生产的可持续发展[1]。数字化油田改变了传统的管理模式，能够实现对油田进行集中控制的目标，并且能保证利用自动化系统统一协调石油生产，保证生产的顺利进行。

1.2 自动化仪表

自动化仪表是指利用传感器、数据处理和控制系统等技术手段，实现对生产过程的自动监测、自动控制和自动优化的设备。自动化仪表可以实现对各种生产参数的实时监测和控制，如温度、压力、流量、浓度等，从而实现生产过程的自动化和智能化[2]。自动化仪表能够精确测量油田现场的数据，还可以自动发出警告信号提醒有关人员，自动化仪表目前已经融入很多自动化技术，同时具备一定的数据储存能力，能够保证相关数据的分类，避免数据之间出现干扰，能满足油田对生产安全、生产量的严格控制计算要求，通过提供不同类型数据，也有利于对油田质量的准确计算。目前通过在油田中使用自动化仪表，能够减少现场工作人员数量，保证油田的采油率，推动油田现场进行精细化管理。自动化仪表需要通过DCS 系统进行运作，通过结合DCS 和网络技术，能根据数据生成现场生产指令，并通过自动化仪表准确测量转接站温度、流量、压力等参数，判断管道的泄漏状况，确定泄漏位置，确保作业的安全[3]。

2 油田数字化建设目标

2.1 数字化阶段

数字化阶段主要使用有线、无线两种数据传输技术，将把控油田状态的相关数据导入到控制系统中，系统可以连接到数据库和数字化平台，利用底部传感层的仪器将各种数据指标收集起来，获得包括指标图、电流图、机油压力、套管压力等信息，之后用网络传输到数据平台进行组织和储存。控制系统能够结合各种历史操作数据，分析油田当前的状态，并根据状态判断结果对油田进行控制[4]。所有数据都需要专门提供查阅系统，方便相关工作人员查看和使用，开展数据分析工作。同时，除了有线和无线两种数据传输技术外，油田数字化阶段还使用了其他一些传输技术，如卫星通信和光纤通信等。油田数字化阶段还可以采用现场总线技术，用于实现数据通信和控制指令传输。现场总线技术可以实现现场设备之间的数据交互和控制指令传输，从而提高生产过程的自动化程度和效率。

2.2 确保可视化

可视化是油田数字化建设主要方向之一，有效使用可视化技术能确保油田中的各类数据更加直观，方便管理人员了解油田的状况。目前利用自动化仪表和传感器等设备的数据采集和传输，生产过程中的关键参数可以被实时监测和记录，从而形成全面、准确的生产数据，所有生产数据都可以通过数据分析和可视化技术，以直观、清晰的方式展示给油田管理人员，帮助他们了解生产过程的实际情况，做出合理的决策[5]。比如油田管理人员可以通过可视化后的数据实时了解井口流量、油水比、温度、压力等参数的变化趋势，从而做出调整生产操作或者优化生产计划的决策，提高生产效率，有效利用各种图表分析油田的状况，实现对现场的完全掌控。

2.3 智能建设

智能建设可以进行更大批量的数据分析和处理。人工智能技术对数据的分析，能实现依靠智能系统对生产数据完成处理和决策。例如，通过对大量历史生产数据的分析，可以建立生产预测模型，通过预测生产趋势和优化生产计划，从而提高生产效率。依靠智能技术的支持，自动化仪表可以实现自适应控制，根据实时的生产数据和设定的生产目标，自动调整生产参数，从而保持生产过程的稳定性和高效性。此外，自动化仪表还可以实现自我诊断和维护，通过检测设备的状态和性能，自动识别并处理潜在的故障，从而减少停产和维修时间，提高生产可靠性。

3 数字化油田中自动化仪表应用

3.1 常用自动化仪表

3.1.1 自动化仪表中压力仪表

石油生产过程中需要重视对压力的控制，因此压力仪表在油田生产中十分重要。数字化油田建设过程中，也需要了解油田每时每刻的压力状况，方便人员根据压力变化进行操作，保证油田严格按照整套顺序流程运转，避免引发安全事故。为保证压力仪表运转状态正常，需要严格控制压力仪表周围的温度，或者将压力仪表设置在温度相对稳定的位置，避免温度影响压力仪表的精确性。同时，也要定期进行问题和故障的排查，检查压力仪表的测量精确性，防止由于压力数据错误导致安全问题。

3.1.2 自动化温度仪表

油田自动化建设中，需要使用到温度仪表，以便及时获得开采石油的温度，并根据温度对开采作业进行精确控制。目前石油开采要求将温度控制在300～1 800℃，如果控制不到位容易出现安全事故。为了能够精确控制开采温度，一般采用接触测量方法，在查看温度时，要遵守操作步骤，避免错误操作影响仪表的精度。

3.1.3 物位测量仪表

物位测量仪表能够准确测量出液体液面的位置，使用自动化物位测量仪表能满足数字化油田中对物位精度的需求，比如可以测量油罐中的石油液位、石油生产过程中反应塔的液位等。常用的自动化物位测量仪表包括电容式、静压式、激光式。

3.1.4 流量仪表

流量仪表也被称为流量计，能够分析流量变化状况，方便现场根据流量情况控制油田开采，有利于油田生产的稳定，并实现整个油田生产的优化。流量计对流量的计量包括对流体质量和流体体积的计量，能方便工作人员和控制系统确定一定时间内流经封闭管道流体的质量和数量。目前数字化油田中常用的自动化流量仪表包括电磁流量计、浮子流量计等。

3.2 DCS控制系统的应用

采油生产中的DCS 控制系统是一种用于控制和管理石油采集、加工和输送过程的自动化控制系统。DCS 系统通过对油田生产过程的数据进行实时采集、处理和分析，可以实现油田生产过程的高效、稳定和安全运行，提高油田的生产效率和经济效益。DCS控制系统主要包括以下几个方面的应用。

（1）采油平台监测和控制：DCS 控制系统可以实现对采油平台设备、工艺和环境参数的实时监测和控制。通过对温度、压力、流量、液位等参数的监测和控制，可以保证采油过程的生产安全和稳定性。

（2）采油设备控制：DCS 控制系统可以对采油设备进行实时控制和调节。通过对泵、阀门、压力容器等设备的控制，可以实现采油过程中液体的输送、处理和储备，保证油田生产过程的高效稳定。

（3）实时监控和数据采集：DCS 控制系统可以实现对油田生产过程的实时监控和数据采集。通过对采油平台、输油管道和储油池等设备的实时监测，可以收集到大量的运行数据和生产信息，进一步提高生产效率和经济效益。

（4）故障诊断和维护管理：DCS 控制系统可以实现对采油设备的故障诊断和维护管理。通过对设备运行数据和故障信息的采集和分析，可实现对设备的故障诊断和及时维护，减少生产停机时间和维修成本。

3.3 中央控制室与子站接入

在采油生产中，DCS 系统（分布式控制系统）是一种核心的自动化控制系统，用于对油田生产过程进行实时监测、控制和管理。DCS 系统通常由中央控制室和多个子站组成，中央控制室是对整个系统进行监控和控制的中心，而子站则是分布在各个生产场所，用于对现场设备进行实时控制和数据采集。

DCS 系统中央控制室的作用是对整个系统进行集中控制和管理，包括设备状态监测、数据采集、报警处理、故障诊断和维护管理等。中央控制室通常由操作员工作站、服务器、网络设备和监控终端等组成，通过网络连接与各个子站进行数据交互和控制指令的传递。中央控制室可以通过人机界面（HMI）对现场设备进行实时监控和控制，以保证油田生产过程的稳定和高效运行。DCS 系统的子站是安装在采油现场的设备，用于对现场设备进行实时控制和数据采集。子站通常由PLC、DCS 控制器、传感器等组成，可以实现对现场设备的监测、控制和数据采集。子站通过网络连接与中央控制室进行数据传输和控制指令的接收，从而实现对采油生产过程的智能控制和优化管理。在DCS 系统中，子站与中央控制室的接入通常采用现场总线技术，如Profibus、CAN、Modbus 等，以实现数据通信和控制指令传输。同时，通过网络拓扑结构的设计和优化，可以实现数据的快速传输和实时响应，从而保证系统的高效运行和安全。

3.4 自动化仪表误差调整和选择原则

自动化仪表也会存在误差，误差类型包括绝对误差、相对误差和传导误差。如果油田现场的工作环境复杂，将会影响仪表的使用，并且造成误差增加，所以在实际应用中，需要重视对误差的控制和调整，确保仪表的正常运行。仪表校正和选择时，需要考虑经济性原则、校正可靠性原则，必须根据现场的工作环境进行选择，在全面了解自动化仪表规格和功能的情况下，根据经济情况选择合适的仪表。采购自动化仪表后，还要合理选择投放点，避免由于位置不当导致仪表误差增加，或者增大油田的运行成本。同时，也要关注仪表技术的发展情况，根据实际需求更换具有更全面功能、更准确的仪表设备。

4 自动化仪表应用中维护与故障处理

4.1 加强仪表检修

数字化油田的自动化仪表需要保证正常运行和准确数据采集，自动化仪表在引用过程中，往往容易出现故障，会影响油田的生产。因此，加强仪表检修是保障油田数字化运行的重要环节。油田需要对自动化仪表进行检修，包括对传感器、仪表设备、数据传输和采集系统开展有效的检查和维护。检修工作中，需要定期进行传感器的校准，确保其测量结果的准确性；对仪表设备需要开展清洁和保养，防止尘埃和湿气等对设备造成影响；对数据传输和采集系统进行检查，确保数据的稳定传输和准确采集，避免传输设备损坏影响各类数据的精确性；也要对老化和损坏的仪表设备及时更换和维修，以保证其正常运行和可靠性。

4.2 制定排污计划

运用自动化仪表时，要充分了解自动化仪表的运行状况和参数，避免操作方法不当导致设备出现故障。在完成对自动仪表的维护工作后，也需要开展有关排污作业，为了不影响油田的生产，应该制定合适的排污计划。例如导压管容易附着粉尘、油污等物质，将会对测量精度造成比较严重的影响，甚至会引发大型事故。所以要严格遵守排污计划表对自动化仪表开展排污工作，以及根据仪表的工作状态、环境制定排污计划，确保仪表设备的运行状态。

4.3 对仪表进行定期维护

为保证仪表的稳定性，数字化油田需要制定仪表的定期维护计划，及时确定仪表的故障、损坏情况，并替换老旧仪表，以确保其正常运行和数据采集的准确性。定期维护工作中，应该重视对各种一次元件的检查，了解保温伴热的状况，并根据周围环境状况合理调整检修计划，满足对仪表的检修需求。比如在天气寒冷的情况下，需要加强对各类温度仪表的检查，缩短检修周期，防止在低温环境下由于元件被冻坏导致仪表不能正常运行。

4.4 提升维修人员素质

由于自动化技术、数字化技术的快速发展，仪表技术也快速发展，使得仪表的结构更加复杂，维护成本也更高，对工作人员的技术能力也提出了更高的要求。所以也要根据自动化仪表技术的发展不断对人员开展培训工作，保证有关技术人员能更加了解仪表的原理，能够更有效地在维修中发现仪表的问题，实现对误差校正、故障修复。

5 结束语

石油是社会的重要能源，为了提升油田的开采效率，需要进行油田数字化建设工作。在建设过程中，合理、有效地使用自动化仪表是建设工作的基础，为此需要了解各类仪表的特性，选择合适的仪表开展油田数字化建设工作，并严格进行仪表的维护，保证仪表提供准确数据，满足油田数字化的发展需求。