基于物联网的智慧油田建设研究

关键词：物联网；生产专网；集中管理；电子巡检；智慧油田

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）36-00134-03 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。它通过红外线感应器、射频识别等相关功能，依据所约定的协议内容，将所需信息连接到互联网机制中，形成详细且全面的通信信息与交换信息，以实现对物体进行快速定位、识别等多项功能的全新网络体系[1]。

从某种角度来看，物联网实质上是一种3C融合，即Computation（计算） 、Communication（通信） 、Control（控制） 的融合，它主要通过物理进程和计算进程的相互联动，构建起一种全新的计算机模式，这一模式融合了通信、计算、物理和控制等多个学科，并持续进行交叉与整合。在运作过程中，物联网实际上是对全新的IT技术进行全面整合，并结合实际需求与各个领域和行业相融合。例如，将感应器嵌入到铁路、电网和油气管道等需要监测的对象中，然后通过“物联网”使其与现有互联网机制形成联动，从而使物理系统和人类社会之间建立起紧密联系。在整个网络机制中，物联网展现出非常强大的中心计算机群能力，能够对整个网络体系中的机器、人员和相关设施设备进行动态化的跟踪监控，并根据相关指令完成对相关情况的控制与指导。这不仅使人类的生产生活逐步实现了精准化和实时化管控，达成了“智慧”的生活状态，还促使整体生产力水平与资源利用率不断提升，实现了自然与人的和谐共生。将物联网技术应用在油气田生产领域中，可以建立起一套油气生产物联网系统，将数字油田进化为智慧油田，从而提升油田的全面感知能力和可靠传输效能。

从技术层面来看，物联网实际上由信息感知测量层、网络传输层以及应用服务层组成[2]。在油气生产物联网系统中，信息感知层主要通过各种不同的传感器对油田各个环节的实时运作情况进行信息采集，并根据需求将其传递到对应的现场数据中心；网络传输层的主要作用是将互联网和现场局域网进行相互融合，确保现场的各项数据能够动态地传输到相应的数据应用中心；应用服务层则能够基于移动终端或个人计算机的应用程序来完成对系统对象相关运作情况的管控与监督。该系统具有以下优点：1） 仪表及控制器的硬件接口和通信协议规范化；2） 网络传输方式标准化；3） 软件平台具有通用性和可扩展性。

1 系统的总体设计

油气田生产涉及多个学科和专业，包括开采、勘探、运输等环节。在生产运营过程中，往往会产生大量的原始数据信息，因此，信息化成为油气田生产中不可或缺的重要组成部分。随着信息技术的高速发展，油田信息技术也在不断进步[3]。为了获取更为精准和动态的实时生产数据信息，首先需要明确前端的相关操作流程。油气生产物联网监控分析的主要对象包括气井、抽油井等相关系统。具体情况概括如下：

1） 抽油井：主要关注其压力、荷载等相关数据信息，并形成一套全新且专业化的图形图像数据机制，为油井生产提供动态实时的诊断信息。2） 注水井生产远程监控：主要监测流量和压力等相关参数信息，结合预先设定的配注量，及时对注水流量进行调控，同时根据注水井的实际情况计算日累积量。3） 气井：主要采集井口的温度、压力、流量信息，并根据不同的工艺要求，还可采集排水流量以及套管压力。4） 计量系统：主要采集原油计量数据信息。尽管计量工艺存在较大的差异，但其主要目标是计算参考产量；同时监测和汇集各个管道的压力、温度等相关变量信息，并根据相关系数计算液量，然后动态传输到中控系统内部。

智慧油田要求对生产数据进行全面采集和深化应用。为满足现场工艺采集需求，按照物联网三层架构，配置相关设施，建成覆盖全油田的智能控制系统[4-5]。

信息感知层通过无线传感器等相关设备完成对各项信息的采集，同时实现数据信息的动态存储与集中处理。此外，通过危害气体监测仪器等相关装备监控现场环境变化情况，及时反馈所获取的信息内容，以确保生产能够正常运转。网络传输层结合有线传输网络和无线传输网络构建油田生产专网，实现油气生产物联网系统中各项信息的采集和传输。应用服务层作为数据管控平台，负责获取和监测生产运作各个环节的数据信息，以确保更客观地掌握工况和设备情况；同时完成站库流程优化、自动化控制系统改造；并配套井场供电系统、紧急截断阀、启停装置等设施，实现单井远程启停控制、注水系统自动调节、气井紧急关断等功能。

2 系统解决方案

2.1 单井数据采集与视频监控建设

井场配置中国航天科工第三研究院提供的HT10CRTU-08 远程测控终端，所有的传感器都通过无线传感网络（Zigbee） 传输至远程测控终端，整个数据远传系统采集的参数包括：载荷、位移、压力、温度、电参等；对单井启停回路进行改造并对RTU程序优化升级，实现油井远程控制；安装高清网络球形摄像机，对井场全景进行视频监控；数据远传设备和视频监控设备接入生产专网并上传至监控平台。

2.2 数据传输网络建设

本系统设计采用无线传输与有线传输相结合的方式。核心机房通过光缆连接至汇聚机房，汇聚机房再下联至各个区块的无线基站，从而构建一个核心—汇聚—接入的三层架构模型的独立生产专网。通过该生产数据专网，确保了生产业务数据传送的实时性和安全性[6]。

无线网络设备选用无线网桥，旨在利用无线技术实现点对点的网络连接。该技术能够将两个不同地域的独立网络相互连接，无须考虑物理线路的铺设。由于网桥位于OSI模型的数据链路层，其主要功能是对流量进行控制，对地址进行分配与纠错处理。

无线网络频段选择5.8 GHz，中心站点选用90°/120°扇区基站设备，外置双极化天线，工作频率范围为4.900-6.100 GHz，最高传输速率可达867 Mbps，最大传输距离超过20 km。远端接入点内置25 dbi定向天线，最高传输速率可达100 Mbps。该无线传输网络优点：1） 网络设备型号的选择与设计均遵循工业及国家相关操作标准，确保网络具有更高的开放性和兼容性，拓展功能强大。2） 设备采用OFDM、MIMO、ARQ 等技术，抗干扰、抗多路径能力显著。3） 设备提供SLA服务，为远端点提供更稳定的带宽。4） 系统增益储备高，链路可维护性好。5） 网络系统具有良好的可管理性。

根据现场环境和单井分布，合理部署4个中心基站及400个远端站，建设成稳定可靠、高数据吞吐率、低时延无线网络。有线网络选用三层以太网交换机，接入区域内所有单井和场站的生产网络设备，同时在核心层安装单向网闸，实现生产网与本地控制网、生产网与办公网的隔离，最终实现生产数据和视频图像的可靠、有效传输。

3 数据管控平台建设

数据管控平台（见图1） 由油气生产物联网项目组统一设计、开发和实施。硬件包括1台关系数据库、1 台实时数据库和1台组态服务器，数据的存储和数据处理分离，提升服务器的运行效率。客户端采用B/S 架构，内部开发6个子系统和28个功能模块。数据管控平台对接入的单井和场站数据全面汇总处理，其能够完成对相关信息的动态汇合，做出报警预警，完成实时数据信息获取等，确保生产各个环节能够真正实现可视化、自动化以及决策化运转。

4 系统运作算法模型

结合强化学习理论与CBAM-CNN-OL算法背景知识，本研究构建起基于强化学习理论下的CBAMCNN-OL算法电子巡检模型，同时结合该模型嵌入特征距离函数以提升模型的诊断效果。具体情况如下：

4.1 特征距离

特征距离函数经由最小化不同类别样本之间特征距离，最大化不同类别样本之间的特征距离，以达到提升特征质量的效果。同类样本之间的距离采用dk表示，具体公式为：

5 应用效果

1） 稠油快速配掺：在原来的场站控制系统中，稠油掺稀油需要每口井逐一配置，操作时间较长，借助本次数据管控平台建设的契机，在平台上开发批量配掺功能模块，将工况相近的数十口稠油井统一配掺，从而将稠油掺稀的效率提高了几十倍。

2） 报表信息化：通过油气生产物联网系统的高度共享，自动生成、存储、查询井、站、作业区的相关生产报表，逐步取代人工手动录入的报表。

3） 油井电子巡检：井场配置的远程启停装置和视频监控系统，实现了对单井的线上监控。监控人员无须出门，即可对单井进行巡检，实时查看单井设备的运行情况。同时，监控人员还可以通过远程调控系统实现一键停井操作，既提高了间抽井的开关井效率，又节省了巡检人力。

4） 场站无人值守：完善中小型场站和边远场站的控制系统和安防系统，视频监控、智能门禁、大型设备远程控制三者融合，数据接入管控平台，实现工艺流程可视化、大型设备精准控制、关键过程连锁控制，中小型场站和边远场站实行“集中监控，无人值守”。

5） 能耗监测管理：对单井抽油机、计量间分离器、场站电加热炉等耗电设备的智能电度表远程集抄，对用电设备进行节能状态监测及耗电分析，平台智能管控实现油田低碳环保的目标。

6 结束语

本文提出的基于物联网的智慧油田解决方案，能够实现油井的远程监控、电子巡检和集中管理，有效提高了采油管理效率，降低了生产成本。未来研究可进一步探索物联网技术与其他技术的融合，以构建更智能、高效的油田生产管理系统。