新疆气田物联网设计技术应用与展望

祝小鲸?田慧

摘要：近些年，随着石油天然气行业工作目标要求，气田物联网技术应用得到蓬勃发展。新疆气田天然气管理模式及物联网建设需求不断提高。通过对气田数据采集与监控子系统、数据传输子系统进行完善，实现生产数据自动采集、远程监控、生产预警等功能，支持油气生产过程管理，促进生产方式转变，提升气田生产管理水平和综合效益。

关键词：气田；物联网技术；数据采集；远程监控；生产预警

一、前言

物联网技术是新一代信息技术的重要组成部分。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。物联网通过智能感知、识别技术与通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。

我国天然气行业发展起步较晚，行业从建设伊始物联网应用水平就较高。按照中国石油集团公司工作目标要求，在天然气行业物联网的基础上，全面推动工业化和信息化深度融合、生产作业方式和劳动组织方式变革，实现扁平化管理和高效决策，开展油气生产物联网系统整体规划研究工作，以推进智能油气田建设，加快油气生产物联网系统建设，提升油田信息化、智能化水平。

新疆油田结合自身特点，利用各类传感器技术、有线和无线通信技术、信息系统组网技术，相继开展各自区块的生产物联网项目建设，实现气田井区、集气站、处理站生产数据、设备状态数据在厂处级生产指挥中心及生产控制中心集中管理和控制，搭建气田场站规范、统一的数据管理平台。

二、物联网技术设计成果及问题

新疆油田天然气行业油气生产数字化建设较早，自20世纪90年代以来相继建成了生产自动化监控系统。通过工业化、信息化系统的融合，将现场生产管理由传统的经验管理、人工巡检转变为智能管理、电子巡井，将前方分散、多级的管控方式转变为后方生产指挥中心的集中管控。

（一）气田管理模式及工艺流程简介

1.气田管理模式

（1）典型布站模式：三级布站。典型气田流程走向：气井→集气站→天然气处理站。

（2）各作业区生产运行采取中心站场处理站集中监视、分散控制，集气站、单井无人值守、故障巡检的管理模式。

2.气田工艺流程简介

典型单井工艺流程：单井采气加热节流流程、带紧急关断功能。

集气站流程：集气站多井式加热节流、选井计量工艺。

典型天然气处理站工艺：采气流程采用节流膨胀制冷/丙烷外冷、低温分离的天然气处理工艺。凝析油采用闪蒸分离稳定的工艺。富气采用增压分离外输的工艺。工艺流程如图1所示。

（二）生产业务需求（见表1）

（三）数字化发展成果

十多年前，在新疆油田各氣田建设初期，由于考虑到气田工艺压力高、介质易燃易爆、危险性较大等因素，各气田积极推进油气生产物联网项目建设，数字化建设水平还是比较高的[1]，基本实现了各井、站的数据监测及信息化建设，目前正在向各自动化系统互联互通、生产数据综合分析转变。下文从数据采集与监控系统、数据传输、生产管理、视频监控四个子系统全面介绍数字化现状。

1.采集与监控系统

（1）单井数据采集

采气井口建设水平较高，大部分单井实现数据远程采集，数字化覆盖率60%以上，基本实现“无人值守、远程监控、故障巡检”的管理模式。采气井口设置RTU，负责完成单井测控内容的实时监控，并通过光通信链路（或无线通信链路）传输至所属集气站/集配站站控系统，实现远程监控功能。以太网协议采用MODBUS TCP协议。

存在的问题：

第一，在气井建设初期，井口参数仅采集油压、井温及安全切断阀等数据。投用后，为满足用户地质分析等需求，逐步完善井口套压和环空压力检测点。天然气井数据仅有少数井场实现了远程关井功能，大部分井场虽设置自力式安全切断阀，但不具备远程控制功能。少量井口未设置安全切断阀，不能实现油气生产物联网系统规范要求远程关井功能。

第二，部分气井RTU自投用后，已使用十几年，硬件老化、故障频发，频频出现死机和通信中断问题。

设计成果：确定单井测控内容见表2。

（2）集气站数据采集

集气站实现了重要参数的数据采集，数字化率达到100%。集气站设站控系统PLC（或RTU），负责站内进站管汇、选井计量以及计量分离器等设备的数据采集与监控，实现“无人值守、远程监控、定期巡检”的管理模式。

设计成果：

设计一体化橇装集气站。橇装化产品一体化橇装集气站是集进站管汇选井、计量分离器计量（含仪表、电气）的橇装化设备，橇内仪表全部选用智能仪表及远程控制阀门，具有橇装设备运输便捷、现场施工简单、自动化水平高等优势。

存在的问题：

部分集气站在设计初期，按照“有人值守”的管理模式进行设计，轮井球阀采用手动操作方式，由于各单井在计量周期需每天倒井一次，现场操作工作量大，不满足集气站目前“无人值守、远程监控”的管理要求。

（3）处理站数据采集

处理站是整座气田的管理监控中心，负责整座站场的集中监控、调控管理功能。

设计成果：处理站BPCS集成控制系统设计。

根据仪表功能的区别，分别设置DCS集散控制系统、SIS安全仪表系统以及FGS火气系统。各系统通过以太网集成为1套站场BPCS系统[2]。

DCS负责井、站生产过程的实时监控，保证工艺设施稳定、有效运行。

SIS负责井、站生产过程中安全参数的监控，采用故障安全性设计理念，保证生产运行的安全，在发生紧急情况时，触发紧急停车，使工艺装置回归安全状态。

FGS负责站内可燃气体泄漏以及火灾事故检测，当发生火灾及可燃气体泄漏时，在现场及中控室发出声光报警，警示操作人员采取有效措施，规避火灾及可燃气体泄漏的风险。

典型气田控制系统架构如图2所示。

存在的问题：

气田SIS安全仪表系统缺乏设计前的安全完整性评估。在初步设计审查阶段，应对PID图和安全联锁因果表进行分析研究，结合过程危险分析和保护层功能分配的结果，评估、确定各安全仪表功能的安全完整性等级[3]。安全完整性评估可与HAZOP分析同时进行。

由于计算机技术软、硬件发展较快，基于计算机技术的自动化控制系统软、硬件在使用几年后老旧过时，并偶发死机、蓝屏现象。各作业区的组态软件还是基于Windouws XP操作系统，目前该操作系统已下线，无法更新维护，存在一定风险隐患。所以，建议自动化控制系统每隔5年进行软件升级，每隔8年进行硬件更新。

2. 生产管理子系统

生产管理子系统作为气田自动化生产系统的核心部分，是采气厂生产运行管理数据的监控管理点、数据存储源，并为应用开发提供基础数据。生产管理子系统监控范围覆盖采气井、集气站、处理站。

典型的生产管理子系统有两层架构，底层由设置在各作业区站场的BPCS集成控制系统组成，实现各作业区的集中监控功能。各气田作业区设置通信处理机，从站场控制系统工程师站读取数据，并转换成标准MODBUS TCP协议，上传至采气厂生产管理子系统[4]。生产管理子系统由SCADA系统监控与数据采集设备组成，包括操作站、工程师站（兼操作员站）、实时/历史数据库服务器、冗余磁盘阵列、通信前置机、网络交换机等组成，实现对各站场的数据采集与监视控制。

已建生产管理子系统软硬件配置如下：实时数据库服务器（主备冗余）、实时数据库软件、磁盘阵列、通信处理机配套工业协议 Modbus RTU/ASCII、Modbus TCP/UDP。

运行过程存在的问题：生产管理子系统监控功能单一，需定制开发气田专用应用功能。

目前，生产管理子系统仅实现了数据采集，实时监控功能。生产管理子系统与各采气作业区SCADA系统数据采集功能重复，不能满足生产管理层智能管理需求。生产管理层不仅需要大量的基础数据，更需要对大数据的应用与开发，形成一套能提供指挥决策的物联网智能管理平台，功能至少应该包括：生产过程检测功能、生产分析与诊断功能、物联网设备管理与辅助分析与决策功能、产能预测与视频监控功能、预警功能、生产报表及文档管理功能等。设计院应与用户加强合作，充分识别用户意图，对生产管理系统的研发提出指导性意见。

3.数据传输子系统

（1）单井数据链路

各气田单井主要采用光纤的通信传输方式，部分早期开发的气田物联网水平较低，单井通信链路采用无线输出电台的通信方式或没有建设通信链路。

（2）厂—公司级的主通信链路

各作业区与厂部的主通信链路没有建设自动化数据专网，自动化数据链路的汇聚通过油田办公网实现，网络安全存在隐患。另外，随着气田采气业务的扩展与远程视频监控应用的需求，通信链路亟待改造。

新疆油田目前正在进行油气田生产网和视频专网的建设，待建设完成后，即可解决各二级厂处油气站场与油田公司总部的通信问题。

4.视频监控子系统

新疆油田各采气作业区视频监控子系统采用基于IP网络型视频监控系统。系统由高清网络摄像机（IPC）+具备网络视频服务器功能的嵌入式网络硬盘录像机（NVR）+视频智能分析服务器（IVS）+报警监控客户端构成。前端设备主要由200万像素（1920×1080）数字式高清网络一体化红外摄像机构成，主要实现站区周界围墙、出入口等重点区域的实时监控，确保周界围墙监控无死角。

存在的问题：

由于大部分采气单井在建成时未建设单井通信链路，通信链路的二次建设、一次性建设成本过高，项目效益不高。属于安防风险单位的采气单井，其视频监控需求及单井通信需求大幅增强。综合高压、易燃易爆等因素，建议气田采气单井采用光纤传输链路。

四、气田物联网技术发展展望

（一）多相流流量计的应用

单井三相流计量技术近些年取得了长足的进步，三相流流量计已在新疆油田的部分作业区试用。三相流流量计一旦试验成功，将使采气工艺三级布站方式（气井—集气站—处理站）减少为两级布站方式（气井—处理站），简化了工艺流程、降低站场建设和管道铺设成本，对提高气藏和气井的科学开发具有重要意义，是物联网技术发展的重点。

目前，在新疆油田应用的三相流流量计的测量原理主要有两种：

第一，基于文丘里管+双能伽马传感器（豁免级放射源）测量技术，解决在不分离情况下的计量问题，实施检测油、气、水三相流量。

第二，基于音速喷嘴+微波的测量技术，实施检测油、气、水三相流量。

三相流检测技术一直是业内测量技术的难点，但随着测量技术的不断更新换代，三相流技术在新疆油田已经进行了试用及推广，特别是在文丘里管+双能伽马传感器三相流流量计的应用中，计量结果与大罐交油数据比对已经达到±1%的误差精度，完全满足计量规定及现场使用需求，得到用户的一致好评，但因其存在的本质放射风险，管理难度较大。音速喷嘴+微波测量技术已在煤制气项目中成功应用，新疆油田在2022年进行了试用，目前使用效果等待后续评价。

虽然三相流计量技术就其应用效果而言测量精度还是受限于运行工况、含液（水）量不同等因素，但通过不断的试验验证以及测量技术的不断提高，三相流技术必将会在气田得到广泛应用。

（二）无线仪表技术

近些年，无线仪表技术蓬勃发展，作为工业控制领域一项热点技术，已在国内外各个行业、领域广泛推广应用。无线仪表技术无需布线，受到广大用户的青睐，引领工业自动化向着低成本、高灵活性的方向发展。

根据气田井场布局采气单井的实际管理要求，无线仪表虽然具有很多优越性，但目前还不能完全取代有线仪表。其原因详见表3。

可以看出，有线仪表具备数据传输稳定、供电稳定的優点，适用于测控点数集中，并且需要紧急控制的井、站。无线仪表具有安装维护方便，施工成本低、施工周期短的优点，适用于测控内容规模不大，地势平坦，无需控制的井、站。设计人员可根据现场实际情况选择有线或无线仪表。

五、结语

随着物联网技术的飞速发展，物联网技术的深化应用必将优化、简化天然气行业的工艺流程、优化生产管理模式，使得生产过程智能化、气田开发精细化，由经验管理向科学决策发展转变，达到“增产、增效、不增人”的目的，为生产、安全、质量控制提供有效技术支持。

参考文献

[1]张玉恒.油气田站场无人值守探索及展望.仪器仪表用户[J].2020（02）：105-109.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.油气田及管道工程仪表控制系统设计规范：GB/T 50892-2013[S].北京：中国计划出版社，2013：6-7.

[3]国家能源局.油气田地面工程数据采集与监控系统设计规范：SY/T 7352-2016[S].北京：石油工业出版社，2017：24.

[4]国家能源局.油气田及管道工程计算机控制系统设计规范：SY/T 7628-2021[S].北京：石油工业出版社，2021：3-10.

责任编辑：张津平、尚丹