曾 韜
(中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122)
數(shù)字油田 (digital oil field,DOF)來源于 “數(shù)字地球(digital earth)”。所謂“數(shù)字地球”,是指在全球范圍內(nèi)按地理坐標和空間位置將所有的信息對應地組織存儲起來,構(gòu)造成一個統(tǒng)一的信息模型,并提供一種直觀的、方便的、有效的、快速的、交互的檢索方式、顯示方式和使用方式,為全人類服務。
數(shù)字油田的概念最早可追朔到1991年,在當時的《Oil&Gas》雜志上就出現(xiàn)了智能油田(smart field)詞匯和論述。但是,當時數(shù)字油田的確還是一個較為模糊的概念,尚處于構(gòu)想階段,然而,其基本思想?yún)s立即得到了普遍認可。國外通常引用的是美國劍橋能源研究協(xié)會(Cambridge energy research associates,CERA)的數(shù)字油田概念:數(shù)字油田的愿景是不同地域的操作者、伙伴或服務公司通過使用改進的數(shù)據(jù)、知識管理、強大的分析工具、實時系統(tǒng)和更有效的業(yè)務流程(business processes)等而受益。1999年,中國石油大慶油田有限責任公司(簡稱大慶油田)在國內(nèi)首次提出數(shù)字油田的概念,并將數(shù)字油田作為企業(yè)發(fā)展的一個戰(zhàn)略目標。
油田信息化的高級階段——數(shù)字油田產(chǎn)生及發(fā)展過程大概可分為以下階段。
·準備階段,即在20世紀90年代前。油田企業(yè)向機械化、電氣化、自動化、信息化、數(shù)字化、可視化、智能化、集成化方向發(fā)展,為數(shù)字油田的出現(xiàn)奠定了技術(shù)和應用基礎(chǔ)及提供了迫切的需求。
·萌芽階段,即20世紀90年代至21世紀之交??碧介_發(fā)一體化、可視化和虛擬現(xiàn)實、智能井(smart well)技術(shù)日趨成熟,ERP、電子商務的應用進入石油業(yè),信息集成、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)推進了數(shù)據(jù)資產(chǎn)化和數(shù)字油田理念產(chǎn)生的進程。
·起步階段,即世紀之交至2005年底。其標志是2000年2月CERA召開的題為“數(shù)字油田——新一代油藏管理技術(shù)”的大會。2003年2月,CERA又以“將來的數(shù)字油田”為題發(fā)表報告,倡導利用IT技術(shù),廣泛地實現(xiàn)油田勘探、開發(fā)、生產(chǎn)的集成化、效率化、最優(yōu)化和實時化。而且預言,由于利用數(shù)字油田技術(shù),今后5~10年,可以新增石油儲量1 250億桶。還指出今后發(fā)展的5項新技術(shù),即以4D地震為代表的遠程測量傳感(remote sensing)技術(shù),使復雜數(shù)據(jù)一元化表示的可視化(visualization)技術(shù),智能鉆井、完井(intelligent drilling and completion)技術(shù),自 動 化 (automation) 技術(shù)和信息集成 (data integration)技術(shù)。盡管數(shù)字油田的觀點、認識、概念很多,產(chǎn)品、方案也開始出現(xiàn),但成熟的成功應用實踐還不多。
·發(fā)展階段,即從2005年底起至今。以2005年10月在美國達拉斯舉行的石油工程師協(xié)會 (society of plastics engineers,SPE)年會為標志,會上發(fā)表了Sell、Chevron等數(shù)字油田的應用實踐案例?,F(xiàn)在,已有25個不同的“Smart Field”項目在世界各地實施。Sell公司,從2000—2004年已經(jīng)完成200口智能井,之后三年計劃完成660口智能井。Total公司裝備了目前世界上最先進、大容量、高速的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),可處理2 PB的數(shù)據(jù)。IDC的2006年石油工業(yè)10大技術(shù)預測中,將數(shù)字油田排在了第6位。
關(guān)于數(shù)字油田的定義有眾多版本,本文只列出三種有代表性的定義。
(1)以大慶油田為代表的國內(nèi)石油公司定義
“數(shù)字油氣田”是以油氣田為研究對象,以石油氣的整個生產(chǎn)流程為線索,建立勘探、開發(fā)、地面建設(shè)、儲運銷售以及企業(yè)管理等多專業(yè)的綜合數(shù)據(jù)體系,并將各專業(yè)的數(shù)據(jù)和應用系統(tǒng)進行高度融合,在建立油氣田生產(chǎn)和管理流程優(yōu)化應用模型的基礎(chǔ)上,利用可視化技術(shù)和模擬仿真以及虛擬現(xiàn)實等技術(shù)對數(shù)據(jù)實現(xiàn)可視化和多維表達,并且通過智能化分析模型,為企業(yè)經(jīng)營管理提供輔助決策信息,進一步挖掘生產(chǎn)和管理環(huán)節(jié)的潛力,使信息化建設(shè)更好地服務于企業(yè)生產(chǎn)和管理,為油氣田企業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造良好的信息支撐環(huán)境。
(2)BP公司e-Field定義
數(shù)字油田是技術(shù)和業(yè)務流程的集合,它們對油田的所有資產(chǎn),從油藏到銷售終端,實時地獲取、監(jiān)視和分析油田數(shù)據(jù),提供實時的、連續(xù)的、遠程的監(jiān)控和管理,可以頻繁地獲取油藏圖像;快速地瀏覽集成的油藏、井筒和設(shè)備單元的記錄;使用門戶等可視化工具方便地訪問數(shù)據(jù),并對其解釋和模擬。基于對地表和地下預測模型技術(shù)的數(shù)字決策支持系統(tǒng)(digital decision-support system)被用于分析實時數(shù)據(jù)和直接或間接地控制開發(fā)生產(chǎn)環(huán)境。
(3)Shell的 Smart Fields的定義
一個貫穿整個設(shè)備資產(chǎn)生命周期(throughout the asset life cycle)的由“測量—模擬—控制(measure-model-control)”到 “測量—監(jiān) 控—決 策—執(zhí) 行 (measure-monitor-decideexecute)過程的轉(zhuǎn)變。其核心思想和技術(shù)是閉環(huán)(close)、優(yōu)化(optimise)和集成(integrate)。
數(shù)字油田可以說就是油田信息化和自動化的代名詞,是全面地應用信息技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、石油勘探開發(fā)技術(shù)、現(xiàn)代管理思想、方法和技術(shù)等,對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進行武裝、提升和改造,在決策管理層、執(zhí)行層和過程控制層以及企業(yè)內(nèi)部和外部,全面提升生產(chǎn)技術(shù)能力、經(jīng)營管理能力和市場應變力。它是企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是企業(yè)現(xiàn)代化的基本標志,是提高企業(yè)核心競爭力的重要手段,是走新型工業(yè)化道路的必然選擇,是體制創(chuàng)新、管理創(chuàng)新和加強企業(yè)管理的重要途徑,是科技進步的重要表現(xiàn)和組成部分,是帶動各項工作提高水平的突破口,是企業(yè)求生存、圖發(fā)展的必由之路??傊瑪?shù)字油田是油田信息化的高級階段,是油田信息化達到網(wǎng)絡化、數(shù)字化、模型化和科學化的全新標志,是油田信息化的宏觀目標,是油田信息化的重要里程碑,也是油田信息化的鮮明旗幟。圖1是數(shù)字油田的示意圖。
物聯(lián)網(wǎng)是指通過射頻識別(RFID)、傳感器、GPS等信息獲取設(shè)備,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進行信息交換和通信,以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡概念。物聯(lián)網(wǎng)的延伸概念:將電子化、信息化滲透到各行各業(yè)的愿景,在機器之間、機器與人之間、人與現(xiàn)實環(huán)境之間實現(xiàn)高效的信息交互方式,并通過新的服務模式使各種信息技術(shù)融入社會行為,是信息化在人類社會綜合應用中達到的更高境界。
石油行業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)應用的重要行業(yè),尤其是石油生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)字油田的應用推廣給全球物聯(lián)網(wǎng)應用帶來千載難逢的契機。中國電信作為國內(nèi)最主要的物聯(lián)網(wǎng)應用商之一,及時把握機會,對石油行業(yè)客戶的物聯(lián)網(wǎng)應用需求進行了一年多廣泛而深入的調(diào)研,于2009年成功研發(fā)并推出服務于數(shù)字油田的物聯(lián)網(wǎng)應用產(chǎn)品 “基于CDMA通信網(wǎng)絡的油井生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)”(以下簡稱“油井生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)”)。作為數(shù)字油田的重要應用系統(tǒng),油井生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)通過對油井生產(chǎn)過程的自動化監(jiān)測,實時地獲取、監(jiān)視和分析生產(chǎn)數(shù)據(jù),提供實時的、連續(xù)的、遠程的監(jiān)控和管理。系統(tǒng)可以歸納為3個環(huán)節(jié):數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)傳輸—遠程監(jiān)控,該系統(tǒng)屬于典型的物聯(lián)網(wǎng)應用。
2.3.1 系統(tǒng)概述
油井生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)包括3個子系統(tǒng):油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)遠程采集傳輸系統(tǒng)、油井生產(chǎn)遠程分析管理系統(tǒng)、油井生產(chǎn)遠程控制系統(tǒng)。油井生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了以生產(chǎn)基地中控室為中心的油田生產(chǎn)運行模式。中控室通過實時監(jiān)測發(fā)現(xiàn)問題并發(fā)出遠程控制指令。只有在遠程系統(tǒng)無法解決的情況下,才需要技術(shù)人員到現(xiàn)場解決問題。這種模式不僅使職工的工作條件有了根本改善,也使現(xiàn)場工作效率大幅度提高。油田生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)是數(shù)字油田的重要基礎(chǔ)。隨著信息技術(shù)和自動化工藝的不斷發(fā)展,生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中的應用越來越廣,為油田高效開發(fā)、降低消耗、安全生產(chǎn)、減輕員工勞動強度、提高工作效率和管理水平提供了可靠的保障。系統(tǒng)通過傳感器、視頻攝像頭等對油氣井生產(chǎn)情況進行定期數(shù)據(jù)采集,通過CDMA終端把數(shù)據(jù)發(fā)送至前線中控室對數(shù)據(jù)進行分析管理,以掌握油井生產(chǎn)狀況,并進行必要的遠程控制;同時將數(shù)據(jù)傳輸至油田生產(chǎn)基地中控室,試點生產(chǎn)基地可以同步了解到油井生產(chǎn)情況,圖2為該系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖。
2.3.2 油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集傳輸系統(tǒng)
油井生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的前端系統(tǒng)是油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集傳輸系統(tǒng)。油井生產(chǎn)狀況采集傳輸系統(tǒng)分為三種類型:第一種是一體化示功儀系統(tǒng),第二種是全無線系統(tǒng),第三種是叢式井系統(tǒng)。
(1)一體化示功儀系統(tǒng)
系統(tǒng)主要設(shè)備是CDMA一體化示功儀,是以16位微處理器為核心,集采集、存儲、2.4 Gbit/s ZigBee微功率無線模塊和CDMA模塊于一體的高精度功圖采集終端,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。示功儀安裝在抽油機的抽油桿上,內(nèi)置加速度傳感器、載荷傳感器、CDMA模塊和電池,可實現(xiàn)油井核心數(shù)據(jù)采油機功圖的自動采集、傳輸。一體化示功儀內(nèi)的RTU模塊將載荷傳感器和加速度傳感器采集來的數(shù)據(jù)進行濾波、計算處理,形成示功圖,通過CDMA模塊遠程傳輸?shù)缴a(chǎn)基地服務器。系統(tǒng)系統(tǒng)也可以擴展采集油溫、油壓、電量等生產(chǎn)數(shù)據(jù),傳感器數(shù)據(jù)通過ZigBee模塊無線發(fā)送至一體化示功儀上,而示功儀通過加裝ZigBee接收模塊,可獲取傳感器數(shù)據(jù)。
整個系統(tǒng)具有安裝簡單、維護方便、可靠性高、性價比高等特點,具體如下。
·系統(tǒng)體積小,安裝維護方便。把載荷傳感器、加速度傳感器和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊集成到一個小裝置內(nèi),直接安裝到抽油機井口的懸繩器上,無需其他任何接線。抽油機井上只需安裝一臺示功儀即可實現(xiàn)油井地面功圖的遠傳。系統(tǒng)采用加速度測量位移,避免了拉線法的體積大、機械部件多、加工復雜、使用中卡線斷線等許多缺點。
·本地存儲,遠程終端單元可以存儲120個示功圖,在網(wǎng)絡掉線的情況下能夠保證數(shù)據(jù)不丟失。
·模塊化設(shè)計,便于調(diào)試和更換元器件,方便維護,節(jié)約成本。
·電子手抄器設(shè)置參數(shù),使用手抄器以無線方式設(shè)置通信參數(shù),無需開蓋。
·電量自動報警。
·遠程升級,RTU和DTU內(nèi)的嵌入式程序均可以通過CDMA網(wǎng)絡進行遠程升級。
·功能擴展:能夠遠程采集溫度、壓力,一體化示功儀通過無線模塊接收溫度和壓力信號,再通過CDMA模塊把信號遠程傳輸?shù)缴衔粰C服務器。
·實時采集:能夠遠程實時監(jiān)測抽油機井地面示功圖,一體化示功儀從采集、處理、存儲、發(fā)送數(shù)據(jù)到存入服務器全部實現(xiàn)自動化,無需任何人工參與。根據(jù)時間即可實現(xiàn)記錄的查詢。
(2)全無線采集傳輸系統(tǒng)
所有的傳感器都通過短距離無線傳輸(ZigBee)方式傳輸至數(shù)據(jù)采集傳輸終端(RTU),由RTU傳輸至生產(chǎn)基地服務器。全無線系統(tǒng)適用于油田的所有井型,可以有效解決油田、油氣和水井現(xiàn)場生產(chǎn)以及相關(guān)數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸、處理等工作中的問題。通過遠程實時監(jiān)控,不僅可以大大降低成本,節(jié)能增效,減輕工人勞動強度,提高生產(chǎn)、工作效率,還可以有效防止破壞、盜竊采油設(shè)施的不法行為,保障油田生產(chǎn)安全。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于能夠自動實時采集油水井工況的許多參數(shù),這些參數(shù)包括載荷、位移、壓力、溫度、電參量、流量等,而且全部實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸,避免了施工埋線、線纜老化等問題。系統(tǒng)具有安裝維護簡單、使用方便、功能齊全、性能可靠、運行安全等特點。全無線系統(tǒng)主要由以下部分組成:遠程終端單元(RTU)、CDMA模塊、ZigBee無線模塊、無線一體化示功儀、無線壓力傳感器、無線溫度傳感器、無線流量計等,如圖4所示。
系統(tǒng)功能和特點如下:
·每個RTU管理一口井上的壓力、溫度等參數(shù);
·具有自動登錄網(wǎng)絡、斷線自動重連的功能,用戶免于維護數(shù)據(jù)連接;
·實現(xiàn)油井工況數(shù)據(jù)的自動實時采集、解析、入庫,無需人工干預;
·系統(tǒng)采用超低功耗MSP430系列微控制器,最大限度地降低系統(tǒng)耗電;
·采用數(shù)字溫度、壓力表直觀準確地顯示油井溫度壓力。
(3)叢式井系統(tǒng)
叢式井系統(tǒng)適用于叢式井或距離不大于500 m的井群。該系統(tǒng)中所有傳感器統(tǒng)一編號,都通過無線模塊與井群RTU交互數(shù)據(jù)。井群RTU協(xié)調(diào)DTU模塊管理傳感器網(wǎng)絡,本地存儲和顯示所有井采集的數(shù)據(jù)和管理參數(shù),負責將所有井數(shù)據(jù)通過DTU模塊傳送到服務器。該系統(tǒng)突破了遠程控制終端單元只能管理一口井的瓶頸,減少了遠程控制終端的使用數(shù)量,節(jié)省成本和通信費用,更大程度上優(yōu)化了井群工況數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。對于叢式井或距離不大于500 m的井群,該系統(tǒng)提供了完整的解決方案。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于集中管理井群,節(jié)省大量的成本,還具有可靠、開放、靈活、性價比高等特點。叢式井系統(tǒng)包括:井群遠程終端單元(井群 RTU)、數(shù)據(jù)傳輸模塊(DTU)、無線模塊、各種傳感器,如圖5所示。無線傳感器包括無線一體化示功儀、無線壓力傳感器、無線溫度傳感器、無線流量計等。
系統(tǒng)功能和特點如下:
·集中管理,RTU管理井群,每個遠程控制終端單元(RTU)可以管理多口油水井,減少RTU的使用數(shù)量;
·集中傳輸,減少CDMA等無線網(wǎng)絡終端設(shè)備,減少數(shù)據(jù)卡的使用數(shù)量,節(jié)省通信費用;
·通用性強,設(shè)備采用模塊化設(shè)計,可以和多種無線模塊連接;
·兼容性好,RTU可以兼容視頻監(jiān)控設(shè)備、紅外報警設(shè)備、遠程控制設(shè)備;
·開放式結(jié)構(gòu),系統(tǒng)擴展方便。
·系統(tǒng)具有保密功能,從而防止了非操作人員的誤操作。
2.3.3 油井生產(chǎn)遠程分析管理系統(tǒng)
系統(tǒng)概述:油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)遠程采集傳輸系統(tǒng)只是將數(shù)據(jù)采集至生產(chǎn)管理單位,而油井生產(chǎn)遠程分析管理系統(tǒng)是對采集的數(shù)據(jù)進行有效利用的部分。系統(tǒng)通過對功圖、電參、壓力、溫度等多元數(shù)據(jù)的分析,對油井生產(chǎn)狀況進行綜合診斷分析及優(yōu)化。系統(tǒng)包括以下6個子系統(tǒng):數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、分析預測子系統(tǒng)、工程分析子系統(tǒng)、遠程計量子系統(tǒng)、優(yōu)化設(shè)計子系統(tǒng),如圖6所示。
數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng):采集錄入功圖、功率、功率因素、電壓、電流、油壓、套壓等生產(chǎn)參數(shù)。
數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng):生成油井靜態(tài)數(shù)據(jù)庫、實時動態(tài)數(shù)據(jù)庫、采油設(shè)備數(shù)據(jù)庫、油井生產(chǎn)日報數(shù)據(jù)庫,依據(jù)數(shù)據(jù)庫開發(fā)數(shù)據(jù)查詢、動態(tài)圖件生成、圖件查詢。
分析預測子系統(tǒng):根據(jù)油井具體參數(shù),應用油水復合法、采液指數(shù)法、Petrobras法等方法,對油井生產(chǎn)進行預測。
工程分析子系統(tǒng):主要應用于超深井、水平井的自噴、電潛泵采油、酸化、壓裂作業(yè)井下單級、組合油管柱設(shè)計、校核。系統(tǒng)中建立了多種工況下(起下管柱、正常生產(chǎn)、封隔器座封、酸化、壓裂作業(yè)等)的管柱受力計算方法,包括對油井壓力場計算、油井溫度場計算、稠油井注蒸汽、電加熱、回采等工藝的井筒溫度場計算??筛鶕?jù)實時采集的功圖、電流、扭矩、壓力等數(shù)據(jù),實現(xiàn)油井的實時分析與診斷。繪制稀油區(qū)塊油井宏觀控制圖、稠油熱采區(qū)塊宏觀控制圖。
遠程計量子系統(tǒng):以實測示功圖、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、電參數(shù)等采集參數(shù)作為分析有桿/無桿泵工作狀況的主要依據(jù),建立先進的、適用的油水井系統(tǒng)數(shù)學模型及算法;診斷出油水井工況和存在的問題;計算出各種復雜工況下的油井的產(chǎn)液量;同時進行各種有效的數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計,并可以遠程智能控制與調(diào)節(jié)油井的工作狀態(tài)。系統(tǒng)可準確及時地統(tǒng)計和掌握客戶的用電信息;對用電設(shè)備、電能表的運行狀態(tài)和客戶的用電情況進行實時監(jiān)控、分析管理。
優(yōu)化設(shè)計子系統(tǒng):通過對油井歷史數(shù)據(jù)的挖掘、當前數(shù)據(jù)的分析,應用軟件強大的數(shù)值仿真功能,智能化地實現(xiàn)當前工況診斷、油井生產(chǎn)預測、區(qū)塊狀況預測等功能,為油井設(shè)計、油井生產(chǎn)、作業(yè)維護等提供合理方案。通過泵抽時間、沉沒度、泵抽產(chǎn)量等數(shù)據(jù),繪制沉沒度與時間關(guān)系圖,確定合理間抽制度,提高間抽井效率。
2.3.4 油井生產(chǎn)遠程控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)屬于遠程智能調(diào)控系統(tǒng),具有對抽油機井、電泵井、螺桿泵井等的工況進行實時采集、實時分析、實時控制的功能,同時還具有間抽設(shè)置、遠程開關(guān)井、遠程變頻等遠程控制功能。通過下達采集、調(diào)控等指令,自動完成實時監(jiān)測油井的壓力、溫度、功圖、動液面、電參數(shù)等,遠程智能調(diào)控電機啟停、閥門開度、電機頻率等,保證了采集調(diào)控的迅捷、精準,并降低了油井工人的勞動強度,提高了油水井的自動化管理水平。油井智能調(diào)控系統(tǒng)實現(xiàn)遠程油井采油動態(tài)資料數(shù)據(jù)的自動化采集和傳輸,由遠程變頻控制單元利用功圖、壓力、溫度和電參量數(shù)據(jù)對油井工況進行綜合診斷,依據(jù)油井綜合診斷結(jié)果選擇最佳變頻和啟停方案,實現(xiàn)對采油設(shè)備的最高效變頻控制,達到提高泵效的最佳應用效果。其結(jié)構(gòu)如圖7所示。
中國電信油井生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)目前已在黑龍江大慶油田、天津大港油田和新疆克拉瑪依油田得到了應用,使油田實現(xiàn)了油井自動監(jiān)測和控制、實時數(shù)據(jù)采集、油井液量計量、油井工況診斷優(yōu)化設(shè)計等功能,在實現(xiàn)簡化地面流程的作用同時,還實現(xiàn)了提高油井系統(tǒng)效率的目的,為簡化油田地面流程,節(jié)省產(chǎn)能建設(shè)和提高系統(tǒng)效率等方面做出了重要貢獻,獲得了用戶的高度認可。圖8~11反映了系統(tǒng)在大港油田使用前后的效果。