敬興龍，武建軍，楊力，李暉

(1. 新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；2. 克拉瑪依紅有軟件有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；3. 中石油新疆油田公司，新疆 克拉瑪依 834000)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田稠油注采工藝監(jiān)控平臺(tái)研究

敬興龍1，武建軍2，楊力1，李暉3

(1. 新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；2. 克拉瑪依紅有軟件有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；3. 中石油新疆油田公司，新疆 克拉瑪依 834000)

提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田注采工藝監(jiān)控平臺(tái)的搭建方法，將傳統(tǒng)的RTU數(shù)據(jù)采集遙測(cè)系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)等與新型的WSN與LTE網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等綜合運(yùn)用，搭建了一套新型智能化監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程控制、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、故障預(yù)診斷等多項(xiàng)核心功能。該套系統(tǒng)目前主要集中在傳感層與網(wǎng)絡(luò)層的研究，隨著該套監(jiān)控平臺(tái)的搭建完成，未來(lái)可進(jìn)一步開(kāi)展應(yīng)用層的研究。

長(zhǎng)期演進(jìn) 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 物聯(lián)網(wǎng) 智能油田 監(jiān)控平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)近年來(lái)迅猛發(fā)展，傳感層、通信層、應(yīng)用層等各個(gè)層級(jí)都取得了比較廣泛的研究成果，但結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用目前進(jìn)展緩慢。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的稠油注采工藝處理過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)從稠油注采工藝處理過(guò)程入手，技術(shù)上通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、LTE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)稠油生產(chǎn)工藝的安全監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)高效地感知生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，大幅度地提升稠油生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理、安全操作和自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)稠油井區(qū)、注汽站、稠油處理站等關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)管理監(jiān)控、實(shí)時(shí)故障診斷，業(yè)務(wù)單元預(yù)警分析，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和稠油生產(chǎn)過(guò)程緊密結(jié)合，優(yōu)化地面工藝，提升蒸汽驅(qū)油效率，降低開(kāi)發(fā)成本。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的稠油注采工藝處理過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)感知油田稠油采輸過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括單井生產(chǎn)過(guò)程中的壓力、溫度、電流、功率，多通閥組的控制與計(jì)量切換，簡(jiǎn)配站的單井產(chǎn)液流量、日產(chǎn)量；同時(shí)監(jiān)測(cè)熱采鍋爐的干度、壓力、注汽流量、溫度以及環(huán)境參數(shù)等，借助生產(chǎn)、安全信息及各種通信手段傳遞現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)采油生產(chǎn)工況實(shí)時(shí)診斷、管控；對(duì)油田采油各生產(chǎn)環(huán)節(jié)參數(shù)、效率、損耗進(jìn)行分析，優(yōu)化工作參數(shù)；實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)油田采油各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的“大閉環(huán)”智能控制。實(shí)現(xiàn)“同一平臺(tái)、信息共享、多級(jí)監(jiān)視、分散控制”，起到強(qiáng)化生產(chǎn)安全、過(guò)程監(jiān)控、節(jié)約人力資源和提高效益的作用，達(dá)到為油田稠油生產(chǎn)方案的調(diào)整提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析與故障診斷等決策依據(jù)的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的稠油注采工藝處理過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

2 數(shù)據(jù)采集遙測(cè)系統(tǒng)

井場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與控制核心為現(xiàn)場(chǎng)儀表及RTU機(jī)箱?，F(xiàn)場(chǎng)儀表采集固定載荷、角位移、壓力、溫度、H2S體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)。其中現(xiàn)場(chǎng)傳感器的選取結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)傳感層的特點(diǎn)可選擇各種新型的無(wú)線(xiàn)壓力、溫度、載荷等傳感器，突出物聯(lián)網(wǎng)傳感層研究在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的具體實(shí)踐；RTU機(jī)箱主要包括RTU模塊、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋、電機(jī)監(jiān)控模塊等。

3 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)包含多項(xiàng)通信技術(shù)研究，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3.1異構(gòu)融合組網(wǎng)

3.1.1結(jié)合LTE網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的多層次混合物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)協(xié)議

LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施與物聯(lián)網(wǎng)固定匯聚節(jié)點(diǎn)融合，可以確保網(wǎng)絡(luò)中的傳感器在任一時(shí)間與LTE網(wǎng)絡(luò)的連通性。

1) 支持LTE的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議?？蚣埽瑢?shí)現(xiàn)基于LTE網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理協(xié)議、多終端自適應(yīng)接入?yún)f(xié)議及自適應(yīng)組網(wǎng)協(xié)議等。

2) 適合LTE網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)專(zhuān)用軟件架構(gòu)(底層協(xié)議棧、驅(qū)動(dòng)、操作系統(tǒng)及中間 件等)。

3) 結(jié)合路由刷新周期、傳感終端所負(fù)責(zé)采集的物聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍、匯聚節(jié)點(diǎn)周?chē)钠款i效應(yīng)及網(wǎng)絡(luò)壽命等因素，分析和設(shè)計(jì)適用于該混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括路由協(xié)議和拓?fù)淇刂频取?/p>

4) 混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式和單獨(dú)固定匯聚節(jié)點(diǎn)模式相比可以提高網(wǎng)絡(luò)性能(包括時(shí)延、能耗等)，主要采用仿真的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，并構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行性能驗(yàn)證。

5) 建立路徑長(zhǎng)度與選擇策略的關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)在傳感器節(jié)點(diǎn)只能采用多跳路徑與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的情況下自適應(yīng)選擇特定固定匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并解決固定匯聚節(jié)點(diǎn)周?chē)钠款i效應(yīng)問(wèn)題。

3.1.2LTE網(wǎng)絡(luò)與WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)備及互聯(lián)技術(shù)的研究

LTE網(wǎng)絡(luò)與WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)備及互聯(lián)技術(shù)的研究包括作為匯聚節(jié)點(diǎn)的傳感終端的網(wǎng)關(guān)功能研究以及與LTE網(wǎng)絡(luò)基站的網(wǎng)關(guān)功能研究。需要考慮網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性、無(wú)線(xiàn)媒質(zhì)的丟失特性、節(jié)點(diǎn)傳輸范圍的有限性對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)與性能的影響。具體包括：

1) 傳感終端的快速切換與可靠通信機(jī)制研究。網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)、無(wú)線(xiàn)媒質(zhì)的丟失特性以及移動(dòng)業(yè)務(wù)特性，要求多個(gè)傳感終端之間支持快速接入與可靠通信，支持自適應(yīng)快速切換。

她沒(méi)害你，咋就騙了你的錢(qián)，你半年沒(méi)進(jìn)校門(mén)，學(xué)校要把你除名，費(fèi)多大的勁，才讓你讀完大學(xué)，這教訓(xùn)還不夠嗎？看你擰頭別筋的樣子，去大連吧。但是有一條，不能干不靠譜的事。

2) 基于LTE的物聯(lián)網(wǎng)查詢(xún)與匯報(bào)機(jī)制研究，包括LTE網(wǎng)絡(luò)基站發(fā)現(xiàn)機(jī)制、作為采集節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)路由選擇方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)匯報(bào)機(jī)制和協(xié)議設(shè)計(jì)。

3) LTE網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施與物聯(lián)網(wǎng)中高層節(jié)點(diǎn)(包括固定匯聚節(jié)點(diǎn))互聯(lián)互通與協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)研究。中高層節(jié)點(diǎn)采用雙模制式，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換，利用基站間的有線(xiàn)鏈接實(shí)現(xiàn)WSN中高層節(jié)點(diǎn)—基站—基站—WSN中高層節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)互通。

3.1.3LTE網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施與WSN中高層節(jié)點(diǎn)的深入融合

LTE網(wǎng)絡(luò)與WSN的融合不僅表現(xiàn)為通過(guò)終端的融合，而且可以實(shí)現(xiàn)WSN與LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施的融合。通過(guò)融合LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施與WSN中高層節(jié)點(diǎn)的功能，可以實(shí)現(xiàn)資源的充分利用及滿(mǎn)足特殊情況下(如地震導(dǎo)致基站間光纖通信中斷)的應(yīng)急通信等需求。

WSN中高層傳感節(jié)點(diǎn)包括多媒體傳感器、矢量傳感器及底層物聯(lián)網(wǎng)匯聚節(jié)點(diǎn)等設(shè)備，均具有高帶寬要求、高能耗等特性，均可作為兩網(wǎng)融合的切入點(diǎn)。LTE網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施如基站等具有較好的選址、較高的計(jì)算能力及充足的能量與帶寬，故將兩者作設(shè)備級(jí)融合。其融合可分為以下幾步：

1) 松耦合。WSN中高層節(jié)點(diǎn)與LTE基站簡(jiǎn)單集成，兩者共享能源、位置、帶寬等資源，兩種網(wǎng)絡(luò)在拓?fù)渖舷嗷ジ糸_(kāi)，形成松散的耦合結(jié)構(gòu)。研究?jī)?nèi)容包括基站與WSN中高層節(jié)點(diǎn)的硬件接口定義、數(shù)據(jù)交互協(xié)議、公共信息管理等。

3.1.4WSN與LTE網(wǎng)絡(luò)融合的電磁兼容性

WSN與LTE網(wǎng)絡(luò)的融合將涉及到兩者之間的電磁兼容問(wèn)題，為滿(mǎn)足各種業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)所的需要，采用不同的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的通信手段，如在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸量較小時(shí)，采用如Zigbee等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)；而在視頻安全監(jiān)控上，所要求的數(shù)據(jù)傳輸量較大時(shí)，采用如Wi-Fi等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)。因此，在同一個(gè)融合網(wǎng)絡(luò)中，將同時(shí)存在低速、中高速的物聯(lián)網(wǎng)與LTE網(wǎng)絡(luò)。

3.1.5低速和中高速WSN與LTE網(wǎng)絡(luò)融合的信號(hào)傳輸模型

根據(jù)不同短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的信號(hào)傳輸特點(diǎn)，特別是Zigbee，Wi-Fi等技術(shù)特點(diǎn)，在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)WSN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析研究WSN的信號(hào)傳輸模型，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合LTE網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸模型，提出在網(wǎng)絡(luò)融合條件下的信號(hào)傳輸模型，為研究低速、中高速WSN與LTE網(wǎng)絡(luò)融合的相互干擾和共存奠定理論基礎(chǔ)。

3.2LTE系統(tǒng)組成

LTE系統(tǒng)引入了正交頻分復(fù)用多址(OFDMA)和多天線(xiàn)多輸入多輸出(MIMO)等關(guān)鍵傳輸技術(shù)，顯著增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率(峰值速率能夠達(dá)到上行50Mbit/s，下行100Mbit/s)，并支持多種帶寬分配，頻譜分配更加靈活，系統(tǒng)容量和覆蓋顯著提升。

1) OFDMA。在OFDMA系統(tǒng)中，用戶(hù)僅使用所有的子載波中的一部分，如果同一個(gè)幀內(nèi)的用戶(hù)的定時(shí)偏差和頻率偏差足夠小，則系統(tǒng)內(nèi)不會(huì)存在小區(qū)內(nèi)的干擾，比碼分系統(tǒng)更有優(yōu)勢(shì)。

2) MIMO。頻率資源的使用是有限的，無(wú)論在時(shí)域、頻域還是碼域上處理信道容量均不會(huì)超過(guò)香農(nóng)極限。多天線(xiàn)的使用使得不同用戶(hù)的信號(hào)可以用不同的空間特征來(lái)表征，使得空域資源的使用成為可能?？沼蛱幚砜梢栽诓辉黾訋挼那闆r下成倍地提升信道容量，也可以改善通信質(zhì)量、提高鏈路的傳輸可靠性。

3) 自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)。根據(jù)信道條件分配傳輸功率和碼率，以提高傳輸速率或系統(tǒng)吞吐量。自適應(yīng)技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境中具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵谑覂?nèi)環(huán)境中傳播時(shí)延很小，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的相對(duì)速度也較慢。在該種情況下，自適應(yīng)技術(shù)可以逐幀使用。

4 稠油生產(chǎn)工藝監(jiān)控子系統(tǒng)

1) 圖表顯示實(shí)現(xiàn)流程監(jiān)控。以圖表曲線(xiàn)的形式對(duì)稠油生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀展示，包括油井生產(chǎn)參數(shù)、鍋爐運(yùn)行參數(shù)、集輸水處理設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、油藏開(kāi)發(fā)參數(shù)等，使生產(chǎn)管理人員可以直觀地了解稠油生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)運(yùn)行與變化。

2) 數(shù)據(jù)分析。根據(jù)稠油生產(chǎn)不同環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)分析需求，建立標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析模型，通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的整合、分類(lèi)、抽稀、對(duì)比、統(tǒng)計(jì)進(jìn)行綜合分析，使管理人員可以直觀了解稠油生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)參數(shù)變化。

3) 故障診斷。建立稠油生產(chǎn)油藏注采、設(shè)備運(yùn)行診斷的標(biāo)準(zhǔn)模型，通過(guò)對(duì)參數(shù)的變化來(lái)診斷稠油油藏開(kāi)發(fā)變化、設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)的主要問(wèn)題，并進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警觸發(fā)，實(shí)時(shí)提醒管理人員進(jìn)行故障排查與對(duì)策實(shí)施。

4) 生產(chǎn)預(yù)警。通過(guò)成熟的業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)稠油油藏開(kāi)發(fā)未來(lái)的趨勢(shì)變化，包括產(chǎn)量、遞減率、含水量變化等關(guān)鍵指標(biāo)的預(yù)測(cè)預(yù)警，使管理人員可以根據(jù)油藏開(kāi)發(fā)的預(yù)測(cè)提前制訂優(yōu)化措施。

5) 智能控制和自學(xué)習(xí)規(guī)則建立和優(yōu)化。借助成熟的專(zhuān)家系統(tǒng)、BP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、Petri網(wǎng)等成熟算法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和應(yīng)對(duì)措施，建立智能控制系統(tǒng)，并且根據(jù)系統(tǒng)反饋，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)校正和學(xué)習(xí)，提供系統(tǒng)的控制精度和準(zhǔn)確性。如遠(yuǎn)程油井啟停、沖次控制、變頻器頻率修改、注汽閥門(mén)控制、計(jì)量閥門(mén)控制和控制器參數(shù)更改等，涉及傳輸協(xié)議、參數(shù)地址、指令代碼與解釋?zhuān)e累了大量可供推廣和參考的管理模型和管理經(jīng)驗(yàn)。

5 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(DMS)子系統(tǒng)

將所有數(shù)據(jù)引入油田生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)，取代了以往靠統(tǒng)計(jì)人員通過(guò)大量的數(shù)據(jù)錄入與分析才能得到的分析結(jié)果，能快捷全面地統(tǒng)計(jì)分析各種生產(chǎn)報(bào)表信息及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，而且可根據(jù)生產(chǎn)需求方便靈活地更改查詢(xún)及統(tǒng)計(jì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中從稠油注采工藝處理過(guò)程入手，以實(shí)時(shí)高效感知生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、提升稠油生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理、安全操作和自動(dòng)化水平以及最大限度地降低生產(chǎn)成本為目的，綜合運(yùn)用多項(xiàng)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，搭建了一套集中的系統(tǒng)化管理平臺(tái)。特別是LTE網(wǎng)絡(luò)、WSN技術(shù)等無(wú)線(xiàn)技術(shù)的運(yùn)用改變了傳統(tǒng)的通過(guò)地埋方式的光纜敷設(shè)以及遠(yuǎn)距離光纖架設(shè)的工作量大、成本高的缺點(diǎn)。該平臺(tái)的搭建還為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層多項(xiàng)新技術(shù)、新功能提供了廣闊的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

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StudyonMonitoringPlatformofHeavy-OilInjection-ProductionProcessBasedonIOTTechnology

Jing Xinglong1， Wu Jianjun2， Yang Li1， Li Hui3

(1. Xinjiang Hualong Oilfield Technology Co. Ltd.， Karamay， 834000， China；2. Hongyou Software Co.Ltd.， Karamay， 834000， China；3. CNPC Xinjiang Oilfield Corporation， Karamay， 834000， China)

One construction mean is proposed for oilfield injection-production process monitoring platform based on IOT technology. A set of new intelligent monitoring platform is set up with integrating traditional RTU data acquisition telemetry systems， SCADA systems， new WSN and LTE network communication technology， etc. And the core functions of data acquisition and storage， on-site equipment remote control， wireless data transmission， fault diagnosis and others are realized. This system mainly focuses on study of sensor layer and network layer at present， with completion of monitoring platform construction， the study on application will be developed further in the future.

long term evolution； wireless sensor network； IOT； intelligent oilfield； monitoring platform

稿件收到日期： 2013-06-05，修改稿收到日期2013-09-18。

國(guó)家物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資金(財(cái)企[2013]297號(hào))。

敬興龍(1987—)，男，四川射洪人，2010年畢業(yè)于西南石油大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)就職于新疆華隆油田科技股份有限公司，主要從事油田自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備及系統(tǒng)化工程技術(shù)研究工作，任助理工程師。

TP273

B

1007-7324(2013)06-0017-04