鄭鑫廣 西民族師范學(xué)院

基于物聯(lián)網(wǎng)的油田遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)*

鄭鑫廣 西民族師范學(xué)院

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)油田工程中主要模塊的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，包括油田勘探系統(tǒng)、油田開(kāi)發(fā)系統(tǒng)、工程進(jìn)度管理系統(tǒng)、地面建設(shè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、物資管理系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一套較為完整的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)管理者與油田現(xiàn)場(chǎng)工作人員的無(wú)縫交流與控制信息傳遞，將油田現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、加工、傳輸?shù)龋⑿纬捎洃浿R(shí)庫(kù)，經(jīng)營(yíng)者可以通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，能夠隨時(shí)根據(jù)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行指令的傳遞，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理以及生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的自動(dòng)化控制。

油田工程；物聯(lián)網(wǎng)；自動(dòng)化控制；設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前油田工程是利用自動(dòng)化控制系統(tǒng)，將各個(gè)鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)組成一個(gè)“局域網(wǎng)”形式的物聯(lián)網(wǎng)信息網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)一個(gè)物理信息，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息交流和共享，并利用鉆井過(guò)程的共同信息創(chuàng)建共同的模型，在井場(chǎng)與管理者之間可實(shí)現(xiàn)同步、準(zhǔn)確的交流，讓管理者能夠隨時(shí)隨地對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行監(jiān)控，并在不同鉆井工程中共享有利經(jīng)驗(yàn)。由于有了現(xiàn)代通訊技術(shù)，管理者相當(dāng)于一個(gè)“控制中心”，能夠?qū)崿F(xiàn)不同鉆井現(xiàn)場(chǎng)間的同步管理，并能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井現(xiàn)場(chǎng)的信息共享和交流，實(shí)現(xiàn)分布式的自動(dòng)化控制，極大地提高了管理效率。因此，這種基于物聯(lián)網(wǎng)的油田遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)可縮短工程建設(shè)工期，提高油田勘探及管理水平。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的油田遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要包括油田工程中一系列工作的自動(dòng)化控制，從勘探、開(kāi)發(fā)、建設(shè)、自動(dòng)測(cè)控到工程管理等都需要高效、便捷的管理工具。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)在油田工程中應(yīng)用的提出

隨著物聯(lián)網(wǎng)在智能家居、電話(huà)遠(yuǎn)程控制、電子監(jiān)控中的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸步入更多的電信項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制；隨著油田工程對(duì)自動(dòng)化控制的需求，物聯(lián)網(wǎng)逐步進(jìn)入油田工程的建設(shè)中。在油田工程建設(shè)和管理中，物聯(lián)網(wǎng)能夠從感知層通過(guò)無(wú)線傳感技術(shù)將油田工程中每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行模型提??；網(wǎng)絡(luò)層將這些傳感技術(shù)提取的信息構(gòu)成信息數(shù)據(jù)庫(kù)，并將數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)傳輸，實(shí)現(xiàn)信息共享交流；應(yīng)用層利用這些信息數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)三個(gè)層次的處理，實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)控制室”和油田工程現(xiàn)場(chǎng)與管理的閉環(huán)控制，為油田工程的開(kāi)發(fā)和監(jiān)管提供了高效的手段。該控制模式流程如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的油田遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制流程

2.2 遠(yuǎn)程控制原理

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)油田工程中主要模塊的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，包括油田勘探系統(tǒng)、油田開(kāi)發(fā)系統(tǒng)、工程進(jìn)度管理系統(tǒng)、地面建設(shè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、物資管理系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一套較為完整的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

以油田勘探系統(tǒng)為例，油田勘探系統(tǒng)的功能主要是采集地質(zhì)資料，對(duì)油田地質(zhì)資料和數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。計(jì)算機(jī)技術(shù)以其數(shù)據(jù)分析的精密性及客觀性，能夠從復(fù)雜的勘探數(shù)據(jù)中客觀地展示勘探地質(zhì)條件的優(yōu)劣勢(shì)。

鉆井工程輔助系統(tǒng)為鉆井人員提供有效的手段，能夠利用信息化手段規(guī)避不必要的人力資源投入，并且鉆井過(guò)程中能夠人工智能地提供監(jiān)測(cè)手段。該系統(tǒng)為鉆井人員高效工作以及鉆井過(guò)程中的人身安全進(jìn)行電子信息化監(jiān)測(cè)與管理，使其管理及質(zhì)保人員能夠可視化監(jiān)控整個(gè)鉆井過(guò)程。

工程進(jìn)度及地面建設(shè)是油田工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，只有工程進(jìn)度及地面建設(shè)得到良好的控制與推進(jìn)，才能保證后續(xù)工程的順利進(jìn)行。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，能夠保證油田工程的推進(jìn)和油田工程中各個(gè)工程環(huán)節(jié)的信息共享、管理者對(duì)油田工程現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制。

2.3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的油田自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)管理者與油田現(xiàn)場(chǎng)工作人員的無(wú)縫交流與控制信息傳遞，將油田現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、加工、傳輸?shù)?，并形成記憶知識(shí)庫(kù)，管理者可以通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，能夠隨時(shí)根據(jù)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行指令的傳遞，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理以及生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的自動(dòng)化控制?；谖锫?lián)網(wǎng)的油田自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。從對(duì)油田施工現(xiàn)場(chǎng)的感知層，通過(guò)數(shù)字信號(hào)采集的形式將信息送至網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，送至Web應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。

在油氣田的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要在同一位置鉆多口不同方位的定向井，應(yīng)用自動(dòng)化控制系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)間的傳感器信息可以自動(dòng)分析鉆井的開(kāi)口，實(shí)現(xiàn)智能分析和自動(dòng)控制。不僅如此，還可以利用自動(dòng)化控制系統(tǒng)油藏模型來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)，提前給施工現(xiàn)場(chǎng)提供所需要采取的措施。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的油田自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

隨著物聯(lián)網(wǎng)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的技術(shù)被引入物聯(lián)網(wǎng)，其支撐技術(shù)包括溫度和濕度傳感技術(shù)、二維碼技術(shù)、GPS定位、遠(yuǎn)程導(dǎo)航、射頻技術(shù)等?；谖锫?lián)網(wǎng)的油田遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要基于物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。

油田工程中的地下勘探、地上采集、生產(chǎn)加工等一系列流程非常復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，必須借助于強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

3.1 信號(hào)采集階段

油田現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境惡劣，必須通過(guò)多個(gè)信號(hào)傳感器將既定信號(hào)采集，并通過(guò)邊沿觸發(fā)方式將油田勘探中各個(gè)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)。由于信號(hào)需要永久存儲(chǔ)以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)，所以采取雙磁盤(pán)陣列的存儲(chǔ)方式，同時(shí)采用RAM為傳輸介質(zhì)，避免CPU查詢(xún)時(shí)發(fā)生沖突。

3.2 命令傳輸階段

當(dāng)遠(yuǎn)程控制終端的CPU接收到地面下傳的命令之后，命令間通過(guò)計(jì)算機(jī)指令解釋并通知主CPU。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，井下與地面之間的通信采用并行總線；同時(shí)，以曼切斯特編碼作為信道編碼以提高信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力。采用專(zhuān)用的曼切斯特編碼完成數(shù)據(jù)的串并行轉(zhuǎn)換，由傳感信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)到CPU處理器，再進(jìn)行外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的讀寫(xiě)來(lái)完成命令字的接收和數(shù)據(jù)的上傳。當(dāng)控制終端的命令下發(fā)后，也可以逆向轉(zhuǎn)換至油田現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)命令的傳輸。

3.3 應(yīng)用層階段

應(yīng)用層階段主要是利用物聯(lián)網(wǎng)的傳感網(wǎng)絡(luò)，將油田現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)匯集成信息數(shù)據(jù)庫(kù)，傳至應(yīng)用層，利用無(wú)線傳感技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)等將物聯(lián)網(wǎng)和油田控制層對(duì)接，并依據(jù)油田工程的需求，制定個(gè)性化的應(yīng)用層服務(wù)。

4 結(jié)語(yǔ)

在信息技術(shù)日新月異的今天，物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)用于油田生產(chǎn)已成為油田工程建設(shè)和發(fā)展的必然選擇?；谖锫?lián)網(wǎng)的自動(dòng)化油田控制系統(tǒng)已經(jīng)成為各大能源公司間信息交流和控制的一種重要手段，通過(guò)這種自動(dòng)化控制方式將油田勘探和管理的工作流程簡(jiǎn)單化、程序化、智能化，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)的多元化管理，從而提高了工作效率，為企業(yè)帶來(lái)了更大經(jīng)濟(jì)效益。

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.12.032

基金論文：廣西教育廳高?？蒲许?xiàng)目（YB2014418）。