楊峰，楊灝，魏江偉，張進(jìn)科　(中石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西 高崚 716000)

油水井措施施工數(shù)字化監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

楊峰，楊灝，魏江偉，張進(jìn)科(中石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西 高崚 716000)

[摘要]如何在目前數(shù)字化油田的大環(huán)境下實(shí)現(xiàn)措施施工的有效管理,是油田急需解決的問題。根據(jù)油田油水井生產(chǎn)實(shí)際,通過對(duì)油水井措施施工目前存在的問題及其需求分析,提出了油水井措施施工數(shù)字化監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)技術(shù)路線和設(shè)計(jì)方案。油水井措施施工信息化監(jiān)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及傳輸單元和遠(yuǎn)程服務(wù)器監(jiān)控平臺(tái)兩個(gè)部分組成。2014年分別在長慶油田馮地坑作業(yè)區(qū)、馬房山作業(yè)區(qū)堵水調(diào)剖措施施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及傳輸單元的安裝、調(diào)試和測(cè)試,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果,為國內(nèi)其他油田的措施施工提供了參考。

[關(guān)鍵詞]油水井;措施施工;數(shù)字化管理;監(jiān)控平臺(tái);技術(shù)路線;方案設(shè)計(jì)

隨著油田開采時(shí)間增加，對(duì)已投產(chǎn)的油水井通過采用先進(jìn)的工藝措施如壓裂、酸化、堵水等來提高油田采油速度和采收率，是油田注水開采階段提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。然而，因現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)區(qū)域分散、地域距離遠(yuǎn)、交通和信息交流不便，使得采油廠管理人員和技術(shù)人員難以隨時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)措施施工動(dòng)態(tài)，關(guān)鍵性數(shù)據(jù)信息難以及時(shí)獲得，而且過程中外界環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的能力和責(zé)任心等因素影響了管理人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工情況的全面了解。因此，實(shí)現(xiàn)措施施工工藝過程的信息化監(jiān)控管理[1]、開發(fā)數(shù)字化監(jiān)控平臺(tái)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1現(xiàn)狀分析

1.1　存在問題

油水井措施施工工藝主要有壓裂、酸化和堵水調(diào)剖工藝。通過對(duì)這些施工工藝過程的分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前存在的問題：①壓裂和酸化措施可能由于工藝參數(shù)不合理，造成壓不開、壓竄、砂堵、砂卡等事故；②堵水調(diào)剖措施可能由于措施執(zhí)行不到位，如堵劑用量不足而導(dǎo)致措施處理無效等問題；③井場(chǎng)措施施工中經(jīng)常接觸石油、天然氣等易燃易爆和其他有毒有害物質(zhì)，易發(fā)生人員傷亡、環(huán)境污染等事故；④施工現(xiàn)場(chǎng)通訊條件差，數(shù)據(jù)采集及控制較難實(shí)現(xiàn)，對(duì)突發(fā)事件，需要進(jìn)行專家會(huì)診比較困難；⑤現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場(chǎng)指揮、現(xiàn)場(chǎng)施工操縱等主要是在儀表車上進(jìn)行，儀表車上的數(shù)據(jù)、施工現(xiàn)場(chǎng)的視頻都沒有傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的監(jiān)控中心，無法從網(wǎng)上實(shí)時(shí)查看施工現(xiàn)場(chǎng)狀況并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指揮控制。

1.2　需求分析

通過對(duì)油水井措施施工存在問題的分析，油田生產(chǎn)管理部門亟需研發(fā)和建設(shè)一套滿足油田措施施工實(shí)際需要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控和遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，將施工前期、中期、后期的關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息和視頻圖像信息傳輸?shù)讲捎蛷S的管理中心，從而實(shí)現(xiàn)信息共享和應(yīng)用、壓裂方案設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程專家診斷和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

2技術(shù)線路

根據(jù)不同措施工藝類型所需采集監(jiān)控的工藝參數(shù)，確定現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集儀表的技術(shù)指標(biāo)，包括儀表測(cè)量介質(zhì)適應(yīng)性、測(cè)量精度、工作溫濕度、信號(hào)輸出方式、安裝方式等[2,3]。在現(xiàn)有壓裂、酸化儀表車軟硬件環(huán)境中，部署針對(duì)性開發(fā)的數(shù)據(jù)接口模塊，實(shí)時(shí)獲取壓裂儀表車的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。開發(fā)、集成一套適用于油田壓裂、酸化、堵水調(diào)剖3種不同工藝措施關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控的RTU系統(tǒng)，采取標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、模塊化集成，確保橇裝式儀表系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝和使用的便攜性以及可靠性。結(jié)合油田的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，充分考慮目前各種成熟、主流的無線通訊方式，選擇適合措施施工現(xiàn)場(chǎng)條件的數(shù)據(jù)傳輸方式，并開發(fā)相應(yīng)軟件程序和數(shù)據(jù)接口。開發(fā)完成油水井措施施工參數(shù)實(shí)時(shí)采集監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)及數(shù)據(jù)發(fā)布組件，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控軟件對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)工況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、趨勢(shì)曲線繪制、報(bào)表數(shù)據(jù)生成、歷史數(shù)據(jù)檢索、異常報(bào)警提示、視頻圖像監(jiān)控、B/S結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及視頻發(fā)布等功能。

3方案設(shè)計(jì)

3.1　現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及傳輸單元

1)現(xiàn)場(chǎng)傳感器壓裂、酸化、堵水調(diào)剖施工中主要監(jiān)控和采集的參數(shù)包括壓力、排量、砂比等，以上參數(shù)的獲得均要通過壓力傳感器、流量計(jì)、專用傳感器來實(shí)現(xiàn)，傳感器的準(zhǔn)確與否和使用可靠性、壽命均將直接影響施工質(zhì)量和施工安全。方案設(shè)計(jì)選用電容式壓力傳感器、電磁式流量計(jì)、發(fā)射性密度計(jì)完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。

2)攝像機(jī)考慮到數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸以及網(wǎng)絡(luò)帶寬因素，選擇低照度感紅外一體化帶云臺(tái)標(biāo)清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，根據(jù)監(jiān)控需求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置兩個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)，通過設(shè)置云臺(tái)自動(dòng)巡航功能實(shí)現(xiàn)主要生產(chǎn)區(qū)域的視頻監(jiān)控覆蓋。

3)RTU單元RTU單元作為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及傳輸單元的核心處理器部分，既要負(fù)責(zé)各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的采集接入，又要考慮與儀表車等第三方PLC/RTU系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，此外還應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)的RJ45和RS232口以便于實(shí)現(xiàn)與無線網(wǎng)橋、GPRS DTU的數(shù)據(jù)通訊。

4)通訊模塊常規(guī)通訊方式分為有線傳輸和無線傳輸，按照網(wǎng)絡(luò)類型分為內(nèi)網(wǎng)通訊和公網(wǎng)通訊。根據(jù)措施施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，通訊方式設(shè)計(jì)為2種方式：①井場(chǎng)已建數(shù)字化通訊網(wǎng)絡(luò)的情況下，通過一套5.8G工業(yè)級(jí)無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)RTU采集箱數(shù)據(jù)向井場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的接入，無需布線且保證了通訊距離和通訊效果，也便于現(xiàn)場(chǎng)安裝；②拉油井場(chǎng)等偏遠(yuǎn)地區(qū)未連通數(shù)字化通訊網(wǎng)絡(luò)的情況下，通過一套GPRS DTU實(shí)現(xiàn)RTU采集箱數(shù)據(jù)通過公網(wǎng)的透明數(shù)傳，在廠監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。

5)集成橇橇裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是設(shè)備框架和設(shè)備整體組合的一種形式設(shè)計(jì)，主要考慮到設(shè)備移動(dòng)的便攜性、接口的簡(jiǎn)易度、安裝的牢固性等因素?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器因?yàn)樾枰c工藝管道等直接連接，因此需要采取螺紋、法蘭、卡箍等方式進(jìn)行安裝固定；除傳感器之外的攝像機(jī)單元、RTU單元、通訊單元均可集成到橇上。設(shè)計(jì)考慮設(shè)備的集成、運(yùn)輸、使用，集成橇設(shè)計(jì)功能和要求：①采用立方體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)輸時(shí)橇體全方位密閉，無活動(dòng)部件外露；②橇內(nèi)集成RTU箱、攝像機(jī)、補(bǔ)光燈、無線網(wǎng)橋(單個(gè))及配套附件；③傳感器到RTU單元的信號(hào)線兩端均采用戶外儀表專用快速接頭連接；④攝像機(jī)和無線網(wǎng)橋支架采用升縮式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可調(diào)節(jié)架高高度；⑤橇體外殼采用304不銹鋼材質(zhì)，防護(hù)等級(jí)IP65。

3.2　遠(yuǎn)程服務(wù)器監(jiān)控平臺(tái)

遠(yuǎn)程服務(wù)器主要用于現(xiàn)場(chǎng)油水井措施施工參數(shù)的采集、處理、存儲(chǔ)、視頻監(jiān)控及轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)頁發(fā)布等。服務(wù)器硬件因數(shù)據(jù)負(fù)載量不大，方案設(shè)計(jì)選用工控機(jī)。

1)操作系統(tǒng)考慮到系統(tǒng)的易用性和驅(qū)動(dòng)程序的完整性，遠(yuǎn)程服務(wù)器的操作系統(tǒng)選用Windows XP with SP3版本，操作系統(tǒng)加裝工業(yè)組態(tài)軟件、SQL數(shù)據(jù)庫、DTU驅(qū)動(dòng)、視頻ActiveX驅(qū)動(dòng)、專用接口驅(qū)動(dòng)等。

2)組態(tài)軟件選用技術(shù)成熟、功能強(qiáng)大的工業(yè)組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺(tái)，極大地縮短軟件平臺(tái)和網(wǎng)站發(fā)布的開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用；后期維護(hù)難度低，便于功能擴(kuò)展。組態(tài)軟件的功能和要求：①支持工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)RTU通訊協(xié)議；②支持ActiveX控件嵌入及轉(zhuǎn)發(fā)；③支持長時(shí)間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份；④支持軟件平臺(tái)的Web網(wǎng)站發(fā)布。

4應(yīng)用實(shí)踐

2014年5～11月分別在長慶油田馮地坑作業(yè)區(qū)、馬房山作業(yè)區(qū)堵水調(diào)剖措施施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及傳輸單元的安裝、調(diào)試和測(cè)試，遠(yuǎn)程服務(wù)器架設(shè)在馮地坑前線指揮部機(jī)房并實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

4.1　硬件功能部分

1)數(shù)據(jù)采集RTU控制器帶兩路RS485通訊，一路作為Modbus主站用于讀取智能流量計(jì)內(nèi)的瞬時(shí)和累計(jì)流量；一路作為Modbus從站用于GPRS DTU上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器。

2)數(shù)據(jù)傳輸集成橇上的無線網(wǎng)橋與井場(chǎng)數(shù)字化通訊桿上的無線網(wǎng)橋通訊實(shí)現(xiàn)廠局域網(wǎng)的接入；當(dāng)廠局域網(wǎng)通訊故障時(shí)RTU內(nèi)的GPRS DTU通過中國移動(dòng)公網(wǎng)將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至指定公網(wǎng)IP。

3)視頻監(jiān)控兩路視頻固定于集成橇內(nèi)，帶伸縮桿調(diào)節(jié)高度、陣列LED燈夜晚補(bǔ)光，視頻支持本地SD卡存儲(chǔ)并通過局域網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)控后臺(tái)。

4)設(shè)備安裝集成橇放置于施工現(xiàn)場(chǎng)，壓力變送器通過三通、截止閥安裝于水井取壓口，智能流量計(jì)通過高壓卡箍固定于加藥管道。

4.2　軟件功能部分

1)RTU軟件實(shí)現(xiàn)模擬量A/D轉(zhuǎn)換采集、流量計(jì)Modbus RTU通訊以及GPRS DTU通訊調(diào)試。

2)視頻嵌入軟件通過視頻攝像機(jī)廠家提供的SDK工具開發(fā)ActiveX控件，實(shí)現(xiàn)視頻圖像在力控組態(tài)軟件上的圖像顯示、視頻操作等。

3)服務(wù)器軟件平臺(tái)在力控組態(tài)軟件上開發(fā)數(shù)據(jù)顯示、趨勢(shì)曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表、異常報(bào)警、網(wǎng)站發(fā)布等功能模塊。

5效果評(píng)價(jià)

油水井措施施工信息化監(jiān)控的應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)油田常規(guī)生產(chǎn)模式在數(shù)字化建設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)壓裂、酸化、堵水措施現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和信息共享，通過近半年的運(yùn)行效果跟蹤，目前各項(xiàng)功能均能夠?qū)崿F(xiàn)，主要效果：①實(shí)現(xiàn)油田壓裂、酸化、堵水措施現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和信息共享；②加強(qiáng)措施施工過程管理能力，提升施工的有效率，降低生產(chǎn)成本；③關(guān)鍵工藝參數(shù)和視頻圖像的監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故苗頭，消除安全隱患；④廠級(jí)管理平臺(tái)數(shù)據(jù)記錄和共享，為專家會(huì)診、措施優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。油水井措施施工信息化監(jiān)控的試驗(yàn)探索，進(jìn)一步顯示了油田由自動(dòng)化向信息化、智能化發(fā)展的必然趨勢(shì)，為油田企業(yè)安全生產(chǎn)、精細(xì)管理和提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力提供參考。

[參考文獻(xiàn)]

[1]朱天壽.油氣田數(shù)字化管理[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011.

[2] 陽憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[3] 賈愛林，郭建林.智能化油氣田建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與認(rèn)識(shí)[J].石油勘探與開發(fā)，2012，39(1)：118～122.

[編輯]帥群

[引著格式]楊峰，楊灝，魏江偉，等.油水井措施施工數(shù)字化監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版) ,2015,12(26):84~86.

[中圖分類號(hào)]TE938.2

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2015)26-0084-03

[作者簡(jiǎn)介]楊峰(1972-)，男，工程師，現(xiàn)從事油田數(shù)字化建設(shè)與管理工作，yfcq@petrochina.com.cn。

[收稿日期]2015-05-04