楊　斌，李　巖，楊冬黎，侯躍新，楊仲秋

智能化油田計(jì)量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

楊斌1，李巖1，楊冬黎2，侯躍新1，楊仲秋1

（1.黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，哈爾濱150010；2.東北石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江大慶163318）

針對(duì)采油企業(yè)在計(jì)量監(jiān)管方面的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)出一套采用多種信號(hào)采集技術(shù)、GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、GPS衛(wèi)星定位、GIS服務(wù)等信息化管理手段的智能化油田計(jì)量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采油井、儲(chǔ)油罐、中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)參數(shù)的自動(dòng)采集和動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

智能化；自動(dòng)化；數(shù)據(jù)采集；監(jiān)控系統(tǒng)

隨著人們對(duì)能源需求的不斷提升，石油作為重要的戰(zhàn)略資源在世界能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要作用，它對(duì)國(guó)家的政治、軍事、經(jīng)濟(jì)均具有重要的影響［1］。在我國(guó)，石油同樣占據(jù)著舉足輕重的地位，然而國(guó)內(nèi)油田數(shù)量眾多且分布分散，不便于統(tǒng)一管理，，大部分油田生產(chǎn)企業(yè)在計(jì)量數(shù)據(jù)的采集方面仍然采用手工抄表的方式，通過(guò)人工匯總形成報(bào)表。這種方式既耗費(fèi)人力、物力，在數(shù)據(jù)的采集和匯總整理方面也具有一定的滯后性，會(huì)造成生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策的被動(dòng)，也不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中存在的故障及安全隱患［2］。

油田計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，直接影響了石油生產(chǎn)、運(yùn)維、調(diào)度等各環(huán)節(jié)，也關(guān)系到能源的消耗和生產(chǎn)指標(biāo)的完成與否。國(guó)內(nèi)外針對(duì)石油生產(chǎn)計(jì)量的管理模式一般分為以下4種：第一，依靠人工統(tǒng)計(jì)，此模式被國(guó)內(nèi)眾多企業(yè)采用，但也存在人工采集誤差大、滯后、效率低下等弊端。第二，基于獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，此模式數(shù)據(jù)共享性差，建設(shè)及維護(hù)成本高。第三，依靠DCS實(shí)現(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)采集，此模式應(yīng)用較廣，但是不提供遠(yuǎn)程控制支持。第四，基于網(wǎng)絡(luò)、DCS、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集管理，在國(guó)內(nèi)外屬于較前沿的技術(shù)應(yīng)用，但需要有良好網(wǎng)絡(luò)和完備的系統(tǒng)支持，目前還不太完善及成熟［3-5］。從對(duì)我國(guó)采油企業(yè)調(diào)查的結(jié)果看，國(guó)內(nèi)在此方面管理水平普遍不高，普遍采用手工統(tǒng)計(jì)自動(dòng)化程度不高。

本文立足于解決油田生產(chǎn)企業(yè)在計(jì)量數(shù)據(jù)管理方面的實(shí)際問(wèn)題，提出一種具有智能化管理功能的油田計(jì)量數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合運(yùn)用了電信號(hào)采集及轉(zhuǎn)換技術(shù)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、GPS衛(wèi)星定位等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，與地理信息系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，以采油井、儲(chǔ)油罐、中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站的各類(lèi)運(yùn)行指標(biāo)參數(shù)為監(jiān)測(cè)對(duì)象，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、處理、分析及生產(chǎn)決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)貫穿著石油生產(chǎn)信息傳遞及處理的主要過(guò)程，有助于提高采油的自動(dòng)化水平、降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度、推進(jìn)油田綜合信息化管理建設(shè)進(jìn)程。

1　系統(tǒng)分析

要實(shí)現(xiàn)對(duì)油田計(jì)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、監(jiān)控，就需要一套擁有軟硬件配套資源，集自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集分析等功能于一體的綜合平臺(tái)。硬件部分首先要實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)（包括：含水率、流量、溫度、壓力、儲(chǔ)罐物位等）實(shí)時(shí)不間斷測(cè)量。其次，要對(duì)電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換進(jìn)而形成對(duì)應(yīng)的數(shù)值，要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常變動(dòng)并進(jìn)行報(bào)警。最后，將數(shù)據(jù)封裝發(fā)送至各級(jí)監(jiān)管部門(mén)。軟件部分最主要的功能就是調(diào)取現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送來(lái)的各類(lèi)計(jì)量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，能夠形成各類(lèi)匯總報(bào)表。其次，要能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)監(jiān)控儀表的基礎(chǔ)信息進(jìn)行登記管理、對(duì)用戶(hù)操作權(quán)限進(jìn)行管理，達(dá)到分級(jí)管理的目的。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由各計(jì)量表數(shù)據(jù)采集終端、各級(jí)計(jì)量監(jiān)控平臺(tái)、計(jì)量監(jiān)控中心平臺(tái)三部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中：計(jì)量表數(shù)據(jù)采集終端負(fù)責(zé)各類(lèi)數(shù)據(jù)的采集及遠(yuǎn)程傳輸。各級(jí)計(jì)量監(jiān)控平臺(tái)負(fù)責(zé)處理所在級(jí)別的事務(wù)（如數(shù)據(jù)暫存、數(shù)據(jù)傳遞、報(bào)表輸出）。計(jì)量監(jiān)控中心平臺(tái)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的匯總管理及總體運(yùn)行調(diào)度管理。

圖1　智能化油田計(jì)量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of the intelligent oil metering automatic monitoring system

2.2功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用GIS技術(shù)對(duì)采油井、儲(chǔ)油罐地理分布及信息進(jìn)行管理，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)量信息自動(dòng)處理、自動(dòng)分析、自動(dòng)管理、自動(dòng)存儲(chǔ)。對(duì)采油站、儲(chǔ)油罐等監(jiān)控場(chǎng)所進(jìn)行定位，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)異常報(bào)警及儀表故障報(bào)警，在無(wú)人值守時(shí)自動(dòng)向監(jiān)管人員發(fā)送報(bào)警短信，根據(jù)監(jiān)管級(jí)別將系統(tǒng)劃分為采油廠、油礦區(qū)、采油小隊(duì)等管理級(jí)別并授予不同的操作權(quán)限。

3　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

智能化油田計(jì)量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)是利用多種信號(hào)采集技術(shù)、GPRS無(wú)線通信技術(shù)、GPS衛(wèi)星定位技術(shù)、GIS地理信息管理技術(shù)等新一代信息技術(shù)建立起來(lái)的系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部分主要包括軟硬件部分的開(kāi)發(fā)及業(yè)務(wù)流程的設(shè)計(jì)。

3.1硬件部分實(shí)現(xiàn)

3.1.1原油含水率測(cè)量

當(dāng)射線通過(guò)具有一定厚度的物體后，由于物質(zhì)的吸收作用使射線能量衰減，因此只要精確測(cè)量出在一定時(shí)間間隔內(nèi)的射線透射計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)分析推導(dǎo)，就可精確計(jì)算出原油含水率和含氣率的值。

a.選擇放射源

用射線衰減法測(cè)量油、氣、水分相含率時(shí)，這里采用半衰期為433年的241Am、238pu復(fù)合鈹窗源，241Am產(chǎn)生59.5keV的γ射線，238Pu產(chǎn)生22keV的γ射線。

b.探測(cè)器

探測(cè)器采用NaI（TI）晶體加光電倍增管的閃爍探測(cè)器。該探測(cè)器不僅可以探測(cè)射線的強(qiáng)度，而且能夠探測(cè)射線的能量。

c.信號(hào)預(yù)處理電路

為適應(yīng)測(cè)量、傳輸?shù)男枰?，需將信?hào)進(jìn)行放大、整形等的預(yù)處理，即將高頻率的負(fù)電壓弱信號(hào)變換為+5伏的脈沖信號(hào)輸出。

3.1.2其他數(shù)據(jù)的采集

對(duì)溫度、壓力及流量數(shù)據(jù)的采集主要采用間接的方式進(jìn)行獲取，即利用儀表對(duì)外輸出的4～20mm信號(hào)，通過(guò)數(shù)值建模及轉(zhuǎn)換獲得對(duì)應(yīng)的真實(shí)數(shù)值。

3.1.3安全防護(hù)處理

由于現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境復(fù)雜，存在噪聲和干擾，需要采取隔離、屏蔽和接地等措施，保證信號(hào)測(cè)量精度。此外，由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在油氣等易燃易爆物質(zhì)，所以需要加裝防雷、防爆裝置。

3.2軟件部分實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用B/S+多層數(shù)據(jù)訪問(wèn)框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，充分利用數(shù)據(jù)服務(wù)中間件及Flash在網(wǎng)絡(luò)客戶(hù)端開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)，搭建分布式的監(jiān)控系統(tǒng)。底層數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)采用SQL Server 2008作為主要開(kāi)發(fā)工具。在地理信息系統(tǒng)集成方面，利用ArcGIS Serve的rest服務(wù)使業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。

3.3工作流程

通過(guò)數(shù)據(jù)采集終端采集各計(jì)量?jī)x表的數(shù)據(jù)，通過(guò)GPS對(duì)采集點(diǎn)進(jìn)行定位，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)與定位信息發(fā)送至計(jì)量監(jiān)控中心平臺(tái)。

計(jì)量監(jiān)控中心平臺(tái)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理分析和計(jì)算，最終顯示在操作界面上，各級(jí)計(jì)量監(jiān)控平臺(tái)可根據(jù)自己的權(quán)限查看各計(jì)量點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)。

計(jì)量數(shù)據(jù)采集終端發(fā)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，可在采集現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出聲光報(bào)警以提醒現(xiàn)場(chǎng)操作人員，并向預(yù)設(shè)的安全責(zé)任人電話發(fā)送報(bào)警短信，同時(shí)在計(jì)量監(jiān)控中心平臺(tái)上也會(huì)顯示相應(yīng)的報(bào)警并加以標(biāo)記。

3.4系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)目前已在大慶油田某采油廠試運(yùn)行。在試運(yùn)行階段，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且故障率較低。各級(jí)生產(chǎn)監(jiān)管部門(mén)可以隨時(shí)調(diào)取現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，了解石油生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的實(shí)際情況，為更加科學(xué)地制定生產(chǎn)計(jì)劃提供科學(xué)依據(jù)。實(shí)現(xiàn)了完全的數(shù)據(jù)共享，不需要多次的匯總和統(tǒng)計(jì)上報(bào)，減輕了各級(jí)生產(chǎn)部門(mén)的工作負(fù)擔(dān)。對(duì)油田生產(chǎn)計(jì)量數(shù)據(jù)變化情況進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控，系統(tǒng)的運(yùn)行效果良好，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油田生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)監(jiān)管。圖2是系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果圖。

圖2　系統(tǒng)運(yùn)行圖Fig.2 The running diagram of system

4　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能化油田計(jì)量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)油田生產(chǎn)指標(biāo)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集測(cè)量，又可滿(mǎn)足上級(jí)主管部門(mén)動(dòng)態(tài)監(jiān)管油田生產(chǎn)的需求，為采油企業(yè)合理調(diào)度、安排生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)及決策輔助支持。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，還可將更多的技術(shù)引入到石油生產(chǎn)中，從而達(dá)到降低生產(chǎn)成本，提高工作效率的目的。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的建設(shè)，可推進(jìn)油田信息化及石油生產(chǎn)自動(dòng)化的建設(shè)進(jìn)程，具有重要的應(yīng)用研究意義。

［1］ 艾茂良.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采油與原油輸送監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

［2］ 吳慶洪.油田井場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［D］.鞍山：遼寧科技大學(xué)，2008.

［3］蔡智興.智能控制基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998：1-32.

［4］榮岡.流程工業(yè)綜合自動(dòng)化技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：3-24.

［5］ BERTOLUZZO M.，BUJA G.，VITTURI S.Ethernet Networks for Factory automation［C］//IEEE Industrial Electronics.Proceeding of the 2002 IEEE International Symposium on Industrial Electronics，2002：1.

Design and research of intelligent oil metering automatic monitoring system

YANGBin1，LI Yan1，YANGDong-li2，HOUYue-xin1，YANGZhong-qiu1
（1.Technical Physics Institute ofHeilongjiangAcademyofSciences，Harbin 150010，China；2.School ofComputer&Information Technology，Northeast PetroleumUniversity，Daqing163318，China）

In view of the actual demand of oil production companies in the metering monitoring，this paper designed an intelligent oil metering automatic monitoring system with a variety of signal acquisition technology，GPRS wireless data transmission，GPS satellite positioning，GIS services and other means of information management，which can realize the automatic acquisition and dynamic monitoring of parameter for oil wells，oil storage tank，transfer station and the combination station.

Intelligence；Automation；Data acquisition；Monitoringsystem

TP277

A

1674-8646（2015）04-0030-03