肖 理

（中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司 蜀南氣礦計量自控中心，四川瀘州 646001）

1 建立油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的必要性

1.1 提高油氣資源綜合競爭能力的要求

我國大多數(shù)油田經(jīng)過長時間的高效率開采，正處在特高含水和特殊開采時期。雖然為各個行業(yè)的生產(chǎn)提供了豐富的石油資源，但長期的高強度開采也給油田的發(fā)展帶來了很大的困難。特別是油氣田的儲層資源接替不充分，儲層平衡系數(shù)不高，油氣田的綜合含水量達到94.6%，生產(chǎn)成本的快速增長，收入和利潤的持續(xù)下滑，對油氣企業(yè)的整體競爭力造成了很大的影響。為了更好地完成百年油氣田的目標，提高油氣田的經(jīng)濟效益，使其始終保持行業(yè)標桿地位，必須強化頂層設計，建立起油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系，增強主營業(yè)務以及經(jīng)營管理工作，大力推動信息化改革工程，增強油氣田發(fā)展期間的綜合效益。

1.2 企業(yè)精益經(jīng)營必須具備的要素

要達到油田信息化的目的，必須要建立一個智能化的油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。為了實現(xiàn)油氣藏的可持續(xù)發(fā)展，必須立足于資源的可持續(xù)使用，并不斷開發(fā)新的技術。我國油氣的地下剩余儲量仍相當可觀，但是隨著油田開發(fā)的復雜性，其開發(fā)周期也在不斷增加。傳統(tǒng)的以勞動組織和分工為主導的管理體制已不適應油田企業(yè)的改革要求，必須通過建立健全物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系，落實精細化管理制度，增強油氣田開采期間的管理效益。

1.3 是數(shù)字化、智能化油氣田開發(fā)的主要方向

石油工業(yè)信息化建設已全面展開，國家和相關部門制定了石油工業(yè)信息化建設的整體計劃。在油氣田數(shù)字化、智能化建設中必須實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，構建油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)油氣田數(shù)字化的覆蓋率。

1.4 提高對低油價的適應能力

通過建立油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，降低了油氣田的生產(chǎn)和運營成本，從而更好地適應當前的低油價，維護自己的核心利益，達到可持續(xù)發(fā)展目標。通過建立健全的生產(chǎn)信息化管理體系，對油田實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的成本浪費進行了分析，制定相應的控制措施，以達到降低成本和提高效益的目的。

2 油氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)概況

物聯(lián)網(wǎng)的概念最早是由美國麻省理工大學于1999年創(chuàng)立的Auto-IDLabsAuto-IDLabs（Auto-IDLabs）系統(tǒng)發(fā)展而來，能夠將所有物件都與諸如RFID 之類的信息傳感器裝置相連，從而達到智能識別與管理的目的。通過傳感器、射頻、通訊等技術對油氣水井、計量間、油氣站庫、油氣管網(wǎng)等生產(chǎn)對象進行全面感知，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)信息在生產(chǎn)指揮中心及生產(chǎn)控制中心集中管理和控制。能夠利用傳感器、射頻等技術，對油氣開采的信息進行感知，從而達到精確的采集、精確的數(shù)據(jù)、精確的控制和穩(wěn)定的控制。數(shù)據(jù)傳送子層主要是通過數(shù)據(jù)通訊技術來實現(xiàn)實時的生產(chǎn)和視頻圖像的傳送，與USN 模式下的泛在傳感網(wǎng)絡接入網(wǎng)和泛在傳感網(wǎng)絡的基礎上相適應。生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)測和管理，主要是通過對生產(chǎn)過程中實時數(shù)據(jù)的收集，構建生產(chǎn)管理和預測預警系統(tǒng)，覆蓋油氣生產(chǎn)和處理的全過程。該系統(tǒng)與基于USN 模型的泛在傳感網(wǎng)絡中間件以及通用傳感網(wǎng)絡應用平臺相匹配。

物聯(lián)網(wǎng)技術的應用范圍很廣，借鑒石油天然氣工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)3層體系結構，對其所涉及的關鍵技術進行分類、整理，從而構建了石油天然氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術的系統(tǒng)模型。感知和控制技術主要應用于油氣井、計量間、油氣站庫、油氣管網(wǎng)等領域，并可實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中的自動化控制。包括傳感器技術、射頻識別技術、紅外技術、自動控制技術等。網(wǎng)絡和通信技術主要應用于傳感器和RTU（PLC/DCS）之間的數(shù)據(jù)、圖像和控制等數(shù)據(jù)的傳送，從而使數(shù)據(jù)從生產(chǎn)端和控制端向后端生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)控和管理部門之間的連接。石油生產(chǎn)中的海量感知信息的存儲、計算和處理是石油工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術。利用數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、綜合分析、安全預警、生產(chǎn)調度、應急搶險等綜合數(shù)據(jù)管理平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、遠程監(jiān)控、生產(chǎn)預警，支持油氣生產(chǎn)過程管理，進一步提高油氣田生產(chǎn)決策的及時性和準確性。

隨著石油天然氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍不斷擴大，承載業(yè)務的多樣化、服務品質的不斷提升，影響到網(wǎng)絡正常運轉的因素也越來越多。

3 基于油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總體設計

3.1 整體結構

針對石油油氣企業(yè)的整體需求，結合石油油氣企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)標準，將其劃分為數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、生產(chǎn)管理部分。

3.2 常規(guī)稀油井、拉油罐

由于油氣田大多數(shù)分布環(huán)境氣候惡劣、環(huán)境惡劣，故采用無數(shù)字顯示的RTU 控制盒。RTU 采用4G無線客戶端，將4G 網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦S監(jiān)控中心，在每個井口拉油槽的出口設置一個單凸緣式液面?zhèn)鞲衅?，將電加熱控制信號和熱阻信號與井口RTU 連接，從而實現(xiàn)了對油槽溫度的自動控制。

3.3 稀油計量站和配水間

對于具有全自動化的橇裝計量站，只要在現(xiàn)有RTU 控制器上安裝4G 通信模塊，即可實現(xiàn)RTU 數(shù)據(jù)的傳輸。對于磚混計量站，在每個計量間的分離器上分別裝有1個壓力傳感器、1個磁翻盤水位計、1個旋轉式旋流流量計、2個電動壓油閥、1個集油管、1個壓力變送器和1個溫度傳感器。通過自動化改造和工藝改造，實現(xiàn)了對管道匯的遙控。最后，實現(xiàn)了管匯的自動選井和分離機的自動計量。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

為了保證數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、生產(chǎn)管理等子系統(tǒng)的安全、可靠的網(wǎng)絡傳輸，提出了一種基于無線技術的通信方案。無線網(wǎng)組網(wǎng)具有獨立的組網(wǎng)功能，能夠直接接入油田的生產(chǎn)自動化專用網(wǎng)絡；具有高的訪問密度和較高的帶寬傳送容量，以滿足井下的數(shù)據(jù)傳送需求；支持中央管理的無線網(wǎng)絡設備，具有訪問權限的控制；采用IP 接口協(xié)議的網(wǎng)絡終端裝置。為了以后的網(wǎng)絡操作和維護，無線網(wǎng)路的組網(wǎng)結構盡量簡化，并且不能有太多的類型。隨著數(shù)字油田建設的深入，移動通信、應急救援、移動辦公、人員定位、視頻會議等都與TD-LTE 系統(tǒng)兼容。然而，無線網(wǎng)橋具有固定訪問特性，不能滿足移動通信需求，不利于數(shù)字油田開發(fā)的深入?？紤]到經(jīng)濟性、先進性、擴展性等因素，選擇TD-LTE 來承擔油田自動化數(shù)據(jù)傳輸服務。

3.5 信息安全

①在多個垂直層級的網(wǎng)路間設置一個工業(yè)防火墻，并設定適當?shù)拇嫒∫?guī)則，有效地控制了不需要的越級存取，避免了攻擊者透過上層網(wǎng)路侵入及攻擊底層網(wǎng)路，降低網(wǎng)路連通性所造成的安全性風險。同時還能實現(xiàn)多層間的工業(yè)協(xié)議數(shù)據(jù)交換，有效地屏蔽了非法操作，保證了企業(yè)的安全。②在相同的網(wǎng)絡層級上，也可以設置一個工業(yè)防火墻，將其劃分為不同的安全區(qū)，設置不同的存取規(guī)則，避免在不同的安全區(qū)間進行無意義的訪問，同時也可以實現(xiàn)對不同安全區(qū)間的工業(yè)協(xié)議進行深入的過濾，從而降低安全區(qū)間的安全性問題。

4 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在油氣田生產(chǎn)中的應用

4.1 做好三大網(wǎng)絡基礎設施的建設

在油氣田的經(jīng)營過程中以實現(xiàn)高水平、高效益為目標，通過科學的方法，減少投入，減少勞動強度，使油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)得到了有效的推進。在油氣田的智能化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設中，有關部門要做好以下工作：重點推動老區(qū)油氣田的石油、天然氣生產(chǎn)的“物聯(lián)網(wǎng)”模式，搞好組織結構和生產(chǎn)方式的變革。通過對油氣田的信息化技術和智能化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設，投入了1.5億元，主要包括采油廠油水井數(shù)字采集、轉油站，注入站等聯(lián)合站數(shù)字化改造，相關配套數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，生產(chǎn)管理平臺建設等工作。

在三大物聯(lián)網(wǎng)基礎設施的建設過程中，需要根據(jù)油氣田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設工作為重要基礎，建立統(tǒng)一的數(shù)字化實施思路，選擇更加適宜的軟件量油以及工況分析方法，形成更加統(tǒng)一標準的油氣田油氣生產(chǎn)數(shù)字化管理以及勞動組織工示范模式，要求以油氣田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設工作為重要基礎，注重在試點單位內開展勞動組織機構優(yōu)化改造工作，要求建立起以作業(yè)區(qū)為單位的專業(yè)化管控構架，確保采油隊伍、聯(lián)合站、勘察隊伍人力資源能夠得到最優(yōu)化配置。在開發(fā)油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時，必須嚴格按照整體規(guī)劃、先易后難的原則，充分發(fā)揮出數(shù)據(jù)在指導油氣田生產(chǎn)，加強油氣田管理整體管理水平中的積極作用。

4.2 重視技術服務系統(tǒng)的優(yōu)化

在油氣田智能管理體系的工作中建立了基于石油、天然氣工業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，建立了數(shù)字儀器工業(yè)的數(shù)字化工業(yè)基地，加大石油、天然氣的數(shù)字化建設設。為了確保氣田的安全，該油氣企業(yè)將技術服務體系優(yōu)化為當前的發(fā)施品種，加強技術改造和產(chǎn)品升級，努力研究出低成本的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字儀表展重點，建立起了油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，著力破解生產(chǎn)難題。確保信息化管理的質量，組建了一支以信息化為核心的軟件開發(fā)、系統(tǒng)維護、項目建設等技術支撐團隊。

4.3 建立數(shù)字化管理機制

為了在油氣田的信息化環(huán)境下，建立一個基于信息化的油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，必須從根本上提高其應用的數(shù)字化水平。①要建立一個基本的工業(yè)基地和技術支援團隊，要對明傳和專業(yè)知識進行適當?shù)呐嘤?，保證信息化體系的建設和后期的運作。加強與各大油田油氣企業(yè)的聯(lián)系，加大技術支援，為油田的數(shù)字化管理工作提供更充分的技術保證。②要實現(xiàn)數(shù)字化建設和管理工作的規(guī)范化、標準化，必須重視對數(shù)字管理工作進行統(tǒng)一的體系結構和技術計劃，建立健全地面工程項目信息化審查機制。根據(jù)油田實際情況和工程建設的實際情況，建立了運行物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的保障體系。因此，必須在實施物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的同時，充分利用國外的先進經(jīng)驗，制訂出適合當前生產(chǎn)需要的管理辦法，以保證油田的建設和應用工作順利進行。同時，組建了一個專業(yè)化的數(shù)字化運營隊伍，提升了團隊內部的系統(tǒng)運維專業(yè)性，確保了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4.4 油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本內容

在石油天然氣生產(chǎn)信息化系統(tǒng)建設中，通過對生產(chǎn)組織結構的調整，進一步優(yōu)化了生產(chǎn)流程，將精細化管理思想貫徹到了生產(chǎn)實踐中。油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系建設工作在解決油氣田勘探開發(fā)生產(chǎn)管理的難題上發(fā)揮出了重要作用，油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系建設主要以一個中心、三項基礎建設為根本目標，旨在建立起兩項技術與管理保障。其中以油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)為核心，以采集油氣田企業(yè)的數(shù)據(jù)為核心，實現(xiàn)了油氣田生產(chǎn)信息的公開與共享。在此基礎上，通過各企業(yè)的經(jīng)營物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，構建了一個統(tǒng)一的生產(chǎn)管理平臺，并制定了網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計方案，對油田的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行了全面的指導。

4.5 明確油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展趨勢

無線、微型、超低功耗、嵌入式和智能化是傳感器發(fā)展的方向。目前已有的傳感器體積大、功耗大、功能單一、安裝配置復雜等缺點已不能滿足油田的需求，采用無線連接、超低功耗的智能儀器是未來的發(fā)展趨勢。當前射頻識別技術主要集中在低頻、高頻等方面，而超高頻技術由于其體積小、成本低等優(yōu)點，將是RFID 技術發(fā)展的主要方向。將MEMS 與傳感器技術的進一步整合，MEMS是一種微型設備或系統(tǒng)，它包括微型機械、微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路、接口、通信和電源。隨著無線傳感器、終端設備的不斷增加，對各種數(shù)據(jù)類型的支持，異構網(wǎng)絡的集成，使得無線網(wǎng)絡的協(xié)議變得更加復雜，同時也更加困難。

5 結束語

為了加快油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系的建設和優(yōu)化，必須做好油氣田管理頂層設計工作，進一步完善油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)各項功能，必須高度重視油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構建。通過加強管理力度獲得最大化生產(chǎn)效益，積極開展油氣田智能化升級工作，結合油氣田生產(chǎn)基本要求以及相關目標，建立智能化生產(chǎn)模型系統(tǒng)，確保生產(chǎn)期間的各項資源得到最優(yōu)化配置。