崔強(qiáng),賈志鵬,胡俊濤
(1.中國石油長慶油田分公司第一采油廠,陜西 延安 716000; 2.中國石油長慶油田分公司隴東頁巖油開發(fā)項目部,甘肅 慶陽 745100)
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要是指在約定的信息技術(shù)協(xié)議條件下,通過對信息技術(shù)與通訊技術(shù)融合應(yīng)用,搭建現(xiàn)實世界與虛擬世界之間的數(shù)據(jù)通道,進(jìn)而達(dá)到對應(yīng)用對象的數(shù)據(jù)化管理。作為一種新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù),兼具了實時跟蹤與動態(tài)監(jiān)管功能。從目前的應(yīng)用經(jīng)驗看,在數(shù)字油田建設(shè)中通過對該技術(shù)的運(yùn)用,可以較好地實現(xiàn)對油田產(chǎn)品生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)鏈條諸環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、抽取、分析、利用等。
油田項目中主要包括了勘探階段、評價階段、開發(fā)階段、生產(chǎn)面,各階段的主要圍繞“地球物理—綜合地質(zhì)—油藏工程—鉆井工程—采油工程—經(jīng)濟(jì)評價”等內(nèi)容全面展開。進(jìn)入到數(shù)字油田時代后,可以借助數(shù)字化技術(shù),在地理物理方面開展地震解釋、地震體透視、地表信息分析、地層對比、屬性處理。同時,可以通過構(gòu)建三維數(shù)據(jù)模型的辦法,對綜合地質(zhì)進(jìn)行復(fù)雜斷層模型時深轉(zhuǎn)換與模態(tài)計算,從而完成對巖石物理模型斷層不確定性分析。另外,結(jié)合EGLIPSE Simulation等數(shù)模前/后處理,可以進(jìn)一步通過粗化、鉆井軌跡設(shè)計、歷史擬合等,確保油藏、鉆井、采油工程順利開展等。從目前的實踐現(xiàn)狀來看,數(shù)字油田已經(jīng)由初級的信息化管理完成了向數(shù)據(jù)化管理的轉(zhuǎn)型,在數(shù)字油田高質(zhì)量建設(shè)目標(biāo)下,正在結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向著全面、智能的數(shù)字油田方向升級。
與傳統(tǒng)油田相比,數(shù)字油田在油田開采作業(yè)與管理過程中,突出了數(shù)字化思維與數(shù)字化技術(shù)特征。根據(jù)現(xiàn)階段數(shù)字油田的建設(shè)經(jīng)驗看,實踐路徑仍然集中在各類物聯(lián)設(shè)備與數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)處理上,包括了數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、分析、生成報告、報告利用等。從作用上看,應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后,可以較好地提升油田企業(yè)競爭能力,推動數(shù)字油田轉(zhuǎn)型升級,降低企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營成本。
在能源危機(jī)的大背景下,油田企業(yè)在參與全球同行業(yè)競爭過程中,競爭內(nèi)容發(fā)生了變化,已經(jīng)從原來的規(guī)模化競爭轉(zhuǎn)移到了供應(yīng)鏈競爭與行業(yè)質(zhì)量體系管理標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)的競爭層面。而這種更為宏觀、具有決定行業(yè)發(fā)展動向的競爭,需要油田企業(yè)從整體上的提高標(biāo)準(zhǔn)化管理水平。從目前的實踐經(jīng)驗看,在數(shù)字油田時代,借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅能夠通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)利用,從整體上提升油田企業(yè)的管理水平,也能夠結(jié)合實際的數(shù)字化管理生成的數(shù)據(jù),進(jìn)一步為企業(yè)的油田產(chǎn)品生產(chǎn)制造提供有效依據(jù)。所以,總體上有利于提升油田企競爭能力,適應(yīng)現(xiàn)代能源行業(yè)的激烈競爭。
從2012年全球?qū)嵤┕I(yè)4.0改革開始,我國油田企業(yè)在政府的頂層設(shè)計方案牽引下,實施了油田工業(yè)化改革,推動數(shù)字油田建設(shè)。而且,從2018開始,全面實施了“互聯(lián)網(wǎng)+”改革,深化了油田數(shù)字化改革。通過近年來的轉(zhuǎn)型升級經(jīng)驗看,應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),既可以使油田企業(yè)建立物聯(lián)網(wǎng)體系,也能夠在行業(yè)內(nèi),使油田生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)鏈條中的上游企業(yè)、中游企業(yè)、下游企業(yè)實現(xiàn)全面的信息交互與數(shù)據(jù)共享,進(jìn)而提升整體油田行業(yè)的快速轉(zhuǎn)型,更為科學(xué)合理的調(diào)整能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),所以應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有利于推動數(shù)字油田轉(zhuǎn)型升級。
目前的油田開采難度相對增加,油田企業(yè)在油田項目基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、油田開采、油田產(chǎn)品煉制、訂單處理、市場營銷、售后服務(wù)等各個環(huán)節(jié),均需要投入較大的成本,而且隨著全球社會主義市場經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展,擴(kuò)大了的金融市場更加容易通過市場波動對其造成系統(tǒng)性風(fēng)險與財務(wù)管理方面的資本結(jié)構(gòu)配置風(fēng)險。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后,可以較好的推動油田企業(yè)經(jīng)營業(yè)務(wù)、財務(wù)管理一體化,進(jìn)而結(jié)合實際的業(yè)務(wù)調(diào)整財務(wù)管理活動,并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)大財務(wù)管理范圍,提高企業(yè)生產(chǎn)管理效率的同時,降低生產(chǎn)經(jīng)營成本。
數(shù)字油田中對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用涉及到各個層面,包括井場數(shù)據(jù)傳輸、抽油機(jī)控制等。為了論述的清晰性與集中討論,下面以數(shù)字油田井場數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用為例,分別從系統(tǒng)架構(gòu)、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計及實現(xiàn)方面展開具體討論。
某數(shù)字油田井場數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用為例,采油井場數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)功能要求包括:
(1)對抽油機(jī)、井口、日常作業(yè)、運(yùn)維作業(yè)等進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)視;
(2)對入侵井場的動物、人、機(jī)動車輛等進(jìn)行自動檢測與闖入智能分析并進(jìn)行預(yù)警;
(3)對于抽油機(jī)中的各項參數(shù)進(jìn)行實時記錄與顯示;
(4)針對油井工況與故障開展智能監(jiān)測與診斷;
(5)通過遠(yuǎn)程啟??刂齐姍C(jī)的方式達(dá)到井場無人職守管理目標(biāo);
(6)針對油井產(chǎn)液量開展自動計算并生成相應(yīng)的報表,實時上傳并分發(fā)到各采油隊。
注水系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸功能要求包括:
(1)對注水參數(shù)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、顯示,上位機(jī)顯示界面中應(yīng)包括累計流量與瞬時流量,分水器壓與支線管壓等。一旦發(fā)生系統(tǒng)故障或硬件問題時應(yīng)該能夠及時診斷相關(guān)原因并進(jìn)行預(yù)警;
(2)數(shù)據(jù)傳輸過程要求保障實時性、高效化、安全可靠;
(3) 注水工藝參數(shù)的設(shè)定與修改應(yīng)該能夠根據(jù)實際注水需求進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測與智能控制;
(4)流水過程需滿足報表生成與打印功能,并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)快速完成對所需數(shù)據(jù)的查詢等。
通過對系統(tǒng)功能需求的確認(rèn),進(jìn)一步預(yù)設(shè)了系統(tǒng)設(shè)計原則,除滿足上述一系列功能外,主要根據(jù)適用性、開放性、安全性、易操作性牽引系統(tǒng)設(shè)計工作。在適用性方面,要求其滿足多數(shù)數(shù)字油田現(xiàn)用信息管理系統(tǒng)。在開放性方面,要求在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方面實現(xiàn)通用目標(biāo),為后續(xù)的系統(tǒng)升級提供必要的網(wǎng)絡(luò)通信支持。在安全性方面,要求系統(tǒng)運(yùn)行過程中,以公網(wǎng)為條件,并在硬件與軟件設(shè)計時做好加密控制,尤其在用戶管理、權(quán)限分配、安全認(rèn)證等方面,在設(shè)計時應(yīng)進(jìn)行充分考慮并制定相應(yīng)的風(fēng)險管理機(jī)制。
首先,嚴(yán)格遵循適用性、安全性、系統(tǒng)開放性、操作便利性的基本原則。在進(jìn)場數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面,明確整個系統(tǒng)的總體架構(gòu)與功能預(yù)設(shè),然后開展硬件與軟件設(shè)計,保障設(shè)計方案實現(xiàn)的情況下對其有效運(yùn)用。
本研究中的系統(tǒng)架構(gòu)主要分為三部分:
(1)感知與控制層:以井場實時數(shù)據(jù)采集為主,主要采用模塊設(shè)計思想,分別設(shè)置注水井壓力監(jiān)控、注水間流量與壓力監(jiān)控、井口壓力表現(xiàn)、油井視頻監(jiān)控、功圖模塊,以及電壓電流采集模塊[1]。由于感知系統(tǒng)處于整個井場系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的前端,系統(tǒng)運(yùn)行強(qiáng)度大,而且需要對不同的數(shù)據(jù)做出精準(zhǔn)識別。
所以,為了保障井場數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)設(shè)計效果,根據(jù)專項管理路徑,于流水現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中分設(shè)了流水井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)與配水間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在該系統(tǒng)中的信號轉(zhuǎn)換模塊、壓力表、RTU等配置要求相對較高,其中信號轉(zhuǎn)換模塊能夠?qū)⒉杉降膲毫Ρ硇盘栟D(zhuǎn)換為無線信號,并通過對標(biāo)準(zhǔn)485信號的進(jìn)一步轉(zhuǎn)換,使壓力表信號傳輸?shù)絉TU模塊,最終通過在RTU模塊的封裝方式,保障流水現(xiàn)場數(shù)據(jù)在經(jīng)過過濾后進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)平臺系統(tǒng)。
(2)傳輸層:在搭設(shè)網(wǎng)橋的基礎(chǔ)上,利用無線接入網(wǎng)與路由器配置,建立IP網(wǎng)絡(luò),實施數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)建設(shè)。傳輸層在該系統(tǒng)中處于核心地位,可以發(fā)揮承上啟下的重要作用。具體而言,該油田井場地形環(huán)境相對復(fù)雜,在分布范圍較大的情況下具有一定的分散性。
由于此類條件限定,本研究中對數(shù)傳電臺、短波通信、無線網(wǎng)橋等不同的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了比較,最后選取了性價比相對較高的無線網(wǎng)橋通訊方式。將它設(shè)置在OSI參考模型第二層后,能夠多項功能需求并保障數(shù)據(jù)速率標(biāo)準(zhǔn),滿足長距離、惡劣環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸需求。無線網(wǎng)橋點對點通訊方式下,將監(jiān)控中心與基站中心網(wǎng)橋相連接,通過全向天線就可以確?;局行木W(wǎng)橋,與注水間、采油井場、注水井場的遠(yuǎn)端網(wǎng)橋相連的定向天線相連接,并實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。
(3)在應(yīng)用層主要通過生產(chǎn)監(jiān)控中心開展數(shù)據(jù)管理,由于監(jiān)控中心是數(shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)井場數(shù)據(jù)管理中的平臺,其中包括多項數(shù)據(jù)處理功能。因此,根據(jù)應(yīng)用需求本研究中設(shè)置了供電、打印、站控管理、視頻管理、網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng),當(dāng)網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)上傳了各工作場景中的數(shù)據(jù)時,監(jiān)控中心就可以快速的通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)展開數(shù)據(jù)分析,并將分析結(jié)果以報表的形式傳輸?shù)酱蛴∠到y(tǒng)。井場數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
圖1 井場數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)示意
其次,該系統(tǒng)選擇點對多點的無線網(wǎng)橋傳輸方式后,遠(yuǎn)端網(wǎng)橋作為數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備需要設(shè)置到每個油井場,并與中心網(wǎng)橋進(jìn)行關(guān)聯(lián)。明確了“點對多點連接”“多對一處理”的基本模式后,設(shè)置了明確的數(shù)據(jù)傳輸框圖,具體的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)如下:數(shù)據(jù)采集—遠(yuǎn)端網(wǎng)橋—壓縮—加密—無線網(wǎng)絡(luò)—無線網(wǎng)絡(luò)—中心網(wǎng)橋—壓縮—加密—監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫[2]。在數(shù)據(jù)傳輸原理方面,主要是在現(xiàn)場端發(fā)送系統(tǒng)完成井場數(shù)據(jù)的收發(fā)、預(yù)處理、壓縮、加密后,通過無線網(wǎng)絡(luò)將其傳送到監(jiān)控中心接收系統(tǒng),在該系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)收發(fā)、解密、解壓、數(shù)據(jù)還原后,進(jìn)行監(jiān)控中心數(shù)據(jù)分析。確定系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸框架與原理后,進(jìn)行硬件與軟件設(shè)計。
從系統(tǒng)預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、監(jiān)測、分析、應(yīng)用等功能出發(fā),按照注水井場與注水間、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心、采油井場五個板塊進(jìn)行硬件配置。
第一,在井場與注水間現(xiàn)場配置中主要以井場數(shù)據(jù)檢測儀表為主。其中,采油井硬件配套設(shè)施包括:
(1)無線示功能模塊(GT2701型一體化太陽能無線示功圖模塊),可以動態(tài)化的對油井現(xiàn)場開展示功圖方面的測量處理;
(2)攝相機(jī),旨在對監(jiān)控點進(jìn)行精準(zhǔn)定位與全面的場景監(jiān)測;
(3)智能視頻服務(wù)器,用于滿足音頻、報警、485總線控制等功能;
(4)壓力變送器(AE320),能夠較好的發(fā)揮其功能優(yōu)勢,達(dá)到對信號的處理與轉(zhuǎn)化;
(5)電參采集模塊(GT8370單相參數(shù)采集與控制模塊),可以用于油井抽油機(jī)啟停、工作中各類信息的采集,包括電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)、語音預(yù)警等。
一般也從其功能出發(fā),將其稱為抽油機(jī)的“集成看門狗”。注水系統(tǒng)配套硬件設(shè)施包括:
(1)穩(wěn)流控制儀(HL-25型),通過流量計與FIQ,可以使通過閥門后的注水,將葉輪中的電磁信號傳輸?shù)娇刂破?,再通過調(diào)節(jié)指令進(jìn)入執(zhí)行裝置,最終通過閥組中設(shè)定的數(shù)據(jù)實現(xiàn)對注水的穩(wěn)流控制;
(2)信號轉(zhuǎn)換模塊中設(shè)置了多回路協(xié)議轉(zhuǎn)換器(HL-521HED)、無 線 協(xié) 議 轉(zhuǎn) 換 設(shè) 備(AE627與AE628),用于完成各類數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與傳輸;
(3)壓力變送器。
第二,設(shè)置了RTU(遠(yuǎn)程控制終端),整個結(jié)構(gòu)圍繞中心控制器,將信號接口、通信模塊、輸出控制模塊、電源模塊進(jìn)行了全面關(guān)聯(lián)。具體應(yīng)用時,在注水間主要是將壓力表與穩(wěn)流控制儀—多回路協(xié)議轉(zhuǎn)換器—串口設(shè)備—交換機(jī)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。在井場主要是將它與壓力表—AE627/AE628—串口聯(lián)網(wǎng)設(shè)備—交換機(jī)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。在采油井場主要是將它與無線示功圖模塊、電參采集模塊、壓力變送器、視頻服務(wù)器(音柱與攝像機(jī))、串口設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)。如此,可以使采集到的注水間信息、注水井場信息、采油井場信息通過交換機(jī)關(guān)聯(lián)到通信網(wǎng)絡(luò)層的遠(yuǎn)端網(wǎng)橋室內(nèi)單元,進(jìn)而通過遠(yuǎn)端網(wǎng)橋室外單元發(fā)送到中心網(wǎng)橋,最后送達(dá)監(jiān)控中心[3]。
第三,本研究中創(chuàng)建的傳輸網(wǎng)絡(luò)中使用了無線網(wǎng)橋(Breeze ACCESS VL),可以通過輸入信號—調(diào)制—IFFT轉(zhuǎn)換—A/D—FFT轉(zhuǎn)換—解調(diào)—輸出信號的基本原理滿足占對點型、占對多點型的數(shù)據(jù)傳輸要求。其中的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括可以概括為井場數(shù)據(jù)采集端、數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)控中心數(shù)據(jù)采集點三大基本環(huán)節(jié)。其中,數(shù)據(jù)傳輸中又包括了數(shù)據(jù)壓縮、加密,與數(shù)據(jù)解密、解壓。
第四,監(jiān)控中心配套的硬件包括了網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(Huawei S5700-SI)、監(jiān)視器(2G內(nèi)存、500G硬盤)、工業(yè)控制計算機(jī)(西門子工控機(jī))、光纖收發(fā)器、UPS不間斷電源(SMART-UPS 2200UX)、電視墻(55寸液晶電視屏組成)、打印機(jī)(HP LASERJET 1020 PLUS)等。監(jiān)控中心的功能包括了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理—數(shù)據(jù)分析—生成數(shù)據(jù)報告—數(shù)據(jù)報告分發(fā)—信息預(yù)警—數(shù)據(jù)報表打印等。
首先,在該系統(tǒng)的軟件設(shè)計及實現(xiàn)方面,主要按照系統(tǒng)架構(gòu)的三個層次,配套設(shè)計井場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理等功能。具體應(yīng)用方面,選擇了開發(fā)功能較好的Windows Server 2016系統(tǒng)平臺,配套應(yīng)用了Force Control v6.1力控制組態(tài)軟件。其中,力控組態(tài)軟件中預(yù)設(shè)了井組導(dǎo)航、電子巡井、功圖對比、生產(chǎn)曲線、運(yùn)行報表、單元報警、注水配置模塊,而視頻管理軟件中則設(shè)置了視頻顯示、視頻存儲、視頻設(shè)置、權(quán)限管理模塊。系統(tǒng)軟件三層結(jié)構(gòu)如下:(1)井場數(shù)據(jù)采集層;(2)數(shù)據(jù)傳輸層;(3)井場驅(qū)動、電子巡井、力控實時數(shù)據(jù)庫。
其次,在軟件設(shè)計中數(shù)據(jù)輸入方面選擇了操作簡單、效果較好的SQL Server 2016數(shù)據(jù)庫技術(shù),保障了測試數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫之間的全面關(guān)聯(lián),也為數(shù)據(jù)后臺處理與分析、視頻管理軟件及數(shù)據(jù)分析提供了便利條件[4]。具體系統(tǒng)軟件組成如圖2所示。
圖2 基于SQL Server 2016數(shù)據(jù)庫技術(shù)的系統(tǒng)軟件組成示意
第三,在數(shù)據(jù)采集程序模塊設(shè)計(主要流程:開始—系統(tǒng)參數(shù)初始化—檢測傳感器數(shù)值—A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換—轉(zhuǎn)換完成—發(fā)送數(shù)據(jù)—發(fā)送成功—返回)、數(shù)據(jù)分析處理程序模塊設(shè)計(主要流程:開始—記錄數(shù)據(jù)地址初始化—數(shù)據(jù)檢測—數(shù)據(jù)處理和分析—是否檢測異?!獔缶崾尽訒r等待執(zhí)行—預(yù)處理—結(jié)束)完成后,開始進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試與試運(yùn)行。具體操作中按照調(diào)試目標(biāo)、調(diào)試要求、調(diào)試步驟、網(wǎng)橋調(diào)試、RTU調(diào)試展開,確認(rèn)調(diào)試無誤對站控管理軟件進(jìn)行試運(yùn)行。
總之,在我國行業(yè)諸領(lǐng)域進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段后,對于油、氣等能源的需求相對擴(kuò)大。為了有效滿足這種需求、適應(yīng)全球同行業(yè)競爭、加快油田行業(yè)轉(zhuǎn)型升級、擴(kuò)增油田企業(yè)可營利空間,十分需要從各個層面加強(qiáng)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)用。通過以上初步分析可以看出,數(shù)字油田內(nèi)涵豐富、智能化程度越來越高,為了有效發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的功能及作用,一方面應(yīng)該加強(qiáng)對數(shù)字油田高質(zhì)量建設(shè)時期的需求進(jìn)行充分研究,另一方面則應(yīng)該結(jié)合具體的應(yīng)用對象,按照基本的系統(tǒng)控制思想,搭建適用性強(qiáng)、功能齊全的數(shù)字油田物聯(lián)網(wǎng)體系。