摘要：在總結(jié)傳統(tǒng)數(shù)字油田建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，吉林油田結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，自主研發(fā)了井、間、站低成本物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，形成了“簡(jiǎn)單、實(shí)用、低成本”的特色物聯(lián)網(wǎng)成套技術(shù)，打造了“自主研發(fā)、自主設(shè)計(jì)、自主建設(shè)、自主運(yùn)維”的數(shù)字油田建設(shè)新模式。該技術(shù)突破傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系架構(gòu)，采用新型特色低成本物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)傳輸方式、井場(chǎng)視頻監(jiān)控方式、井況診斷方式、產(chǎn)品安裝維護(hù)方式、供電方式、平臺(tái)部署、經(jīng)濟(jì)性等方面做出較大改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字油田；低成本；自主研發(fā)；創(chuàng)新

一、吉林油田低成本油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架

吉林油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)充分吸收借鑒集散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，采取分布式架構(gòu)，分散采集，集中存儲(chǔ)、計(jì)算、監(jiān)控。以云平臺(tái)為系統(tǒng)核心，全油田一個(gè)平臺(tái)，以運(yùn)營(yíng)商4G網(wǎng)絡(luò)、VPDN接入網(wǎng)、油田生產(chǎn)網(wǎng)構(gòu)成傳輸系統(tǒng)，單井設(shè)備、計(jì)量間RTU通過(guò)運(yùn)營(yíng)商無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)，站場(chǎng)通過(guò)油田生產(chǎn)網(wǎng)接入系統(tǒng)，監(jiān)控客戶端通過(guò)油田生產(chǎn)網(wǎng)接入，如圖１。

軟件上構(gòu)建一體化管控系統(tǒng)，全油田數(shù)據(jù)集成于一套系統(tǒng)中，構(gòu)建數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用開(kāi)發(fā)層、展示交互層三層架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源、算法資源、應(yīng)用功能資源全油田共享。

二、油井解決方案

前端井場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備包括三款設(shè)備：抽油機(jī)停井報(bào)警儀、測(cè)控儀、井場(chǎng)電子眼。抽油機(jī)井安裝抽油機(jī)停井報(bào)警儀、測(cè)控儀，螺桿泵井和電潛泵井安裝測(cè)控儀，每個(gè)井場(chǎng)安裝井場(chǎng)電子眼。

（一）抽油機(jī)停井報(bào)警儀

抽油機(jī)停井報(bào)警儀是吉林油田獨(dú)有的一款物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，由電源模塊、加速度檢測(cè)模塊、4G傳輸模塊構(gòu)成。該設(shè)備安裝于抽油機(jī)游梁上，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)游梁運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判斷抽油機(jī)是否停井，當(dāng)游梁停止運(yùn)動(dòng)，該設(shè)備會(huì)向物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)出停井信號(hào)，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過(guò)短信、微信、網(wǎng)絡(luò)等方式向用戶發(fā)出停井報(bào)警提示，其主要作用在于及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常停井。通過(guò)該設(shè)備可以精確計(jì)量抽油機(jī)井生產(chǎn)時(shí)間，為采油時(shí)率管理提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)依據(jù)[1]。

（二）測(cè)控儀

測(cè)控儀是吉林油田在吸收借鑒現(xiàn)有電參數(shù)采集設(shè)備、電力計(jì)量設(shè)備、時(shí)控開(kāi)關(guān)設(shè)備、電源設(shè)備、RTU、DTU設(shè)備的功能基礎(chǔ)上，結(jié)合采油生產(chǎn)實(shí)際研制的一款集電源、采集、控制、計(jì)量、傳輸功能于一體的產(chǎn)品。通過(guò)該產(chǎn)品可以定時(shí)或?qū)崟r(shí)采集電機(jī)電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電量等多項(xiàng)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控啟停井、自動(dòng)間抽運(yùn)行、平衡度測(cè)試等功能，如表１。

（三）井場(chǎng)電子眼

井場(chǎng)電子眼是一款串口攝像頭，采用中國(guó)移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，可以定時(shí)或?qū)崟r(shí)抓拍多種分辨率的井場(chǎng)照片，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)電子巡井功能。井場(chǎng)電子眼具有連拍功能，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可擬合成動(dòng)畫(huà)，便于用戶查看井場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化。井場(chǎng)電子眼由測(cè)控儀提供12V電源，安裝時(shí)用戶只需將電子眼電源插頭插好即可。井場(chǎng)電子眼安裝調(diào)試無(wú)須復(fù)雜軟件配置，用戶只需將設(shè)備序列號(hào)和井號(hào)錄入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)即可。

（四）設(shè)備間關(guān)系

抽油機(jī)停井報(bào)警儀、測(cè)控儀、井場(chǎng)電子眼三款產(chǎn)品各自獨(dú)立運(yùn)行，在功能上互相驗(yàn)證和支撐。抽油機(jī)停井報(bào)警儀報(bào)警時(shí)，用戶可利用井場(chǎng)電子眼和測(cè)控儀檢驗(yàn)停井報(bào)警信息是否準(zhǔn)確；用戶遠(yuǎn)程啟停井時(shí)，抽油機(jī)停井報(bào)警儀可反饋啟停井是否成功信息；測(cè)控儀采集數(shù)據(jù)提示井況異常時(shí)，用戶可利用井場(chǎng)電子眼查看現(xiàn)場(chǎng)情況。

三、計(jì)量間解決方案

計(jì)量間安裝吉林油田研制的低成本計(jì)量間采集控制柜，采集溫度、壓力、流量、翻斗計(jì)數(shù)、可燃?xì)怏w報(bào)警等信號(hào)。溫度測(cè)量采用較一體化溫度變送器更為經(jīng)濟(jì)的熱電阻（三線制），降低計(jì)量間建設(shè)費(fèi)用；壓力測(cè)量采用壓力變送器，信號(hào)制式為兩線制4-20mA信號(hào)，流量信號(hào)采集采用RS485通信方式。計(jì)量間信號(hào)傳輸采用DTU通過(guò)VPDN專網(wǎng)接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。

四、油氣站場(chǎng)解決方案

油氣站場(chǎng)站控系統(tǒng)采取分布式架構(gòu)，采用吉林油田研制的多功能采集控制柜、注水機(jī)組自?？刂乒?、水源井控制柜等采集控制站內(nèi)各類參數(shù)。站控系統(tǒng)通過(guò)油田生產(chǎn)網(wǎng)接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。由于吉林油田油氣站場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是對(duì)已有站場(chǎng)上進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)改造，因此改變了傳統(tǒng)的集中設(shè)置控制柜集中布線的方式，采取分散設(shè)置控制柜，儀表就近接入控制柜，解決了施工造成站內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施破壞的問(wèn)題，同時(shí)也解決了老舊站場(chǎng)井場(chǎng)挖漏維修造成線纜易被挖斷的難題。

在站場(chǎng)自動(dòng)化上，充分利用已有設(shè)施功能，結(jié)合變頻器型號(hào)雜、品牌多、新舊不一的實(shí)際，改變了控制方式，取消了應(yīng)用RS485通信方式采集控制變頻器，改為利用變頻器AI、AO端子的方式實(shí)現(xiàn)變頻器的遠(yuǎn)程采集控制。

在工控安全上，站場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)出口唯一，通過(guò)設(shè)置ACL、配置白名單、IP與MAC地址綁定等措施實(shí)現(xiàn)工控網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)控制安全。

五、吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

對(duì)比傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有如下特點(diǎn)。

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同

吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用分布式結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用鏈?zhǔn)郊軜?gòu)，相比傳統(tǒng)技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化、優(yōu)化，系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性問(wèn)題得到系統(tǒng)性解決。采用傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)POE電源、無(wú)線網(wǎng)橋、交換機(jī)電源、交換機(jī)、RTU電源、RTU等任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，用戶都不能獲取物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)采用分布式結(jié)構(gòu)，設(shè)備間獨(dú)立運(yùn)行，獨(dú)立傳輸，功能上相互驗(yàn)證，當(dāng)一個(gè)設(shè)備失效時(shí)，可以通過(guò)另外兩個(gè)設(shè)備獲取相應(yīng)信息。例如：抽油機(jī)停井報(bào)警儀失效，可以通過(guò)井場(chǎng)電子眼、測(cè)控儀確認(rèn)是否停井；測(cè)控儀失效，可以通過(guò)井場(chǎng)電子眼和抽油機(jī)停井報(bào)警儀確認(rèn)油井工作狀態(tài)。

按照系統(tǒng)方法論的觀點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)構(gòu)成的每一個(gè)部件的可靠度為90%時(shí)，由14個(gè)部件構(gòu)成的系統(tǒng)的可靠度僅為43%，對(duì)比傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品配置更加簡(jiǎn)單，取消了傳統(tǒng)技術(shù)中使用的示功儀、RTU、無(wú)線網(wǎng)橋、開(kāi)關(guān)電源、空氣開(kāi)關(guān)、交換機(jī)等設(shè)備，井場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量由14件減少到3件，消除了故障多發(fā)環(huán)節(jié)，提高了設(shè)備的上線率。

油氣場(chǎng)站部分改變以往控制柜集中部署的方式，按照站內(nèi)采集點(diǎn)分布就近部署控制柜，符合吉林油田油氣站場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是在現(xiàn)有裝置基礎(chǔ)上改造的實(shí)際，減少了對(duì)站內(nèi)現(xiàn)有地面的破壞，減少了土建工作量，也方便了維修維護(hù)，解決了以往存在的線纜經(jīng)常被挖斷的瓶頸問(wèn)題[2]。

（二）網(wǎng)絡(luò)傳輸方式不同

吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)貼片卡，通過(guò)VPDN方式實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入油田生產(chǎn)網(wǎng)，取消了井場(chǎng)的無(wú)線網(wǎng)橋，節(jié)省了井場(chǎng)立桿等建設(shè)費(fèi)用，大大降低了維護(hù)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在網(wǎng)絡(luò)安全上，VPDN是利用IP網(wǎng)絡(luò)的承載功能結(jié)合相應(yīng)的認(rèn)證和授權(quán)機(jī)制建立起來(lái)的安全的虛擬專用網(wǎng)。在具體實(shí)現(xiàn)上采用隧道技術(shù)，即物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)封裝在隧道中進(jìn)行傳輸。隧道技術(shù)的基本過(guò)程是在油田生產(chǎn)網(wǎng)與中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的接口處，將數(shù)據(jù)作為負(fù)載封裝在一種可以在公網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式中，在油田生產(chǎn)網(wǎng)與公網(wǎng)的接口處將數(shù)據(jù)解封裝，取出負(fù)載。被封裝的數(shù)據(jù)包在公網(wǎng)上傳遞時(shí)所經(jīng)過(guò)的邏輯路徑被稱為“隧道”。VPDN采用專用的網(wǎng)絡(luò)安全和通信協(xié)議，VPDN用戶可以經(jīng)過(guò)公網(wǎng)，通過(guò)虛擬的安全通道和油田生產(chǎn)網(wǎng)進(jìn)行連接，而公網(wǎng)上的用戶則無(wú)法穿過(guò)虛擬通道訪問(wèn)油田生產(chǎn)網(wǎng)[3]。

（三）井場(chǎng)視頻監(jiān)控方式不同

吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)不采用連續(xù)流方式視頻監(jiān)控，改為拍照方式實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)監(jiān)控，大大降低了傳輸流量。相比連續(xù)流監(jiān)控，功能更加實(shí)用，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)管理功能可以保證每一張照片都被檢視，而連續(xù)流視頻則無(wú)法保證視頻一直被審核。通過(guò)此種方式也大大降低了各類存儲(chǔ)和服務(wù)器等建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)維費(fèi)用和管理人員投入等費(fèi)用。

（四）井況判斷方式不同

吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)不使用示功圖分析判斷井況，而是利用吉林油田獨(dú)有的電參數(shù)自動(dòng)解釋技術(shù)通過(guò)電功圖實(shí)現(xiàn)井況的自動(dòng)變化報(bào)警和部分典型異常井況的自動(dòng)識(shí)別。示功儀的取消，降低了單井物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用，降低了安裝維護(hù)難度和安全風(fēng)險(xiǎn)。

（五）產(chǎn)品安裝維護(hù)便利化

吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，無(wú)須復(fù)雜軟件配置，大大降低了對(duì)安裝、維護(hù)人員的技術(shù)要求，采油工人經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可安裝、維護(hù)；單井設(shè)備僅需綁定序列號(hào)，無(wú)須配置，即插即用；計(jì)量間控制柜標(biāo)準(zhǔn)化接線，量程變換等移至組態(tài)軟件端完成，安裝維護(hù)人員只需按照色標(biāo)接線即可，無(wú)須配置。而傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要求安裝維護(hù)人員具備相當(dāng)?shù)膶I(yè)技術(shù)，掌握PLC組態(tài)、RTU配置、攝像機(jī)配置、無(wú)線網(wǎng)橋配置等技術(shù)才能勝任，維修維護(hù)技術(shù)門(mén)檻高，由此也造成故障不能得到及時(shí)有效的處理[4]。

（六）電源方式不同

吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)在設(shè)計(jì)上盡量減少電源數(shù)量，抽油機(jī)停井報(bào)警儀采用電池供電，井場(chǎng)電子眼由測(cè)控儀供電，取消了所有開(kāi)關(guān)電源設(shè)備，從根本上解決了電源部分故障多的問(wèn)題。在計(jì)量間控制柜設(shè)計(jì)上充分考慮采油廠供電的實(shí)際，加強(qiáng)可靠性、抗沖擊性能、電路保護(hù)性能的設(shè)計(jì)，投用以來(lái)從未發(fā)生過(guò)供電原因造成的設(shè)備損壞。

（七）統(tǒng)一的平臺(tái)部署

吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)在平臺(tái)部署上采取集中統(tǒng)一部署于云平臺(tái)的方式，取消了以往分散部署于采油廠的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)統(tǒng)一運(yùn)維。解決了以往服務(wù)器分散部署于采油廠時(shí)存在的機(jī)房環(huán)境差、安全防護(hù)部署不到位、運(yùn)行維護(hù)不方便的問(wèn)題。同時(shí)服務(wù)器的統(tǒng)一云化部署，大大方便了大數(shù)據(jù)挖掘、智能化算法的快速部署與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了從OLTP向OLAP的轉(zhuǎn)變，建成了國(guó)內(nèi)目前最完整的高頻油井電參數(shù)據(jù)資源庫(kù)[5]。

（八）經(jīng)濟(jì)實(shí)用

吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)單井物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備費(fèi)僅為6000元左右，僅為傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備費(fèi)的1/5，各型控制柜價(jià)格僅為傳統(tǒng)設(shè)備的1/2。

六、結(jié)語(yǔ)

吉林油田低成本物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，利用抽油機(jī)停井報(bào)警儀解決異常停井發(fā)現(xiàn)難的問(wèn)題，利用測(cè)控儀解決井況異常發(fā)現(xiàn)不及時(shí)的問(wèn)題，利用井場(chǎng)電子眼解決人工巡檢不到位、不及時(shí)的問(wèn)題，借助于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，又衍生出很多實(shí)用性功能，用簡(jiǎn)單的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了不簡(jiǎn)單的功能。就系統(tǒng)自身而言，經(jīng)過(guò)對(duì)傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的改進(jìn)、簡(jiǎn)化、優(yōu)化，從根本上解決了系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性的問(wèn)題，為保持高上線率奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，解決了物聯(lián)網(wǎng)用不住的瓶頸問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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