气田生产物联网系统构建与应用

0 引 言

互联网技术与信息处理技术时刻改变着人类的生产、工作和生活模式,不断推进社会的发展。同样,信息化技术成果,尤其是物联网技术成果,也快速地延伸到全球油气田的生产与管理活动的每个层面,油气田物联网技术与应用随之快速发展起来。近年来,随着新型信息传感设备的出现和互联网的广泛使用,国内外各油气田均在加快研究推进油气生产物联网系统建设,并逐渐获得了丰厚的回报。

物联网技术可以改变采气井生产过程中的井下举升、井口节流调控、管道集输、集气站处理计量等环节的传统工艺或管理模式,降低员工劳动强度,提升采气生产效率,提高管理效能。为了满足采气生产管理需求,建立采气井生产自动工况检测、数据智能分析和无人值守电子巡查系统是非常必要的。目前,国内许多气田已在逐步分阶段分区域建立采气生产物联网系统,并投入使用获得了收益^{[1,2,3,4,5,6]}。通过调研分析发现,虽然有相关物联网^[7]或油气田物联网技术标准发布^[8],但目前国内各油气田建立的油气生产物联网系统在开发环境、数据库标准、系统组态、软件运行平台和第三方应用接口等方面依然存在很大的差异,没有形成统一的理论或架构系统。因此,很有必要对气田生产物联网综合信息平台的架构与功能继续进行探讨和完善,统一标准与数据共享,最终建设一个统一、开放的油气生产管理信息平台,为建设国内信息化、数字化气田,再造采气生产管理流程提供参考。

1 气田生产物联网系统架构与功能

物联网(Internet of Things,简称IOT)是指通过信息传感采集设备,按约定协议,实现任何物体与网络相连,并通过信息传播媒介进行信息交换和通信,实现智能化识别、定位、跟踪、监管、信息共享等功能,构建对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化^[9]。

针对气田生产物联网系统,为借助物联网满足日常生产运行、生产管理、生产监控、设备管理等各方面需求:一要迅速了解采气生产状况、产量等变化情况;二要及时推送智能化故障报警并提升有效处置率,自动生成生产报表;三要在提高运行的可靠性和稳定性的同时,加强生产过程自动控制;四要实现物联网系统的自动更新检查;五要实现现场数字视频监控系统,实现远程电子巡井^{[10,11,12,13]}。

物联网技术参考架构分为三层:感知层、网络层和应用层^[7]。感知层由各种传感器和与其相适应的数据采集系统或网关构成;网络层由各种私有网络、互联网、网络管理系统和数据收发系统、云计算平台等组成;应用层是物联网和用户的接口,完成物联网数据与行业需求目标的结合,实现物联网的智能应用。

对应感知层、网络层和应用层,气田生产物联网由生产运行监控与管理子系统、数据传输子系统、采集与控制子系统三部分构成,覆盖业务主要有单井生产工况监控、生产运行管理、智能统计分析或预警、集气站站控等(图1)。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1   气田生产物联网系统架构

   

生产运行监控与管理子系统主要实现后方对前方生产现场的实时监控、工况实时分析、智能预警及推送,并实现数据自动统计分析、生产调度与管理。远程监控指挥中心是生产运行监控与管理子系统功能集中应用体现的电子信息集成办公场所。

数据传输子系统主要是通过现场数据采集系统或数据网关接口,在域内有线或无线网络上实现对采集与控制子系统产生数据的采集、远程传输或交互,并对这些数据进行实时存储与共享管理,为第三方提供数据共享接口。

采集与控制子系统通过已定的通讯协议或数据接口,实现对传感器、响应器等设备产生的数据进行自动化采集、存储,包含单井工况、集气站工况、数字视频和危害气体状况等数据,主要包括五项功能:一是自动采集生产数据;二是提供数据交互接口,如多协议数据网关;三是自动监测生产环境;四是自动响应异常并控制生产过程关键设备;五是自动监控物联设备状态。

2 气田生产物联网系统设计

气田生产物联网系统设计建设要遵循“统一规划、统一标准、统一设计、统一投资、统一建设、统一管理”的原则,利用物联网技术,搭建规范、统一的数据管理平台,实现在指挥中心及生产控制中心对气田单井、集输、集气站、计量处理等生产数据、设备状态信息的集中管理和监控。

鉴于气田自然环境的特殊性,其生产物联网系统设计有别于其他油田生产物联网系统的设计。气田大都位于荒凉的山区或沙漠,有的在沼泽或戈壁,存在极寒或炎热或潮湿,且大部分井场没有商业电力供应,也没有运营商网络覆盖,路途遥远,因此在构建气田物联网系统时,要因地制宜,根据实际情况,选择相适应的成熟技术来实现,如智能数据网关技术、嵌入式监控技术、服务器虚拟技术、桌面云管理技术、无人机巡航技术等。气田生产物联网系统总体构架设计如图2所示。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2   气田生产物联网系统总体构架设计

   

物联网系统的最终目的是数据应用,因此在系统搭建之前,尤其是软件系统开发之前,必须对数据流进行设计,建立实时数据库和关系数据库字典。气田生产物联网数据流设计如图3所示。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3   气田生产物联网数据流设计

   

2.1 采集与控制子系统

采集与控制子系统由采气井数据采集与控制子系统和集气站站控子系统组成。井口及集气站控制系统通常采用PLC可编程控制器或RTU远程控制终端或小型DCS控制系统。无论是传感层还是采集层或控制层,首先要确保系统稳定、数据精确,为此在技术选型与施工工艺设计上都要选择成熟且适用的。

采集子系统传感器尽量选择精度高、智能可监控的,尤其是稳定可靠的无线智能传感器,便于实现对传感采集设备的远程监控。RTU或智能数据网关要适应性强,在自然极寒或高温等极度恶劣环境下能稳定工作。生产数据包括采气井生产参数和集气站生产参数。采气井生产参数包含油压、套压、输气压、流量、流速、温度、截断阀开关状态以及井场实时数字视频等;集气站生产参数包含液位,进站流量、压力和温度,出站流量、压力和温度,可燃气体浓度,PLC自动控制参数,站内参数报警、数字视频等。

控制子系统是远端控制和本地控制的融合,用于规避因通信链路故障或拥塞阻断远程控制信号的风险,同时防止现场出现紧急情况后远端控制指令不能及时响应而造成的现场生产失控。主要涉及单井阀门远程紧急截断、站控阀门开度控制、甲醇污水自动拉运、注醇泵远程启停、发电机远程启停、UPS远程管理等。

对于井口间距不大于500 m的丛式井群,宜建立井群传输模式,所有井口生产数据统一进入井群RTU或智能数字网关,经井场同一网络上传或交换,从而节省物联网资源配置,提高传输效率。

2.2 数据传输子系统

数据传输子系统包含两个层面的子系统:一是稳定安全的通信网络系统;二是数据管理,即实时收发与数据管理软件系统。软件系统通过网络实现井站实时数据、控制指令以及图像的实时传输或交互、管理。

稳定的通信网络系统是物联网的基础。依据采气生产作业区实际情况,优选有线和无线组网方式,自建与租用相结合,建立稳定有效的网络,如卫星、4G、微波扩频、数传电台、光缆传输等,实现井站与基地高带宽通信,及时有效地完成数据采集与控制信息的传输或交互,尤其是满足实现远程无人值守电子巡井的需求。物联网信息安全也是重要的,每个独立的气田生产域都要建立一个统一的安全管理平台,管理所有物联网设备及生产信息,增强系统的安全性,保障各类业务安全应用。

数据管理是物联网系统的核心功能。气田物联网数据库分为实时数据库和关系数据库。实时数据库存放气田内所有井站的实时运行数据,关系数据库存放结构化的静态录入数据、分析结果数据及自动报表数据等。数据管理软件系统负责两方面工作,一是负责分布式采集、整理归集数据到对应的数据库并返回控制指令,二是数据库管理、质量监测、数据备份与数据共享接口管理。如果作业区井位少,在基地建立一套数据服务器即可;如果区块内生产井数量大,片区分散,宜建立分布式数据库服务器和分布式应用服务器以及数据接口服务器,有利于解决数据传输网络拥塞和信息安全问题。

2.3 生产运行监控与管理子系统

生产运行监控与管理子系统负责对实时采集的数据进行展示、分析和处理,实现生产过程数据实时发布、实时预警、实时调整以及实时管理决策,主要包含以下功能:气井生产监控、远程自动计量、集气站生产监控、生产环境监控、可燃气体监测、防盗防泄漏监控、生产动态实时监控、故障预警、历史数据查询、系统管理、数据管理、物联设备管理等。

2.3.1 监控功能

第一是实现实时监测生产状态。采用BS或CS软件对实时采集的数据进行实时成表绘图,以单井或单站为单元在计算机或大屏幕上进行综合或组合展示,实时显示单井生产动态、单站管线运行状态,实时监测设备运行状态、查看生产日报、实时视频、历史数据查询等。井站GIS检测也是必要的,展现井站基本生产信息、集输线路信息、地理信息等。

第二是实时智能分析预测。根据单井站具体参数,采用具体的数学模型,对生产产能或生产状况进行预测,指导区块生产联调提产。通过单井计产、集气站计产等信息,了解区块的产能分布与动态。单井站生产参数异常分析与预警是必不可少的,这是确保安全生产的关键。通过作业区块井生产压力场绘制、温度场绘制、产量场绘制,可以了解预测作业区块的宏观运行状况,为下一批井位设计或产能调整提供数据参考。

第三是生产远程控制。系统具备智能调控功能,对单井站数据进行实时智能分析预测或预警结果自动响应,实时发送控制指令到井站,进行远程控制,如自动开关井、自动阀门开度、自动读数等。

第四是远程电子巡井。电子巡井有两层含义,一种是生产参数的网上在线实时查视与异常自动预警,另一种是井场实时视频的在线查视与入侵自动预警,实现足不出户的远程电子巡井,自动预警并及时推送给责任岗位。

2.3.2 管理功能

远程自动计量是气田生产管理的重要环节。产气计量分为单井计量、集气站计量和外输交接口计量。系统提供各级累积计量数据,进行统计对比分析,远程智能控制与调节生产工作状态。

优化设计是通过挖掘单井历史数据和分析当前数据,进行数值仿真,智能化地诊断单井当前工况,预测生产态势,为区块采气井设计、生产、作业维护等提供合理方案;通过大数据挖掘有利区块或层位,并为新井井位设计、目的层优选等提供参考,促进采气生产与钻完井作业信息一体化协同,提升高效勘探开发水平。

资源调度是针对区块生产状况,通过生产大数据分析,优化库存,优选物料或设备,调度整合既有资源,实现精益管理,提升资源利用效率。

远程指挥是通过信息化平台,以实时音视频或文档指令方式,对全作业区块作业过程进行指挥管理,实现对紧急情况的及时响应和有效处置。

2.4 远程监控指挥中心

远程监控指挥中心是为深化生产运行监控与管理子系统应用而建立的计算机电子信息集成办公系统,包含高速网络、网络安全、计算机信息处理、电子显示、即时通信、远程音(视)频、自动化办公等设备设施,与区域数据中心高速数据交互,实现甲乙方、前后方、多专业协同办公。

3 气田物联网系统部署应用案例

现以苏里格气田20、25、76区块为例来简要说明气田物联网系统部署与应用情况。这三个区块共有一千多口采气井,并逐年增加新井位。该气田目前已经实现了钻完井作业及采气生产作业全业务链信息化应用,构建了油气田工程地质一体化协同作业机制,这里仅就采气生产信息化部署及应用情况作介绍。

三个区块原有的井站远程监控系统基于数传电台或3G形式传输,网络信号不稳定,上线率低下;单井或单站部署采集设备不统一,系统陈旧,功能不健全,故障频发;维护成本逐年升高,已不适应新的管理需求。为此,通过调研分析,依据气田实际情况,参照气田物联网设计思路,制定了“采气井生产运行与智能化管控系统”建设项目方案。

首先自建高速网络。依据该地区气田环境特点,设计搭建了高度50 m通讯塔,分层部署5.8G或3.5G 微波网,并以数字无线电台做补充,覆盖全作业区单井站和钻完井作业现场,实现井站网络最后1 km接入,满足了工况数据远程采集、实时视频传输及远程控制的需要,为气田生产井站物联网系统建设奠定了基础。

依据方案,研究开发了采气井井场物联网装置、多协议单井数据采集网关软件、单井监控系统以及集气站站控系统,完成了整个作业区的物联网系统构建。

为了发挥系统功能作用,按照物联网功能设计,在气田总部建设了远程监控指挥中心(图4),实施对全作业区一千多井站的生产管理集中监控和调度指挥。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4   远程监控指挥中心

   

通过自建高速网络系统,开发采集与控制、网络数据传输、生产运行监控与管理三个平台,全方位实现了该气田物联网系统的部署与应用,实现远程实时电子巡井、井站无人值守、生产环境异常智能预警、数据统计分析、自动计产计量、生产方案优化等功能,从而减少了“跑井”人员,实现了不上井或少上井,降低了劳动强度,提高了应急处置有效率,消减了作业安全风险,节约了运营成本,提升了作业区管理时效。这表明,气田物联网系统可为气田生产实现精益管理、智能化管理、高效化生产提供信息化支撑,是建设智慧气田的关键技术。

4 气田物联网信息化发展思考

气田物联网信息化对于优化企业管理,促进企业流程再造具有关键作用。物联网系统改变了传统的工作与管理模式,解放了人力资源,提升了生产管理时效,不仅从根本上改善了员工的工作条件,减轻了员工劳动强度,也大幅提高了现场工作效率。同时,物联网系统也是油气田高效开发、降低消耗、安全生产和高水平管理的可靠保障。但是,目前国内气田物联网系统最大的问题是数据标准不统一,数据共享困难。因此,按照标准的物联网架构,完善气田信息化建设,构建油气田工程地质信息一体化协同作业平台是非常必要的,亟待整体推进油气田智能化大数据建设。

展望未来气田物联网信息化发展,以下几点适逢其时:

(1)推进气田数据统一标准建设。行业油气生产物联网系统建设规范已有发布,针对气田勘探开发的特殊性,建立行业标准数据库模型,建立气田勘探开发标准数据库。标准数据库的建立,可以促进国内行业数据共享,这是建立油气田前后方、甲乙方、多专业工程地质一体化协同作业的基础。

(2)构建气田生产大数据。参照规范标准,拓展数据采集范围,按照大数据构架模型,构建气田勘探开发生产与管理大数据。研发或引进新型物联网感知设备,创新生产工艺,采集更多更广的数据信息,为气田生产与管理累积大数据。研发数据价值挖掘模型,一方面为地质研究和井位设计提供有价值信息,另一方面为钻完井工程技术提供参考,最后为气田增储、提速、提质、提效、提产提供技术支撑。

(3)以信息化促进气田生产与管理流程再造。信息化最终会彻底改变人类的生产生活模式,会促进企业生产与管理流程的再造,引起企业技术创新、业务流程、经营管理运行等变革。

信息化永远在路上,本着“以用促建,让信息化平台成为提高效率的助推器”的宗旨,持续推进信息化建设,加快国际一流智慧油气田的建设步伐,已成为气田物联网信息化发展的趋势。

(编辑 唐艳军)

参考文献

文献选项

• 原文顺序
• 文献年度倒序
• 文中引用次数倒序
• 被引期刊影响因子