采油厂多场景物联网关键技术研究

吴军 王金和 黄寅 邵妍婷 文建国

[摘    要] 近年来，油田生产现场的数据采集、过程控制、参数优化等凸现重要，将自动化技术、通信技术、信息技术、视频技术融合的物联网系统在智能识别、数据融合、数据应用等方面发挥越来越大的作用。为促进油田两化深度融合，提升油气生产管理水平，物联网系统技术发展和建设应用日新月异。本文主要以新疆油田公司采油二厂为例，介绍物联网技术研究与应用实现。

[关键词] 油气生产;自动化;物联网;采集传输

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 17. 029

[中图分类号] F270.7;TP315    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2019）17- 0071- 03

1      引    言

物联网（Internet of Things）是指：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网包括应用层、网络层和感知层三个层面，全面感知、可靠传递、智能处理是物联网的三大重要特征。

物联网技术在采油厂生产中的应用，主要是利用物联网技术，实现对采油厂油气水井、计量间、转油站、处理站等各类生产对象进行全面感知，实现生产数据自动采集和控制、油气田生产运行监控和管理，进而提高生产操作单元的自动化水平，进一步提高油气田生产决策的及时性和准确性。

2      采油厂生产业务现状分析

目前采油厂油气生产流程主要包括油气举升、产量计量、油气集输、油气水处理、注入措施5部分。如图1所示。

（1）油气举升：采取各种物理和化学手段把原油、天然气从地底采集到地面的过程。采油厂采出的气主要以采油过程中产生的伴生气为主。

（2）产量计量：从井口采出的原油天然气量是反映单井和地层的重要参数，也反映了举升设备的能力，同时也是油、气井生产的结果。

（3）油气集输：从井中采出的原油天然气进行集中输送到处理站。

（4）油气水处理：从井中采出的原油含有水、天然气、砂、蜡、硫等各类物质，因此需要对其物质分离处理。

（5）注入措施：主要是把水、蒸汽、聚合物、微生物用泵加压后注入地层。

3      关键技术研究与应用

3.1   油水井物联网智能识别技术

物联网传感设备通过无线通讯模块，变送器设备在初始化完成后，执行网络扫描，寻找附近的无线RTU，通过变送器与RTU之间以层次化为中心的MESH网络，选择其中信号最强的一个作为主中继设备，在有数据传输时，以DATA-ACK握手方式保证数据的传输，支持数据暂存与重传。若主RTU失效或无法通信，則变送器设备选择向其备选的运行状态正常、网络信号较好的RTU发起网络加入与数据通信。

将物联网特征技术——RFID射频电子标签应用于现场变送器接口模块，完成现场变送器的身份标识。采用无源RFID标签，设计RFID编码库，完成RFID标签的编码，采用128bit编码机制，可标记2的128次方个设备。实现物联网设备身份标识，设备再更换或新增时，无须在组态软件中重新设定对应变送器的参数。如图2所示。

3.2   4G网络超级小区技术

采油二厂数据传输采用自建的4G网络，井站数据采集点具有站点密集、分布范围大、并发上行数量多的特点。通过TD-LTE网络超级小区技术，实现了高密度基站覆盖区域的网络传输优化，通过4G网络超级小区技术，将单基站下多个扇区RRU合并。采用超级小区技术、定向传输技术，优化网络部署，解决大规模4G 网络集中、交叉重叠部署应用，导致的网络频谱、信号互相干扰，数据上线率低的技术难题，实现并发单基站扇区并发400口井上行点的效果，有效提高大数据量传输稳定性。如图3所示。

3.3   多井集联技术

在非丛式井的条件，多口油井共用一个RTU的组网模式。建立高效的多井集联（一对多）组网模式，针对相对集中的井在有效通讯区域内设置主从井，RTU和通讯模块只需加在主井上，从井无须安装，优于传统的单井模式。充分发挥RTU强大的运算、存储、控制、无线通信能力，保证了数据采集、控制的可靠性。大大减少了现场施工量，节省设备数量及经济成本。3 073口油水井，节省628个RTU和CPE。

多井通信模式：无线传感器设备→井口控制单元（井口路由单元）→多井集联中继器（RTU）→中心控制室的数据流为多井集联通信模式。如图4所示。

3.4   低功耗无线传感组网技术

为了保证无线传感设备长期稳定运行，要尽量降低系统的功耗，要求硬件采用低功耗芯片、周期休眠等技术，嵌入式操作系统也进行低功耗设计。

器件低功耗：选择CPU、Flash、低频和射频放大器、无线收发、射频开关等低功耗器件，从基础上降低功耗上限。通信低功耗：使用高精度时间同步算法，提高时隙对齐程度，实现更短的时隙及更高程度的休眠，有效增加休眠时间，可降低终端功耗。软件低功耗：把嵌入式操作系统设计成多个事件处理。系统上电初始化时，主程序只进行系统的初始化，完成后进入低功耗状态。当外设发生事件，产生中断信号，CPU退出节电状态进入事件处理，处理完成后继续进入节电状态，降低CPU功耗。

3.5   移动APP技术

通过目前先进的移动APP技术，结合GPS、网络通信、地理信息GIS平台等关键技术，研究建立了采油二厂油区GPS巡检系统，覆盖16个计量站，1 200口单井。通过手持终端设备实现单井巡检数据实时采集、上传、入库，并研发与中石油集团公司统建A2系统的数据接口，实现数据自动提取A2系统。同时系统还实现员工巡检路线实时记录、及时掌握工作状态。对自动化系统未覆盖的油水井，提供经济有效的数据采集、巡检技术手段，减少纸质记录的誊抄和重复录入工作量，为生产和人员的管理工作提供科学有效的手段。

4      结    语

通过自动控制、计算机网络、数据整合、数据共享交换、视频监控等物联网先进技术技术，不追求单台设备的高水平建设，以系统整体的最佳匹配为标准，对井场、站场关键设备进行建设，同时集成、整合现有的综合资源，创新技术和管理理念，建立全油田统一的生产管理、综合研究的物联网系统是物联网技术发展和应用趋势。

物联网系统建设，是对传统油气生产的一次深刻革命。重点是面向生产一线，井、站（库）等基本生产单元的过程管理是物联网系统建设的重心，是智能油田建设和生产运行管理模式变革的基础。推行油气田物联网建设，实现油气田智能化管理，是节省投资、降低成本、优化用工、提高劳动生产率、提质增效的有效手段。

主要参考文献

[1]陈涛，刘景泰，邴志刚.无线传感网络研究与运用综述[J].自动化与仪表，2005（z1）：46-51.