物聯(lián)網(wǎng)技術在石油行業(yè)中的探索與應用

高 倩

（遼河石油勘探局有限公司信息工程分公司，遼寧 盤錦 124010）

物聯(lián)網(wǎng)技術(Internet of Things）的含義是指世界萬物互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡系統(tǒng)，是指廣大人民群眾借助數(shù)據(jù)信息傳感裝置，使用射頻辨別科技方法、無線網(wǎng)絡通信技術、人工智能AI技術和自動控制技術等措施把世間萬物和互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系起來，達成智慧化辨別、位置確定、方位追蹤、視頻圖像監(jiān)控及管理的系統(tǒng)?，F(xiàn)階段，根據(jù)礦井、庫站等油氣田開采作業(yè)現(xiàn)場的參數(shù)信息收集、開采過程把控、數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)改進、管理過程決定等凸顯關鍵，把物聯(lián)網(wǎng)相關科技、通信技術及數(shù)據(jù)信息科技相結(jié)合的油氣田開采物聯(lián)網(wǎng)體系在智能辨別、參數(shù)信息結(jié)合、參數(shù)信息使用等層面起到至關重要的作用，油氣田開采過程應用物聯(lián)網(wǎng)技術是油氣田數(shù)據(jù)信息化工程進步的必然發(fā)展方向。因為其具備非常廣闊的使用前景，所以各個石油開采相關單位正在強化物聯(lián)網(wǎng)相關技術應用方面的研發(fā)力度。油氣田開采物聯(lián)網(wǎng)體系即根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)相關科技，完成油氣田礦井區(qū)域、裝置運行情況、計量室、處理廠開采參數(shù)信息、集輸室及綜合處理室集中管控。組建油氣田場站標準參數(shù)信息管控系統(tǒng)，提升油氣田開采工作的準確性。

油氣田開采過程物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)牽涉油氣開采全產(chǎn)業(yè)鏈條，制造工藝復雜，包含油氣礦井的生產(chǎn)過程管控、加水站、加氣站、油氣開采站及綜合服務站等業(yè)務范疇。油氣田開采物聯(lián)網(wǎng)技術主要功能有：完成開采過程參數(shù)信息自動化收集、遠距離監(jiān)控、開采過程出現(xiàn)問題報警，支撐油氣田開采進程管控，最大限度地提升油氣田開采作業(yè)的準確程度和時效性；提升開采過程管控效果，減少生產(chǎn)成本及安全隱患；建立規(guī)范的數(shù)據(jù)管理和物聯(lián)網(wǎng)建設、管理技術體系；借助信息技術和工業(yè)工程的結(jié)合，油氣田開采物聯(lián)網(wǎng)體系提升了開采進程中所有技術環(huán)節(jié)的自動化水平，提高了開采作業(yè)管控的工作效率，確保了開采過程的連續(xù)、平穩(wěn)及高效運行。通過油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)油氣生產(chǎn)方式的優(yōu)化創(chuàng)新，為油氣生產(chǎn)業(yè)務精細化管理提供保障。

傳統(tǒng)的油氣日常生產(chǎn)井站管理,到整個企業(yè)人員管理，直至跨地區(qū)尤其敏感地區(qū)的安全管理等環(huán)節(jié)存在一些問題，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）員工老齡化嚴重，企業(yè)機構(gòu)冗余陳舊。采油廠員工年齡梯度不平衡，隨著員工自然減員、勞務輸出，近幾年操作工人自然遞減較快，沒有人員補充，已經(jīng)面臨一線操作崗位員工的嚴重短缺。因此，需要通過物聯(lián)網(wǎng)工程建設，進一步推進油田生產(chǎn)管理模式創(chuàng)新，力爭做到“增井、增站、不增人”的目標。近些年來，由于石油行業(yè)不景氣，為了增產(chǎn)增效，各大石油企業(yè)都在推進組織扁平化管理，推行采油廠-作業(yè)區(qū)兩級管理模式，取消中心站（基層隊）管理層級，因此必須借助物聯(lián)網(wǎng)的建設推動組織結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

（2）開采方式轉(zhuǎn)變帶來的生產(chǎn)效率低下。隨著油田各采油廠產(chǎn)量降低和開采方式的轉(zhuǎn)變，計量接轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站各環(huán)節(jié)運行負荷低、不平衡問題比較突出。為提升運行效率、簡化工藝流程，規(guī)劃實施大量地面集輸工藝優(yōu)化項目，單人管井數(shù)、單人巡檢路線大大提升，同時工藝的改變對工藝參數(shù)的自動采集和控制提出更高的要求，急需建立數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)化管控平臺。

（3）敏感地區(qū)生產(chǎn)安全不能保障。由于石油行業(yè)所處領域多毗鄰農(nóng)田，屬環(huán)境敏感區(qū)域，管道運行多年泄漏嚴重，環(huán)保壓力大。隨著國家、集團公司對環(huán)保要求日趨嚴格，應及時發(fā)現(xiàn)油田生產(chǎn)跑、冒、滴、漏，使操作人員能夠及時采取措施，避免出現(xiàn)原油損失和環(huán)境污染。

尤其是油田地質(zhì)條件多樣，開采工藝復雜，生產(chǎn)過程高溫高壓，現(xiàn)行的生產(chǎn)管理模式對員工的責任心和熟練程度依賴性高，員工工作量多、勞動強度大，生產(chǎn)安全風險高；各采油廠油區(qū)現(xiàn)場分布點多面廣，油田上下班行車安全、現(xiàn)場員工生活保障等方面也面臨一定困難。

數(shù)字油田是為了解決油田老齡化、推進企業(yè)扁平化管理、提高生產(chǎn)效率等一系列問題而提出的最新概念，是指油田企業(yè)在生產(chǎn)、管理過程中，運用物聯(lián)網(wǎng)技術、傳感器技術實現(xiàn)油田的信息化、平臺化管理。在油田的運行過程中，通過傳感器采集的各類信息，經(jīng)過無線傳輸匯聚到云端，在云計算服務幫助下，幫助油田高效、穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

上述基于物聯(lián)網(wǎng)的果蔬運輸系統(tǒng)的應用，能夠促進果蔬在運輸過程中的透明管理，使得整個系統(tǒng)可視化程度更高，可以減少新鮮果蔬在運輸過程中的損失，保證應有的社會效益和經(jīng)濟效益。

數(shù)字油田是廣大油田企業(yè)今后進一步發(fā)展的方向，可以保證持續(xù)發(fā)展，并且一直保持強有力的競爭力，油田的發(fā)展勢必需要高智能趨勢的物聯(lián)網(wǎng)技術手段。數(shù)字油田的概念如圖1所示。

在油氣田物聯(lián)網(wǎng)建立和完善的過程中，數(shù)字油田需要在油井、轉(zhuǎn)接站、注水站、配水間等位置得到一些數(shù)據(jù)，且通常是一些電流數(shù)據(jù)，一線員工需要實時掌握罐內(nèi)的液位、流量、可燃氣體體積分數(shù)等相關的信息。所有的傳感器都通過無線傳輸方式（ZigBee/LoRa）傳輸至數(shù)據(jù)采集傳輸終端（RTU或PLC），由RTU或PLC傳輸至生產(chǎn)基地服務器。整個無線采集傳輸系統(tǒng)采集的參數(shù)包括：載荷、位移、壓力、溫度、電參量、流量等。其中采集系統(tǒng)包括：遠程終端單元（RTU或PLC）、無線壓力傳感器、無線溫度傳感器、無線流量計等。油井口傳感采集如圖2所示。

圖2 油井口傳感采集示意圖

目前很多石油化工開采單位已制定了相關裝置離線檢查、系統(tǒng)設備抽檢及在線監(jiān)測評估體系，即為物聯(lián)網(wǎng)技術在裝備鏈管控中的初步應用。應用離線檢查、設備抽檢及在線監(jiān)測評估、精確科研儀器等裝置及措施，可以即時了解相關裝置工作的情況，盡量實現(xiàn)預先判斷維修的目標。根據(jù)傳感裝置網(wǎng)絡的油氣田開采物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 油氣田開采物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架

參數(shù)信息收集和現(xiàn)場監(jiān)控分支體系：

通常是使用射頻及傳感等相關科技，探測油氣田的開采過程數(shù)據(jù)信息，搭建涵蓋油氣田整個開采過程精確安全及平穩(wěn)的油氣田物聯(lián)網(wǎng)收集和現(xiàn)場監(jiān)控分支體系。達成收集參數(shù)信息完備精確、開采進程把控及時準確、生產(chǎn)管控行之有效及系統(tǒng)操控安全穩(wěn)定的目的。

參數(shù)信息收集和現(xiàn)場監(jiān)控分支體系依據(jù)各類油氣田礦藏種類、各類油氣田不同的開采技術要求，使用不同的傳感裝置或者變頻裝置及圖像監(jiān)控裝置完成開采作業(yè)參數(shù)信息及現(xiàn)場工作情況的即時收集，與此同時接收控制指揮中心傳輸?shù)牟僮髦噶钔瓿捎嘘P裝置的自動化操控。在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)的建設方案中，在保持技術先進性的前提下，充分依托已建設施和系統(tǒng)，優(yōu)先考慮國產(chǎn)化、低功耗的儀表、控制器、組態(tài)軟件等，確保從技術方案源頭降低整體建設費用。

針對單井、計量室、轉(zhuǎn)接室、加注室、綜合處理室等制造部門，挑選制造過程中關鍵的工藝技術要求，經(jīng)過針對智能儀器、氣動/電子傳動機構(gòu)、遠距離監(jiān)控模塊等裝置的安裝，完成制造過程的相關參數(shù)信息收集及監(jiān)控工作。

參數(shù)信息傳輸分支系統(tǒng)：

按照各油田公司的網(wǎng)絡規(guī)劃和要求，建設與完善數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，站庫間借助線纜進行數(shù)據(jù)傳輸，以光纖參數(shù)信息傳輸為主要模式，礦井及遠距離數(shù)據(jù)庫借助無線網(wǎng)絡進行相關數(shù)據(jù)信息傳送，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、視頻圖像、控制指令的統(tǒng)一承載，滿足生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸、應用業(yè)務隔離、用戶訪問可控等安全要求。

生產(chǎn)管理子系統(tǒng)：

生產(chǎn)管理子系統(tǒng)提供生產(chǎn)過程監(jiān)測、生產(chǎn)分析與工況診斷、物聯(lián)網(wǎng)設備管理、視頻監(jiān)測、報表管理、數(shù)據(jù)管理、輔助分析與決策支持、系統(tǒng)管理、運維管理功能。

物聯(lián)網(wǎng)技術在油氣田企業(yè)中的應用將會越來越廣。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術在石油企業(yè)日常生產(chǎn)中已經(jīng)得到一些成功經(jīng)驗，長慶油田、大慶的慶新油田、青海油田、大港油田等都進行了相關技術的研究。

在油田的物聯(lián)網(wǎng)化建設過程中離不開無線模塊尤其是ZigBee和LoRa的數(shù)據(jù)傳輸。兩種傳輸方式的選取需要結(jié)合石油企業(yè)自身的條件來考慮。

LoRa技術的優(yōu)勢：

（1）LoRa網(wǎng)絡組建傳輸單元內(nèi)部使用直接傳輸技術要求，相當于在各個單元之間創(chuàng)建了無線的傳輸通道。用戶能夠在不了解內(nèi)部復雜的相關無線網(wǎng)絡傳輸技術要求的情況下，迅速完成組建網(wǎng)絡，顯著減少了項目裝備成本和作業(yè)的困難程度。

（2）LoRa網(wǎng)絡組建傳輸單元一般出廠內(nèi)置自組網(wǎng)透明傳輸協(xié)議。并且用戶可以根據(jù)實際的應用需求，使用LoRaWAN協(xié)議、LinkWAN協(xié)議或CLAA協(xié)議等。用戶可以直接進行使用，最大限度地降低開發(fā)周期。

（3）LoRa網(wǎng)絡組建傳輸單元具有完備的進入網(wǎng)絡、退出網(wǎng)絡、通道規(guī)劃、節(jié)點把控及白目錄等作用，還能夠使網(wǎng)絡組建進程簡化成一鍵式操控，使用戶在搭建相關網(wǎng)絡時非常方便且快捷。

（4）在自行組件的網(wǎng)絡模式下，LoRa組網(wǎng)透傳模塊可自動判斷現(xiàn)場的信道使用情況，選擇空閑、干凈、可靠的信道進行組網(wǎng)通信，有效避免同頻段干擾。

ZigBee技術以ZM33系列模塊特點如下：

（1）ZM33系列高性能ZigBee模塊在不加PA的情況下就可以達到20分貝毫瓦的額定功率，搭配-98分貝毫瓦的靈敏度值，能夠給出大于3.35千米的信號通信傳輸間距，在穿墻能力和鄰道抑制性能上也有顯著提升。

（2）ZM33型式高品質(zhì)ZigBee單元具備優(yōu)良的網(wǎng)絡組建功能，能夠一鍵完成Mash網(wǎng)絡的自動組建過程，最大支持205點的非輪詢Mash網(wǎng)絡組建，110臺裝置自動組建網(wǎng)絡用時小于105秒。

（3）ZM33型式ZigBee單元可以支持三類通信模式：短距離地址通信、能夠修改MEC地址通訊及確定參數(shù)幀率的某個環(huán)節(jié)作為地址通信，三類通信模式能夠借助AT發(fā)出的指令進行動態(tài)化模式切換。

（4）ZM33型式ZigBee單元支持ARS125通信保密及新裝置登錄保密，使用非常規(guī)裝置由空中拾取也不能讀取相關參數(shù)信息，確保參數(shù)信息安全、平穩(wěn)及高效傳輸。

由于物聯(lián)網(wǎng)技術在石油行業(yè)應用的探索已經(jīng)開始，各大石油企業(yè)都在努力建設物聯(lián)網(wǎng)，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)相關技術的持續(xù)熟練使用，今后將會有更加先進的科學技術手段及探索成果在油氣開采相關單位得到合理的使用。