大慶油田地面工程數(shù)字化建設(shè)方案優(yōu)化探索

曹萬巖

（大慶油田工程有限公司）

0 引言

大慶油田1960年投入開發(fā)，歷經(jīng)60年，建成了國內(nèi)規(guī)模最大的整裝開發(fā)油田。當(dāng)今世界正處于工業(yè)化向信息化邁進(jìn)的大變革時期，信息技術(shù)的迅猛發(fā)展正在帶來深刻的革命性的變化。“十三五”期間，大慶油田制定發(fā)布了《大慶油田振興發(fā)展綱要》，描繪了今后一個時期的發(fā)展藍(lán)圖，提出了建設(shè)智慧油田的構(gòu)想，這既是根據(jù)形勢變化作出的戰(zhàn)略部署，更是建設(shè)百年油田的迫切需要。

近年來，大慶油田逐步加大數(shù)字化建設(shè)力度，按照試點(diǎn)先行、規(guī)模推廣、持續(xù)優(yōu)化、深化應(yīng)用的建設(shè)路線推進(jìn)數(shù)字化建設(shè)。但是，由于油田開發(fā)年限較長，開發(fā)方式及采出液處理工藝復(fù)雜，井、間、站場建設(shè)周期跨度大且數(shù)量多，面臨的生產(chǎn)成本壓力大，數(shù)字化應(yīng)用程度仍處于較低水平。為了緊跟互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時代的前進(jìn)步伐，早日建成數(shù)字油田、智能油田、智慧油田，急需加快油田數(shù)字化建設(shè)步伐，推進(jìn)建設(shè)進(jìn)程。因此大慶油田大力推進(jìn)數(shù)字化建設(shè)示范工程，通過優(yōu)化數(shù)字化建設(shè)方案，固化數(shù)字化建設(shè)模式，為大規(guī)模推廣數(shù)字化建設(shè)積累經(jīng)驗。

1 數(shù)字化建設(shè)思路

根據(jù)“加強(qiáng)頂層設(shè)計、突出問題導(dǎo)向、聚焦產(chǎn)業(yè)升級、追求質(zhì)量效益”的數(shù)字化建設(shè)總體工作要求，確定了地面工程數(shù)字化建設(shè)思路，即：優(yōu)化調(diào)整與篩選排查相結(jié)合，精簡實(shí)施對象；試點(diǎn)先行，綜合比選，優(yōu)化實(shí)施方案；管理模式轉(zhuǎn)型再造，提高管理水平。

1.1 優(yōu)化調(diào)整與篩選排查相結(jié)合，精簡實(shí)施對象

開展數(shù)字化建設(shè)首先需要進(jìn)行地面系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整。針對部分區(qū)域和系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷率低的問題，結(jié)合開發(fā)安排對原油集輸、配制注入、供水及水處理等系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行適應(yīng)性分析，通過“核減、合并、降級”及“三優(yōu)一簡”（“地上地下”一體化優(yōu)化，總體布局優(yōu)化，系統(tǒng)能力優(yōu)化，應(yīng)用簡化技術(shù)成果），實(shí)施站場合并、規(guī)?？s減、功能降級等優(yōu)化措施，避免站場的后續(xù)擴(kuò)改建造成數(shù)字化建設(shè)的浪費(fèi)。同時，降低地面系統(tǒng)運(yùn)行能耗、提高地面系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷率，為建設(shè)高效益、低能耗數(shù)字化油田創(chuàng)造條件。

全面調(diào)查區(qū)域內(nèi)建設(shè)對象現(xiàn)狀，對已實(shí)施數(shù)字化建設(shè)的井、站以及不具備實(shí)施數(shù)字化建設(shè)的井、站進(jìn)行排查后，確定數(shù)字化建設(shè)對象。

1.2 試點(diǎn)先行，綜合比選，優(yōu)化實(shí)施方案

通過開展示范工程，優(yōu)化實(shí)施方案，為后續(xù)大規(guī)模推廣積累經(jīng)驗。如，龍虎泡油田在數(shù)字化建設(shè)中，對于無電源注水井井場配電方式，根據(jù)用電負(fù)荷情況及油水井布置情況，通過對太陽能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電、周邊油井井場接引供電等4種供電方式的綜合比選，最終確定采用周邊油井井場接引供電的方式為注水井供電。

1.3 管理模式轉(zhuǎn)型再造，提高管理水平

在對地面系統(tǒng)實(shí)施數(shù)字化建設(shè)的同時，需要同步實(shí)施管理模式轉(zhuǎn)型再造。搭建管理責(zé)任清晰、崗位設(shè)置科學(xué)合理、員工隊伍優(yōu)化配置的組織架構(gòu)體系，確定數(shù)字化建設(shè)的數(shù)據(jù)流（生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳流向）和控制流（生產(chǎn)管控流程）?；鶎诱娟爩?shí)現(xiàn)值守和巡檢專業(yè)化；技術(shù)保障實(shí)現(xiàn)開發(fā)分析與管理專業(yè)化；生產(chǎn)保障實(shí)現(xiàn)檢維修專業(yè)化；優(yōu)化勞動組織結(jié)構(gòu)，優(yōu)化一線用工量，實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)，提高管理水平。

2 數(shù)字化建設(shè)方案優(yōu)化措施

油氣田地面工程的數(shù)字化建設(shè)，就是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建設(shè)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、生產(chǎn)管理子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)油氣田井區(qū)、計量間、集輸站、聯(lián)合站、處理廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息在采油采氣廠生產(chǎn)指揮中心及生產(chǎn)控制中心集中管理和控制[1]。數(shù)字化建設(shè)方案作為推進(jìn)數(shù)字化建設(shè)的切入點(diǎn)和著力點(diǎn)，在滿足業(yè)務(wù)需求、深化實(shí)踐應(yīng)用的同時，因地制宜、因時制宜、因需制宜地對實(shí)施方案進(jìn)行優(yōu)化，對數(shù)字化建設(shè)至關(guān)重要。

自2018年開始，大慶油田先后開展了海拉爾油田、龍虎泡油田、采油五廠數(shù)字化建設(shè)示范工程建設(shè)，綜合技術(shù)、投資、成本、效益及政策等多重因素進(jìn)行優(yōu)選，通過“三優(yōu)選，三優(yōu)化”措施，優(yōu)化數(shù)字化建設(shè)方案。

2.1 優(yōu)選井、間數(shù)據(jù)采集通信技術(shù)

對于油水井，計量間，閥組間等井、間的數(shù)字化建設(shè)，需在井場和間內(nèi)增加壓力變送器、溫度變送器等儀表設(shè)備進(jìn)行相關(guān)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集。現(xiàn)場儀表信號傳送至控制設(shè)備的方式有電纜傳輸及無線信號傳輸兩種。根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，同時考慮到現(xiàn)場施工及井口作業(yè)的方便性，現(xiàn)場儀表以無線傳輸方式為主。

通過對井、間設(shè)置的現(xiàn)場無線儀表應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行對比后，優(yōu)選WIA-PA技術(shù)（一種面向工業(yè)過程自動化的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)）和Zigbee技術(shù)（一種應(yīng)用于短距離和低速率下的無線通信技術(shù)）作為現(xiàn)場無線儀表采集技術(shù)。這兩種技術(shù)均為采用 2.4 GHz頻段的無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，在現(xiàn)場儀表內(nèi)嵌入相應(yīng)Zigbee或WIA-PA通信模塊，通過無線電磁波可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

2.2 優(yōu)選井場采集設(shè)備

對油井井場數(shù)據(jù)進(jìn)行儀表功能整合，實(shí)現(xiàn)一表多能。應(yīng)用智能電參數(shù)采集器，將電參數(shù)采集、抽油機(jī)啟停功能、RTU（遠(yuǎn)程終端單元）集成于一體。

對于叢式井場，同一平臺區(qū)域內(nèi)有多口油水井時，選擇一口油井作為平臺主井，設(shè)置RTU，其他從井將采集信號上傳至主井RTU統(tǒng)一處理，簡化從井采集設(shè)備。

2.3 優(yōu)選無線傳輸方案

考慮到油水井場、小型站場數(shù)量多，且分布在大中型站場周圍，通信業(yè)務(wù)單一，通信速率需求較低。建設(shè)光纜線路投資較高、施工難度大，而無線通信具有投資低、施工簡便、部署靈活等優(yōu)勢。因此，油水井場、小型站場通信采用無線傳輸方式。

無線傳輸技術(shù)分為自建無線專網(wǎng)和利用4G（第4代移動通信技術(shù)）公網(wǎng)兩種方式。利用4G公網(wǎng)具有充分利用公共資源，不需建設(shè)投資的優(yōu)勢，因此海拉爾油田示范工程采用了 4G公網(wǎng)傳輸方式。但為了確保數(shù)據(jù)安全，井、間前端數(shù)據(jù)在進(jìn)入生產(chǎn)網(wǎng)之前需經(jīng)過兩次安全認(rèn)證，其數(shù)據(jù)流向為：井、間→運(yùn)營商核心交換機(jī)→DMZ（隔離區(qū)）→生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)→作業(yè)區(qū)管理中心，數(shù)據(jù)鏈路較長。

考慮到自建專網(wǎng)的數(shù)據(jù)流向是自下而上的，即井、間→站→作業(yè)區(qū)生產(chǎn)管理中心，流向合理，安全性高。因此，在龍虎泡油田示范工程中，井、間數(shù)據(jù)傳輸采用了WIA-PA/FA技術(shù)（WIA-PA是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的用于工業(yè)過程測量、監(jiān)視與控制的無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，WIA-FA是基于 IEEE 802.11物理層開發(fā)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)）。采用WIA-PA/FA工業(yè)無線組網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)MESH（無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)）組網(wǎng)，具有高可靠、低延時、安全可控的特點(diǎn)。WIA-PA/FA組網(wǎng)具備2.4G/5.8G雙層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，2.4G的WIA-PA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)適用于現(xiàn)場傳感數(shù)據(jù)的采集傳輸，并將數(shù)據(jù)匯聚至架設(shè)在計量間、閥組間外的WIA-PA無線網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)通過WIA-FA 5.8G MESH主干網(wǎng)絡(luò)傳輸單元，上傳至周邊站場，再經(jīng)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳至各級監(jiān)控中心。

2.4 優(yōu)化油井采集點(diǎn)位

對比相關(guān)工程建設(shè)情況，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)需求，進(jìn)一步優(yōu)化油井采集點(diǎn)。考慮到大慶油田常規(guī)油井氣油比低于100 m3/t，油井套壓波動不大，因此不對套壓進(jìn)行自動采集。優(yōu)化后的抽油機(jī)井采集點(diǎn)為油壓、電流、電壓、載荷和位移，繪制示功圖并上傳。

采集油壓主要是考慮到大慶油田冬季氣溫較低，油壓可直接反映單井管道凍堵及泄漏情況，提高處置及時性。在站場停電且通訊中斷的極端情況下，可實(shí)現(xiàn)井口超壓聯(lián)鎖自動停井，避免冒罐、管道穿孔事故的發(fā)生，同時，油壓對于工況反映較為直接，可根據(jù)油壓變化趨勢實(shí)現(xiàn)事故預(yù)警。

采集電流可實(shí)現(xiàn)盜竊電預(yù)警，通過變電所變壓器前端電流與單井設(shè)備總電流的差值，可監(jiān)測偷盜電情況；采集電壓可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率加密測試，通過錄取的電流、電壓、功率值計算出單井的系統(tǒng)效率，可實(shí)時掌握系統(tǒng)效率情況。

采集載荷、位移，繪制示功圖，利用示功圖實(shí)時對油井工況進(jìn)行判斷，計算出油井產(chǎn)液量。根據(jù)工況和產(chǎn)液異常程度進(jìn)行分級預(yù)警提示，縮短對故障油井的判斷和處理時間。

2.5 優(yōu)化注水井實(shí)施方案

注水井參數(shù)采集實(shí)施方案分為采集型和控制型，根據(jù)生產(chǎn)的不同需求進(jìn)行優(yōu)化選用。采集型對注水井油壓、瞬時注入量、累計注入量進(jìn)行采集及數(shù)據(jù)上傳；對注水量需實(shí)時監(jiān)控和精確調(diào)整的注水井，采用控制型，在采集型基礎(chǔ)上，增設(shè)注水量實(shí)時遠(yuǎn)程自動調(diào)節(jié)功能。

在示范工程建設(shè)時，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需求進(jìn)行實(shí)施方案優(yōu)選，如，采油五廠數(shù)字化建設(shè)工程中，由于杏南地區(qū)注水量相對穩(wěn)定，單井調(diào)節(jié)頻次較低，因此按照采集型采集注水井單井壓力與流量數(shù)據(jù)，采用電池供電，降低工程投資；而高臺子油田和太北作業(yè)區(qū)注水井注水量調(diào)節(jié)較為頻繁，采用控制型，在對注水井單井壓力與流量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的同時，增設(shè)流量控制裝置，實(shí)現(xiàn)注水量實(shí)時遠(yuǎn)程自動調(diào)節(jié)。

2.6 優(yōu)化站場建設(shè)模式

隨著大慶油田開發(fā)力度的不斷增大，大中型站場數(shù)量不斷增長，對人力資源需求進(jìn)一步增加。大慶油田中型站場主要包括轉(zhuǎn)油站、注水站、注入站、變電所；大型站場主要包括轉(zhuǎn)油放水站、放水站、脫水站、污水處理站及配制站，以及2座及2座以上生產(chǎn)站場合建的聯(lián)合站。為控制生產(chǎn)用工，提高管理水平，在數(shù)字化建設(shè)時對站場采取集中監(jiān)控建設(shè)模式。

（1）中型站場采用“區(qū)域集中監(jiān)控，站場無人值守”模式

2015年以來，大慶油田在產(chǎn)能建設(shè)項目中，在注入站嘗試采用中心站遠(yuǎn)程集中監(jiān)控模式。如，采油一廠在2016年北一區(qū)產(chǎn)能項目中，建設(shè)區(qū)域內(nèi)新建二元調(diào)配站1座，將周邊已建5座注入站的生產(chǎn)信號通過通信光纜上傳至新建的二元調(diào)配站中控室集中管控。注入站工藝設(shè)備維護(hù)人員由分散在單一站點(diǎn)的分散管理模式，轉(zhuǎn)變?yōu)榫S護(hù)人員集中在區(qū)域生產(chǎn)管理中心定期檢修、應(yīng)急處理的集中管理模式，并且站場不再設(shè)置值班人員，人員全部集中到區(qū)域生產(chǎn)管理中心。

在此基礎(chǔ)上，對示范工程站場典型流程進(jìn)行HAZOP（危險與可操作性）分析，針對站場存在的安全風(fēng)險制定措施。如，針對加熱爐燃料氣泄漏著火的風(fēng)險，設(shè)置總?cè)剂蠚夤艿谰o急關(guān)斷電動閥門等，通過適當(dāng)增設(shè)采集點(diǎn)位，保障站場安全運(yùn)行；同時，對儀表系統(tǒng)進(jìn)行全面改造完善，重要工藝參數(shù)全部進(jìn)入站控系統(tǒng)，站場建設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及周界報警系統(tǒng)，生產(chǎn)運(yùn)行工藝參數(shù)和生產(chǎn)狀態(tài)信息實(shí)時上傳區(qū)域管理中心。站場工藝設(shè)備維護(hù)人員和站內(nèi)值班人員均集中到作業(yè)區(qū)生產(chǎn)管理中心，實(shí)現(xiàn)對站場生產(chǎn)的實(shí)時監(jiān)控、自動保護(hù)及遠(yuǎn)程操作。

（2）大型站場采用“多崗合并，集中監(jiān)控”建設(shè)模式

大慶油田于 2009年提出大中型站場進(jìn)行合崗設(shè)計的理念。如，2009年建設(shè)的肇 35轉(zhuǎn)油注水站為小型多功能站，該站由轉(zhuǎn)油站、注水站兩個部分組成。該站通過合崗設(shè)計，將集油閥組間與油水泵房合建為1棟廠房，將燃?xì)馀潘?、事故排污池、燃?xì)夥趴漳夯厥粘睾辖?個排污池；同時，轉(zhuǎn)油站和注水站共用維修間、庫房等生產(chǎn)輔助廠房，轉(zhuǎn)油站、注水站配電室變壓器區(qū)合一；轉(zhuǎn)油站排污池與注水站排水池共用，且與生活水蒸發(fā)池聯(lián)合設(shè)置。通過以上措施，減少站場建構(gòu)筑物數(shù)量的同時，節(jié)省了占地面積。

合崗設(shè)計在一定程度上緩解了用工不足的情況，但是由于控制系統(tǒng)設(shè)置分散，又沒有通過工藝改造增加保障生產(chǎn)的安全措施，沒有適當(dāng)提高工藝自動化水平，因此維護(hù)和巡檢工作量沒有減少，員工的勞動強(qiáng)度也沒有減輕。為解決上述問題，2013年大慶油田提出生產(chǎn)站場集中監(jiān)控的設(shè)計方針和管理理念，即取消傳統(tǒng)分崗管理模式，建設(shè)中控室，將各生產(chǎn)單元統(tǒng)一監(jiān)控，集中管理，各分崗不再設(shè)置值班人員。并且于 2015年發(fā)布了 Q/SY DQ1677—2015《大慶油田原油站場集中監(jiān)控設(shè)計規(guī)定》，對大中型站場生產(chǎn)過程參數(shù)采集及監(jiān)控進(jìn)行了詳細(xì)要求，為后續(xù)集中監(jiān)控站場規(guī)劃方案設(shè)計提供了指導(dǎo)。

大型站場示范工程實(shí)施“多崗合并，集中監(jiān)控”建設(shè)模式。站場數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控執(zhí)行Q/SY DQ1677—2015《大慶油田原油生產(chǎn)站場集中監(jiān)控設(shè)計規(guī)定》的相關(guān)要求，實(shí)現(xiàn)站場相關(guān)生產(chǎn)參數(shù)的自動采集，同時，站場建設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及周界報警系統(tǒng)。建設(shè)中心控制室，對工藝生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視和控制，各生產(chǎn)單元不設(shè)置分崗顯示操作設(shè)施，當(dāng)工藝單元檢測控制點(diǎn)較多時，為減少進(jìn)出中心控制室的線纜數(shù)量，設(shè)置就地 I/O（輸入/輸出）數(shù)據(jù)采集控制裝置，再通過有線光纜將數(shù)據(jù)上傳至中心控制室。整個站場的生產(chǎn)過程在中心控制室集中監(jiān)控，值班人員采用定期巡檢的方式對各生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行檢查。同時，中心控制室將數(shù)據(jù)上傳至廠級生產(chǎn)調(diào)度中心，對生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控、分析和預(yù)警。

3 下一步工作建議

“十三五”以來，國內(nèi)各油田紛紛將數(shù)字油田列為企業(yè)信息化發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，油田地面工程向智能化、智慧化發(fā)展。為加快數(shù)字化建設(shè)步伐，大慶油田在前期探索實(shí)施、調(diào)研論證的基礎(chǔ)上，本著簡化、優(yōu)化、實(shí)用的原則，通過示范工程建設(shè)，不斷優(yōu)化數(shù)字化建設(shè)方案，形成適合高含水老油田的數(shù)字化建設(shè)模式。今后，為了更好地推進(jìn)全油田地面工程數(shù)字化建設(shè)，建議如下：

一是積極跟蹤無線儀表技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用測試。

為了測試無線儀表技術(shù)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，目前相關(guān)無線儀表廠家正在進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用測試。建議有關(guān)單位積極跟蹤現(xiàn)場應(yīng)用測試結(jié)果，不斷完善方案，為今后推廣使用提供依據(jù)。

二是完善標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計圖集。

建議對典型站場在數(shù)字化建設(shè)模式下的運(yùn)行情況進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研。對各類站場生產(chǎn)流程進(jìn)行深入研究，與主管部門和生產(chǎn)單位充分結(jié)合，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要進(jìn)一步優(yōu)化、細(xì)化站場自控采集及控制點(diǎn)。根據(jù)優(yōu)化后井站數(shù)字化建設(shè)模式，升版井、站的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，完善有關(guān)數(shù)字化建設(shè)的相關(guān)內(nèi)容。

三是在建設(shè)的同時開展物聯(lián)網(wǎng)深化應(yīng)用研究。

建議積極開展數(shù)據(jù)的應(yīng)用分析工作，加強(qiáng) A11（中國石油勘探與生產(chǎn)分公司油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)）與A4（中國石油勘探與生產(chǎn)分公司地理信息系統(tǒng)）、A5（中國石油勘探與生產(chǎn)分公司采油、地面工程運(yùn)行管理系統(tǒng)）等系統(tǒng)的資源共享和數(shù)據(jù)融合，通過數(shù)字化采集的海量數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立各種數(shù)據(jù)模型及功能模塊，實(shí)現(xiàn)油田由數(shù)字化逐步向智能化轉(zhuǎn)變，并最終實(shí)現(xiàn)智慧油田。