拉運(yùn)式原油生產(chǎn)全過程管控技術(shù)研究

高忠獻(xiàn) 陳燕 王進(jìn)修 葛紹軍 王天宇 閆暄崎 賈俊杰

1華北油田公司工程技術(shù)研究院

2渤海鉆探工程技術(shù)研究院

3華北油田公司第一采油廠

油田原油運(yùn)輸大多采用管道集輸方式[1]，而對于地處偏遠(yuǎn)地區(qū)的油井，采用汽車?yán)\(yùn)方式進(jìn)行運(yùn)輸。油田拉油點傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式是在拉油點安排人工值守，通過人工巡視方式來掌握各拉油點的拉油計劃，由值守人員監(jiān)督拉油車前來拉油點拉油。拉油車裝油完畢后，值守人員給拉油車油罐閥門加裝一次性鉛封，拉油車駛離拉油點，拉油車到達(dá)卸油點后在值班人員的監(jiān)督下拆除鉛封后卸油。這種拉油點油罐存儲、汽車?yán)\(yùn)原油的方式稱為拉油儲運(yùn)方式，它與管道儲運(yùn)方式共同構(gòu)成了油氣儲運(yùn)系統(tǒng)。油田拉油點又稱作邊零井拉油點，這些邊零井拉油點由于地處偏遠(yuǎn)、拉運(yùn)線路長、管理難度大，成為監(jiān)管的難點[2]。拉油點原油生產(chǎn)方式雖有人工監(jiān)督和鉛封，但仍然存在失控風(fēng)險和管理漏洞。

汽車?yán)\(yùn)方式始終缺乏有效監(jiān)管手段。首先，裝卸油過程由人工操作，身份校驗完全依靠現(xiàn)場值班人員，缺少技防手段；拉運(yùn)交接依靠員工口頭上報或紙質(zhì)記錄，不能實時監(jiān)管與過程追溯[3]。其次，沒有在線式液位監(jiān)測裝置，不能實時準(zhǔn)確反映儲油罐液位及變化趨勢，拉油量與卸油量無法對比，無丟油確認(rèn)機(jī)制。再次，不能實時掌握拉油車位置、行車軌跡、滿載率、油罐口開關(guān)狀態(tài)，運(yùn)費(fèi)計算依賴于拉油車，過于被動。最后，傳統(tǒng)鉛封為一次性機(jī)械鉛封，技術(shù)含量低、易被破解和仿制；傳統(tǒng)鉛封消耗量大，不能重復(fù)使用，成本較高；鉛封狀態(tài)不能實時上報，監(jiān)管效率低。

1 拉油點原油生產(chǎn)全過程管控技術(shù)

當(dāng)前信息化技術(shù)特別是物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，為惡劣工況下數(shù)據(jù)采集、偏遠(yuǎn)地區(qū)遠(yuǎn)程通信提供了技術(shù)條件，使拉油點原油拉運(yùn)全過程管控成為可能。面對目前裝油-運(yùn)油-卸油全過程監(jiān)管方式存在的漏洞，提出以下技術(shù)手段予以解決：①拉運(yùn)車輛對口管控：將拉油點、油罐車、卸油點信息錄入系統(tǒng)，通過拉油點和卸油點現(xiàn)場安防設(shè)備的身份驗證與遠(yuǎn)程授權(quán)方式，對拉油點油罐及拉油罐車油罐閥門進(jìn)行施封、解封操作；②拉運(yùn)油量對口管控：通過采集拉油點儲油罐液位變化，實現(xiàn)拉油量測量，通過拉油罐車在卸油點卸油前后質(zhì)量變化，實現(xiàn)卸油量測量，通過拉油量、卸油量對比估算油量損失情況；③拉運(yùn)路線與時間對口管控：通過采集罐車閥門電子鎖狀態(tài)、行車路線與時間實時監(jiān)控，對各種異常情況隨時報警，防止中途盜油事件發(fā)生；④運(yùn)費(fèi)對口管控：通過管控平臺對拉油罐車的位置信息、行車?yán)锍踢M(jìn)行監(jiān)視與測量，對行車運(yùn)費(fèi)自動計量，使運(yùn)費(fèi)計量更加客觀。以上4 個對口管控技術(shù)涵蓋了拉油點原油生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，通過嚴(yán)格把握這4 個對口管控，可達(dá)到拉油點原油生產(chǎn)全過程防盜油、節(jié)約運(yùn)費(fèi)、交接有依據(jù)的目的，并且可以減少勞動量，問題可追溯。

圖1 為油田拉油點原油生產(chǎn)全過程管控系統(tǒng)原理圖。拉油點原油生產(chǎn)全過程涉及到拉油點、拉油罐車運(yùn)輸途中、卸油點3 個環(huán)節(jié)，每一個環(huán)節(jié)拉油罐車都受監(jiān)控中心監(jiān)視或控制，以保障車輛、路線、運(yùn)費(fèi)、拉油量正確。由于拉油點地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，井與井之間過于分散，通信網(wǎng)絡(luò)難以獨自建立，本文采用4G 公網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)與視頻[4]。由于動態(tài)視頻流量過大導(dǎo)致通信費(fèi)用高，為解決流量矛盾，采用傳輸靜態(tài)圖片方式監(jiān)視拉油過程。

圖1 油田拉油點原油生產(chǎn)全過程管控系統(tǒng)方框圖Fig.1 Block diagram of the oil hauling point whole-process control system of crude oil production in the oilfield

1.1 拉油點數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)

拉油點通常位于單井井場，其功能是臨時存儲油井生產(chǎn)的原油，等待拉油車將原油拉走，其核心為儲油罐。拉油點數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)主要完成的功能為拉油點儲油罐的液位監(jiān)測與閥門控制、儲油罐視頻監(jiān)控、拉油車閥門電子鎖授權(quán)控制等。文中涉及到39 個拉油點，每個拉油點井場情況及數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控設(shè)備布局如圖2 所示。每個拉油點安裝一套智能測控柜，用于數(shù)據(jù)采集與通信；儲油罐安裝一套靜壓式液位計，用于測量油罐液位，通過液位差換算拉油量[5]；儲油罐鶴管安裝一套閥門電子鎖及控制裝置；正對儲油罐鶴管方向設(shè)置一臺高清攝像機(jī)，用于監(jiān)視鶴管和拉油車，同時配備語音警示與對話裝置，用于語音交互。

圖2 單井及拉油點數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of data acquisition and monitoring subsystem for single well and oil hauling point

拉油車到達(dá)拉油點，拉油點采用無線通信自動檢測拉油車信息，攝像機(jī)自動啟動進(jìn)行拍照，拉油者向作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心提出拉油申請，監(jiān)控中心人員通過攝像機(jī)和無線身份識別裝置鑒定拉油者身份后，向拉油點鶴管電子鎖、拉油車裝油口電子鎖授權(quán)開鎖，則拉油者獲得了拉油授權(quán)，可以打開儲油罐鶴管閥門和拉油車裝油口閥門[6]。拉油車裝油完畢后，狀態(tài)信息反饋至監(jiān)控中心，經(jīng)監(jiān)控中心人員核實后，將鶴管電子鎖、拉油車裝油口電子鎖閉合。拉油車離開后，攝像機(jī)停止攝像。

1.2 單井?dāng)?shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)

如圖2 所示，單井油井將原油就近輸送至其所屬拉油點，成為拉油系統(tǒng)的一部分。每口單井需要采集的參數(shù)有：抽油機(jī)電參量、抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、抽油桿懸點載荷、沖程、井口壓力、抽油機(jī)遠(yuǎn)程啟停狀態(tài)、井口視頻[7]。后臺系統(tǒng)通過抽油桿懸點載荷、沖程可得到油井示功圖，進(jìn)而可以分析抽油機(jī)產(chǎn)量、管桿泵狀態(tài)。單井?dāng)?shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)需要安裝的硬件設(shè)備包括：油井RTU（遠(yuǎn)程終端單元）、電量采集模塊、載荷傳感器、帶語音警示功能的攝像機(jī)以及通信模塊[8-9]。油井RTU 與拉油點智能測控設(shè)備共用一個柜體，用于監(jiān)視油井井口的攝像機(jī)與拉油點攝像機(jī)同桿架設(shè)。

當(dāng)單井與所屬拉油點距離較近時，單井?dāng)?shù)據(jù)采集設(shè)備與拉油點數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝于同一測控柜內(nèi)，便于集中維護(hù)與管理；當(dāng)單井與所屬拉油點距離較遠(yuǎn)時，單井?dāng)?shù)據(jù)采集設(shè)備與拉油點數(shù)據(jù)采集設(shè)備分開放置于不同測控柜內(nèi)。

1.3 拉油車數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)

拉油車用于將拉油點油井生產(chǎn)的原油拉運(yùn)至卸油點，涉及到原油拉運(yùn)生產(chǎn)全過程，是監(jiān)控的重點。拉油車數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)用于監(jiān)視拉油車從停車場出發(fā)，經(jīng)過拉油、運(yùn)油、卸油過程后返回停車場整個過程。在每個拉油車頂部裝油口和底部放油口閥門處分別安裝一套電子鎖；車內(nèi)安裝GPS和北斗雙定位系統(tǒng)（互為冗余），確保車輛跟蹤持續(xù)有效[10]；測控箱固定于車體，內(nèi)含控制與通信裝置，用于電子鎖的開關(guān)控制、鎖的狀態(tài)監(jiān)視和車輛定位信息傳輸。在運(yùn)輸途中GPS（或北斗）定位模塊實時地向監(jiān)控中心發(fā)送地理坐標(biāo)、時鐘信息，通過定位系統(tǒng)實現(xiàn)對拉油車運(yùn)輸線路跟蹤，以及行車?yán)锍毯蜁r間計量，同時控制與通信系統(tǒng)將電子鎖開閉狀態(tài)傳輸至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心可以實時監(jiān)視拉油車運(yùn)行軌跡和電子鎖開閉情況。當(dāng)以上參數(shù)與預(yù)定參數(shù)差異過大時，后臺系統(tǒng)就會給出報警提示，并將異常信息記錄下來。拉油車裝油完畢且電子鎖閉合后，無法在途中打開拉油車油罐閥門，只能在卸油點解鎖。通過計算拉油量和拉油車罐體容積之比獲得滿載率，滿載率過低系統(tǒng)會報警，避免拉油車“空罐”運(yùn)油，提高拉運(yùn)效率。

1.4 卸油點數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)

卸油點用于接收拉油車?yán)\(yùn)的原油，將原油輸入密閉管道，最終進(jìn)入原油外輸系統(tǒng)。由于只有卸油點存在油量計量，拉油點無法計量，油量交接時拉油量完全按照卸油量計算，致使中途丟油無法判別，更無法計量損失大小。為解決以上問題，每個卸油點安裝一套數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)，包括高清攝像機(jī)、無線信號區(qū)域覆蓋裝置、卸油量檢測裝置、含水率在線分析儀。高清攝像機(jī)可實現(xiàn)車牌號碼識別，無線信號區(qū)域覆蓋裝置可實現(xiàn)車輛在卸油點區(qū)域內(nèi)控制及身份識別，卸油量檢測裝置通過卸油點稱重流程，采集2 次地磅數(shù)據(jù)，經(jīng)過做差比較獲得卸油量。由于卸油點基礎(chǔ)建設(shè)條件較好，多數(shù)采用光纖通信，即使采用微波通信的卸油點，通信帶寬也足以滿足視頻圖像連續(xù)傳輸，因此卸油點通信無需4G 公網(wǎng)[11]。如圖3 所示，當(dāng)拉油車到達(dá)卸油點，卸油點無線信號自動檢測拉油車信息，攝像機(jī)自動啟動進(jìn)行錄像拍照，拉油者向作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心提出卸油申請，監(jiān)控中心人員通過攝像機(jī)和無線身份識別裝置，鑒定拉油者身份并得到卸油點值班人員確認(rèn)后，向拉油車油罐放油口電子鎖授權(quán)開鎖，則拉油者獲得了卸油授權(quán)，可以打開拉油車油罐放油口閥門[12]。同時卸油點數(shù)據(jù)采集裝置采集拉油車所卸油的質(zhì)量及含水率，卸油量顯示界面如圖4 所示。拉油車卸完油后，拉油者向監(jiān)控中心反饋卸油完畢信息，監(jiān)控中心確認(rèn)卸油完畢。拉油車離開卸油點后，攝像機(jī)停止攝像。

圖3 卸油點布局及數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of oil unloading point layout and data acquisition and monitoring subsystem

1.5 后臺管控系統(tǒng)

后臺管控系統(tǒng)設(shè)置于監(jiān)控中心，用于原油拉運(yùn)總體指揮與監(jiān)管。只有通過后臺系統(tǒng)向拉油點、拉油車、卸油點授權(quán)打開其電子鎖，才能從鶴管放油或向拉油車裝油。同時拉油車的行車路徑、里程、車載閥門電子鎖的狀態(tài)都呈現(xiàn)在后臺顯示設(shè)備上，為后臺管控人員提供決策依據(jù)[13]，顯示界面如圖5所示。如有異常，系統(tǒng)將主動報警，提醒后臺管控人員及時處理。后臺系統(tǒng)主要功能包括：

圖5 油田拉油點全過程管控系統(tǒng)顯示界面Fig.5 Display interface of whole-process control system of oil hauling point in the oilfield

（1）根據(jù)拉油點油罐液位計算油罐油量，通過拉油前后液位差計算拉油量。

（2）監(jiān)控與識別拉油點拉油車的信息。

（3）拉油點油罐電子鎖、拉油車電子鎖遠(yuǎn)程開啟與關(guān)閉，監(jiān)視拉油車油罐閥門電子鎖狀態(tài)。

（4）監(jiān)視單井電參量、載荷、沖程、井口壓力、井口視頻，根據(jù)載荷與沖程計算油井示功圖，根據(jù)抽油機(jī)運(yùn)行電流判斷抽油機(jī)狀態(tài)，抽油機(jī)遠(yuǎn)程啟、停機(jī)控制等。

（5）監(jiān)控車輛運(yùn)行軌跡。

（6）自動識別卸油點車輛車牌號，并與預(yù)先設(shè)置的信息進(jìn)行比對。

（7）計算卸油量，并與拉油量進(jìn)行比對。

（8）根據(jù)裝卸油時間、拉運(yùn)里程自動計算運(yùn)費(fèi)，判別車輛運(yùn)行異常狀態(tài)。

（9）各種異常信息報警。

（10）統(tǒng)計分析與自定義報表功能。

后臺系統(tǒng)設(shè)備包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、視頻服務(wù)器、數(shù)據(jù)監(jiān)控計算機(jī)及軟件、視頻監(jiān)控計算機(jī)及軟件。后臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用B/S 模式，數(shù)據(jù)中心設(shè)置服務(wù)器集中處理、存儲前端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)和視頻，各作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心均通過訪問數(shù)據(jù)中心服務(wù)器獲得前端設(shè)備數(shù)據(jù)[14]，如拉油點、卸油點、拉油罐車、單井運(yùn)行參數(shù)。

2 效益分析

油田拉油點原油拉運(yùn)全過程管控技術(shù)已在中石油華北油田分公司第一采油廠5 個作業(yè)區(qū)39 個拉油點實施，取得了良好的效果。本項目的經(jīng)濟(jì)效益主要表現(xiàn)在提升運(yùn)輸效率、降低運(yùn)輸成本、減少原油損失方面。除建設(shè)投資外，增加的成本主要是維護(hù)費(fèi)、通信費(fèi)，節(jié)約的成本主要是人工成本、鉛封費(fèi)用、運(yùn)費(fèi)。效益計算如下：

（1）本項目整體投資540 萬元，按10 年壽命計算，年均投資54 萬元。

（2）年維護(hù)費(fèi)用為投資的10%，即54 萬元。

（3）按照項目運(yùn)行時中國電信的無線流量通信資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，一個拉油點10G流量的月費(fèi)用為200元，由于在接收端還需要同樣的流量費(fèi)用，單個拉油點的年流量費(fèi)用為4 800 元，39 個拉油點年費(fèi)用為18.72 萬元。由于拉油車傳輸數(shù)據(jù)量較小，流量費(fèi)用相對較低，每輛車年通信費(fèi)用為420 元，全廠31輛拉油罐車年費(fèi)用為1.30 萬元。通信費(fèi)用每年總體投資為20.02 萬元。

（4）通過該項目的實施，需要人工參與的工作量大幅減輕，拉油點實現(xiàn)無人值守，卸油點實現(xiàn)少人值守，全廠節(jié)約人工20人，人工成本按15萬元/年計算，每年節(jié)約人工成本300 萬元。

（5）原39 個拉油點每天拉運(yùn)78 次，每次拉運(yùn)消耗物理鉛封3 根，通過該項目的實施，拉油車減少鉛封8.54 萬根，每根鉛封按10 元計算，每年可節(jié)約鉛封成本85.41 萬元。

（6）通過GPS 定位系統(tǒng)精確地計量行車?yán)锍?；通過異常警告措施，避免了人為延長運(yùn)輸里程和時間；通過監(jiān)測滿載率，避免空車運(yùn)油。以上措施可節(jié)約運(yùn)費(fèi)1%，即22.57 萬元。

年效益=年節(jié)約人工成本+年節(jié)約鉛封成本+年節(jié)約運(yùn)費(fèi)-年均投資-年維護(hù)費(fèi)-年通信費(fèi)=279.96萬元。

通過以上計算，該項目的實施每年可以為企業(yè)帶來279.96 萬元的效益，投資回收期為1.9 年，效益狀況優(yōu)秀。由于該技術(shù)有效遏制了原油拉運(yùn)途中偷盜油事件的發(fā)生，也將產(chǎn)生一定的效益。

3 結(jié)論

為緩解拉油點原油生產(chǎn)與成本、交接計量、運(yùn)費(fèi)計量的矛盾，同時遏止偷盜油事件發(fā)生，以拉運(yùn)車輛、油量、路線、運(yùn)費(fèi)對口為管控目標(biāo)，采用先進(jìn)的技術(shù)措施，通過遠(yuǎn)程授權(quán)方式開閉相關(guān)閥門電子鎖，采集拉油量、卸油量并比對，拉油車輛由GPS 定位定時計量運(yùn)費(fèi)，拉、卸油點通過視頻監(jiān)控識別車輛與人員，成功實現(xiàn)了對口管控，達(dá)到了預(yù)期目的。經(jīng)過一系列的自動化改造后，原有的拉油生產(chǎn)方式被新的生產(chǎn)方式取代，使全廠拉油點、拉油車、卸油點全部納入一個綜合監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，使原油拉運(yùn)得到全過程全時段管控，使數(shù)據(jù)獲取更加及時、準(zhǔn)確。該項目的實施，極大地提高了生產(chǎn)效率和預(yù)防盜油風(fēng)險的能力，也為油田用電能耗分析、大數(shù)據(jù)分析奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。