油气生产物联网系统构建与应用：提升油气田管理效率与决策准确性

物联网技术在油气生产中的应用

李建华、薛广民、陈兵

（北京中友瑞飞信息技术有限公司 北京 100007）

摘要：文章分析了国内油气田生产管理现状，构建了油气生产物联网系统的总体架构和技术方案。油气生产物联网系统由采集控制子系统、数据传输子系统、生产现场监控管理子系统组成。系统具有生产动态实时监控、生产信息统计分析、生产状况实时诊断、关键报警集中显示等功能。具有设备资产在线管理、生产调度指挥管理、环境监测等功能。控制、燃气监测、防盗防漏监测、故障预警、系统管理、数据管理、物联网设备管理等功能可以使油气生产过程管理更加精细化、智能化，提高油气生产过程的及时性和准确性。油气田生产决策。优化生产管理流程和组织架构，为油气生产精细化管理奠定技术基础。

关键词：石油和天然气生产；物联网；采集和控制子系统；数据传输子系统；生产现场监控管理子系统

油气生产物联网技术在油气生产中的应用

陈兵郭月明

（北京瑞飞信息技术有限公司，北京100007）

摘要：分析了国内油气生产管理现状，构建了油气生产物联网系统的总体架构和技术方案。油气生产物联网系统主要由采集控制子系统、数据传输子系统和监控管理子系统组成。该系统具有油气生产动态实时监测、生产信息统计分析、生产工况实时诊断、流程智能优化、关键报警集中表达、生产设备管理等应用功能。生产指挥与控制。

该系统使油气生产过程管理更加精细化、智能化，提高油气生产决策的及时性和准确性，优化生产管理流程和组织结构，为油气生产精细化管理奠定技术基础。

关键词：石油天然气生产；物联网；采集与控制子系统；数据传输子系统；监控管理子系统

随着射频识别、红外传感器、激光扫描仪等信息传感设备的出现，以及互联网的广泛普及，物联网已成为未来信息化发展的必然趋势。中国石油集团公司在“十二五”信息化规划中设立物联网项目，牵头开展物联网应用研究，致力于建设油气生产物联网系统。当前油气生产中，油气生产流程主要包括油气举升、注入、计量、油气集输、油气加工等，这些生产环节大多采用传统生产工艺。现有的生产组织形式主要是人工管理，效率低下。较低，稳定性较差，安全风险较高。为了满足自身生产需要，一些油田建立并投入使用了自己的生产现场监控管理系统和视频监控系统。这些系统是软件开发公司和油田用户根据各自油田生产的特点和实际情况共同开发的。主要是为了满足各级目标用户生产经营管理的实际需要。由于区域气候条件、油藏地质和社会环境的差异性，各油田开发的系统功能存在一定差异，尚未形成统一、开放的系统[1-5]。

根据中国石油天然气集团公司“十二五”总体规划和当前各油气田的实际要求，迫切需要加快建设统一开放的油气生产管理信息平台，整合先进的信息技术与工业生产实际相结合，提高生产作业的自动化程度。 ，保障油气生产持续、安全、稳定、高效运行，提高油气田生产决策的及时性和准确性，优化生产管理流程和组织架构，从而为油气田精细化管理奠定技术基础。天然气产量。

1、油气生产物联网系统的系统架构

石油天然气生产物联网建设是在井场、站场、仓库安装自动数据采集、监控装置和自动化控制设备，实时采集各种生产数据和工业视频信号，并将这些数据和信号传输到生产现场。后方生产调度通过网络指挥中心或中央控制室进行集中管理和控制，利用生产运行管理系统对采集到的信息进行汇总、综合处理和分析，提供生产指挥决策支持，实现生产作业自动化、生产作业可视化的目的，并使管理决策系统化[6,7]。

油气生产物联网系统由感知层、传输层和应用层组成。油气生产物联网系统架构如图1所示。传感层由安装在油气生产设备上的各种传感装置和控制装置组成。通过有线/无线温度变送器、有线/无线压力变送器、流量计等传感器，对油气井及集输管网进行自动采集。以及油气处理站的生产数据，从而实现生产状态的全面感知和各种设备的自动控制；传输层采用有线数据传输和无线数据传输相结合的方式，将现场传感器采集的井场、站站生产数据和视频信号传输至油气田监控指挥中心。其中，距离车站较近的井场、油库通过有线网络连接，主要采用光缆传输；井场和远程油库的生产和视频数据通过无线异构网络进行传输，无线传输技术包括多载波无线信息本地环路（McWiLL）、全球微波互联网接入（WiMAX）、通用分组无线业务（GPRS）、数据传输等。无线电传输等；应用层主要功能包括生产动态实时监控、生产信息统计分析、生产状况实时诊断、关键报警集中显示、设备资产在线管理、生产调度指挥管理等。除环境监测、瓦斯监测、防盗防漏监测、故障预警、系统管理、数据管理、物联网设备管理等功能外，还可以使油气生产管理更加精细化、智能化。

图1 油气生产物联网系统架构图

图1 油气生产物联网系统结构

2 油气生产物联网系统功能架构

油气生产物联网系统的整体功能是实时采集采集油井、阀室、中转站、联合站、水源井、管道等现场设备单元的生产数据和视频图像，通过有线或无线传输与油田进行通讯。企业网络互联，通过分析计算对数据进行分类、组合，并以文本、报表、图形、图像等形式实时显示，实现对生产设备的控制。机组远程监控；同时对各设备单元的数据进行整合计算，为生产部门提供相应的辅助分析功能；此外，通过系统的电子巡检功能和视频智能分析功能，对各设备单元产生的故障和异常进行分析。对数据、非法入侵等提供预警和报警；最终实现源数据一次性采集、全球授权共享以及对各类应用系统的无缝支持。

油气生产物联网系统的功能设计需要满足油气田日常生产作业、生产管理、生产监控、设备管理、成果展示等需求。根据油气生产的实际现状和生产过程中反映出来的不足和问题，油气生产物联网建设应立足于解决以下问题：

（1）实时显示生产概况，如油气厂的生产状态、产量、注水量等；

（二）实现高危环境和重点区域生产环境的可燃、有毒气体监测和视频监控；

（3）自动生成、存储、查询井、站、作业区的生产报表和曲线；

（4）自动控制生产过程，实现关键生产工序的闭环控制，提高生产运行的可靠性和稳定性；

（5）生产设备故障预警和报警；

（6）定期进行设备自检，对网络设备、现场仪表等设备进行定期自动巡检，定位故障原因。

油气生产物联网系统从功能上可分为三个子系统：采集控制子系统、数据传输子系统、生产现场监控管理子系统。油气生产物联网系统功能结构如图2所示。

图2 油气生产物联网系统功能结构图

图2 油气生产物联网系统功能

2.1 采集与控制子系统

采集控制子系统包括生产数据自动采集、生产环境自动监控、生产过程自动控制、物联网设备状态监控四大功能。

（1）生产数据自动采集：通过有线/无线温度变送器、有线/无线压力变送器、流量计等传感器，自动采集油气井、集输管网、油气处理站的生产数据。

（2）生产环境自动监控：通过摄像头、有害气体检测装置、自动报警装置等自动采集生产现场的环境信息，并将这些信息实时传输到实时数据库，对关键油品进行监控对气井、高风险井、重点场站、仓库、重点路口等生产环境，可进行有毒有害气体、污染源、空气质量在线监测，及时发现人为破坏和破坏行为。易燃和有毒气体浓度过高及时赶赴生产现场。

3）生产过程自动控制：通过ESD、控制阀等自动控制设备，油气井、仓库、加工站、接头站的生产过程实现自动控制、无人值守，减少人工要求和劳动强度。

4）物联网设备状态监控：监控网络中所有设备的工作状态、网络接入标识、空间位置等信息，实现对这些设备的远程集中管理和维护，确保系统安全、可靠、高效运行。

2.2 数据传输子系统

数据传输子系统采用有线数据传输和无线数据传输相结合的方式，将现场传感器采集的井场、站站生产数据和视频信号传输至油气田监控指挥中心。其中，油气生产物联网建设中的有线传输主要部署到各油气田的采集站、转运站、联合站、注水站、集气站等站区。受关注的油井、天然气井和水井也可以考虑部署有线传输。

井场和远程站的生产和视频数据通过无线传输。无线传输技术包括多载波无线信息本地环路（McWiLL）、全球微波互连接入（WiMAX）、通用分组无线业务（GPRS）、数据传输站等。采用无线传输的油井、气井、水井将数据传输到油井、气井、水井等。油气生产物联网系统采集的生产数据通过无线传输到中央基站。中心基站通过有线传输连接到集团公司核心网，将生产数据传输到油气生产物联网系统。管理系统。

2.3 生产现场监控管理子系统

生产现场监控管理子系统包括工况分析、预测和优化功能、物联网网络和设备管理功能、生产运行管理功能三大功能。

(1)工况分析、预测及优化功能

生产现场监控管理子系统可以对生产现场采集的油气井、计量室、处理站以及集输管网的生产数据进行分析、优化和预测，传输到实时数据库。计量室和处理站的工况分析、预测和优化功能主要是实现现场实时远程数据采集、工况诊断、运行参数优化、智能控制和故障时自动应急处理；单油、气、水井工况分析预测与优化功能主要实现油气井生产数据的实时管理、实时分析、实时优化、实时控制、智能预测等，从而实现精细化、智能化管理。

(2)物联网网络及设备管理功能

生产现场监控管理子系统具有物联网网络管理和设备管理功能。物联网网络管理主要是指对网络拓扑、网络协议、网络时间同步、网络安全、网络健康状态、节点健康状态、网络通道、节点功能配置等的管理。网络管理水平和运行状态起着至关重要的作用。油气生产物联网平稳可靠运行的作用。设备管理主要是指监控压力仪表、温度仪表、流量计、测功机、摄像头、有害气体检测仪以及RFID读写器、网关、路由器等物联网终端设备的状态和运行情况。除了管理节点上的传感器和执行器之外，设备管理还包括监控节点能耗（尤其是电池供电的节点）和通道质量。此外，通过对车辆、油区、厂矿企业实施RFID标签管理，借助GPS、GIS系统，紧急救援可以快速调取事故点周边的救援信息，如医疗资源、消防资源、车辆等。资源，制定相应的应急预案。 ，对应急物资、应急队伍等达到良好的调度效果；还可以利用RFID技术、GPS定位技术、无线传输技术来跟踪和监控危险品的移动和运输过程，以及危险品的有效处理。

(3)生产运营管理功能

生产现场监控管理子系统可生成油气生产业务状态报表，实时监控生产动态，进行生产信息统计分析，实时诊断生产状​​况，实现关键报警集中显示，并在线设备资产的管理和生产。调度、指挥和管理功能。该子系统对应急预案进行可视化，可以跟踪应急预案的执行情况，并进行应急预案的模拟演练；可以分析每日、每周、每月、每季度、每年的业务运营情况，全景展示生产过程（包括地域、流程、组织、绩效、治理和经营成果等）。实时数据库和监控中心部署在油气生产部门，可将数据上传至总部数据中心，及时了解生产动态，实现生产管理、分析优化、指挥调度功能。

三、当前存在的问题

(1)传感器问题：目前单井常用的无线温度、压力传感器均采用自身电池供电。因此，如何降低传感器功耗、延长设备使用寿命是亟待解决的技术问题。另外，由于传感器制造的技术要求较高，传感器的生产目前还处于定制化生产阶段。单个传感器成本较高，难以满足油田大规模部署的需求。

（2）信息安全问题：由于油气生产物联网系统具有自动采集、传输生产数据、自动控制生产过程的功能，因此信息安全问题至关重要。由于集团公司各油气田单井数量多、分布广，如果全部采用有线传输进行部署，实施投资成本高、部署周期长、实施难度大。难度大，扩展能力差。它并不适合所有油气田。单井部署，大多采用无线数据传输。但由于信道的开放性，通信链路存在非常严重的安全隐患。因此，需要在调制和编码方法上采取相应的安全措施，采用安全性高的编码方法和调制方法来保证通信信道的安全。小区数据在空中传输时，如果不进行加密和处理，很容易被窃听和攻击。因此，在设计系统时，首先应考虑对单元数据进行必要的安全处理。由于终端接入设备计算能力的限制，复杂的安全认证机制通常无法使用，这也是当前信息安全技术遇到的挑战。

（3）行业标准不统一：由于油气生产物联网系统建设涉及多个学科、多个专业，解决方案也各不相同，因此标准相对分散，开放性较差。目前我国尚无相应的国家标准或行业标准可供参考。因此，为了实现不同厂家油气生产物联网产品的互联互通，降低系统运维成本，迫切需要统一油气生产物联网系统的建设标准。

4. 结论

本文分析了国内油气田生产管理现状，构建了油气生产物联网系统的总体架构和技术方案，并讨论了油气生产物联网系统面临的一些技术问题。油气生产物联网系统将物联网技术应用于油气生产。可实现油气井、计量室、油气站、油气管网等对象生产数据的自动采集、传输和处理。除了环境监测之外，还可以实现生产动态实时监控、生产信息统计分析、生产状况实时诊断、关键报警集中显示、设备资产在线管理、生产调度指挥管理等、燃气监测、防盗漏电监测、故障预警、系统管理、数据管理、物联网设备管理等功能。油气生产物联网系统可以使油气生产过程管理更加精细化、智能化，提高油气田生产决策的及时性和准确性，优化生产管理流程和组织结构，从而为精细化生产奠定技术基础。石油和天然气生产管理。

参考

[1]项有健着.突破数字化[M].机械工业出版社，2010，6：6。

[2] 贾玲、王新宇正在等待。物联网/无线传感器网络原理与实践[M]．北京航空航天大学出版社，2011，1：86。

[3] 谭朝东等.油水井远程监测液量自动测量分析系统[J].石油矿山机械, 2007, 36(1): 49~52.

[4] 谭朝东等.油井在线监测测量分析系统技术研究与应用[J].工业计量，2008，18(5)：1~4。

[5] 严雪峰,谭朝东,等.油井产量实时分析与优化专家系统PES的开发与应用[J].中国石油和化学工业，2009，22：61~64。

[6] UIT.ITU互联网报告：物联网[R].2005。

[7] 张辉.物联网技术架构及标准化进展[R]. 2010.08.