物联网在数字油田中的应用

作者:数字石油
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发布时间:2013-10-29 09:02:52
来源:数字石油

 

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    物联网在数字油田的核心应用是油井生产远程监控系统,该系统包括油井生产数据远程采集传输系统、油井生产远程分析管理系统、油井生产远程控制系统三个子系统。系统通过传感器、摄像头等设备对油气井生产数据进行采集。通过CDMA传输终端把信息发送至生产管理部门,以便其对信息进行分析管理,以掌握油井生产状况,并进行必要的远程控制。油井生产远程监控系统为油田高效开发、降低消耗、安全生产、减轻员工劳动强度、提高工作效率和管理水平提供了可靠的保障。
关键词:数字油田;物联网;控制系统;
1数字油田概述
11.1数字油田概念
    数字油田(digital oil fieldDOF)数字油田的概念最早可追朔到1991年,在当时的Oil&Gas》杂志上就出现了智能油田词汇和论述。但是.当时数字油田的确还是一个较为模糊的概念,尚处于构想阶段。不过,其基本思想却立即得到了普遍认可。我们常引用的是美国剑桥能源研究协会(Cambridge energy research associatesCERA)的数字油田概念:数字油田的愿景是不同地域的操作者、伙伴或服务公司通过使用改进的数据、知识管理、强大的分析工具、实时系统和更有效的业务流程等而受益。1999年,中国石油大庆油田有限责任公司(简称大庆油田)在国内首次提出数字油田的概念。并将数字油田作为企业发展的一个战略目标。
1.2数字油田的内涵和技术
    关于数字油田的定义有众多版本,通过查资料,我列出三种有代表性的定义。
(1)以大庆油田为代表的国内石油公司定义
    数字油气田是以油气田为研究对象,以石油气的整个生产流程为线索,建立勘探、开发、地面建设、储运销售以及企业管理等多专业的综合数据体系,并将各专业的数据和应用系统进行高度融合,在建立油气田生产和管理流程优化应用模型的基础上,利用可视化技术和模拟仿真以及虚拟现实等技术对数据实现可视化和多维表达。并且通过智能化分析模型,为企业经营管理提供辅助决策信息。进一步挖掘生产和管理环节的潜力,使信息化建设更好地服务于企业生产和管理,为油气田企业的发展创造良好的信息支撑环境。
(2)BP公司e-Field定义
    数字油田是技术和业务流程的集合。它们对油田的所有资产,从油藏到销售终端,实时地获取、监视和分析油田数据,提供实时的、连续的、远程的监控和管理。可以频繁地获取油藏图像;快速地浏览集成的油藏、井筒和设备单元的记录;使用门户等可视化工具方便地访问数据,并对其解释和模拟。基于对地表和地下预测模型技术的数字决策支持系统被用于分析实时数据和直接或间接地控制开发生产环境。
(3)Shell的Smart Fields的定义
一个贯穿整个设备资产生命周期的由“测量一模拟一控制(measure.model.control)”到“测量-监控-决策-执行(measure.Monitor.decide.execute)过程的转变。其核心思想和技术是闭环、优化和集成。

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图1数字油田示意图
 
    数字油田可以说就是油田信息化和自动化的代名词。是全面地应用信息技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术、石油勘探开发技术、现代管理思想、方法和技术等,对传统产业进行武装、提升和改造。在决策管理层、执行层和过程控制层以及企业内部和外部,全面提升生产技术能力、经营管理能力和市场应变力。它是企业发展战略的关键环节,是企业现代化的基本标志,是提高企业核心竞争力的重要手段,是走新型工业化道路的必然选择,是体制创新、管理创新和加强企业管理的重要途径,是科技进步的重要表现和组成部分,是带动各项工作提高水平的突破口,是企业求生存、图发展的必由之路。总之,数字油田是油田信息化的高级阶段,是油田信息化达到网络化、数字化、模型化和科学化的全新标志,是油田信息化的宏观目标,是油田信息化的重要里程碑,也是油田信息化的鲜明旗帜。图1是数字油田的示意图。
2物联网在数字油田的应用
    油田物联网是通过底层的感知层将生产过程参数转化为计算机可以识别的数字,通过传输网络将大量的数字传输到数据服务器,再通过运算、统计等手段将数据化为指导、优化生产的信息平台。油田物联网的硬件包括传感器、数据采集单元、传输网络、数据服务器、客户端计算机等;软件包括SCADA人机界面、数据库软件、数据挖掘和报表软件等;人员包括信息使用者(决策者及操作人员等)、维护人员、有非法入侵企图的破坏者。
22.2.1物联网概念
    物联网是指通过射频识别(RFID)、传感器、GPS等信息获取设备,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。物联网的延伸概念:将电子化、信息化渗透到各行各业的愿景。在机器之间、机器与人之间、人与现实环境之间实现高效的信息交互方式,并通过新的服务模式使各种信息技术融入社会行为。是信息化在人类社会综合应用中达到的更高境界。
22.2.2物联网与数字油田
    石油行业是物联网应用的重要行业,尤其是石油生产环节的数字油田的应用推广给全球物联网应用带来千载难逢的契机。中国电信作为国内最主要的物联网应用商之一,及时把握机会,对石油行业客户的物联网应用需求进行了一年多广泛而深入的调研,于2009年成功研发并推出服务于数字油田的物联网应用产品——基于CDMA通信网络的油井生产远程监控系统(以下简称“油井生产远程监控系统”)。作为数字油田的重要应用系统,油井生产远程监控系统通过对油井生产过程的自动化监测。实时地获取、监视和分析生产数据。提供实时的、连续的、远程的监控和管理。系统可以归纳为3个环节:数据采集、数据传输、远程监控,该系统属于典型的物联网应用。
22.3油井生产远程监控系统
2.3.1 系统概述
油井生产远程监控系统包括3个子系统:油井生产数据远程采集传输系统、油井生产远程分析管理系统、油井生产远程控制系统。油井生产远程监控系统实现了以生产基地中控室为中心的油田生产运行模式。中控室通过实时监测发现问题并发出远程控制指令。只有在远程系统无法解决的情况下,才需要技术人员到现场解决问题。这种模式不仅使职工的工作条件有了根本改善,也使现场工作效率大幅度提高。油田生产远程监控系统是数字油田的重要基础。随着信息技术和自动化工艺的不断发展,生产远程监控系统在油田生产中的应用越来越广。为油田高效开发、降低消耗、安全生产、减轻员工劳动强度、提高工作效率和管理水平提供了可靠的保障。系统通过传感器、视频摄像头等对油气井生产情况进行定期数据采集。通过CDMA终端把数据发送至前线中控室对数据进行分析管理,以掌握油井生产状况,并进行必要的远程控制,同时将数据传输至油田生产基地中控室。试点生产基地可以同步了解到油井生产情况,图2为该系统的架构示意图。

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图2油井远程监控系统架构
2.3.2油井生产数据自动采集传输系统
    油井生产远程监控系统的前端系统是油井生产数据自动采集传输系统。油井生产状况采集传输系统分为三种类型:第一种是一体化示功仪系统,第二种是全无线系统,第三种是丛式井系统。
(1)一体化示功仪系统
    系统主要设备是CDMA一体化示功仪。是以16位微处理器为核心,集采集、存储、2.4 Gbit/s ZigBee微功率无线模块和CDMA模块于一体的高精度功图采集终端,其结构如图3所示。示功仪安装在抽油机的抽油杆上,内置加速度传感器、载荷传感器、CDMA模块和电池。可实现油井核心数据采油机功图的自动采集、传输。一体化示功仪内的RTU模块将载荷传感器和加速度传感器采集来的数据进行滤波、计算处理,形成示功图,通过CDMA模块远程传输到生产基地服务器。系统也可以扩展采集油温、油压、电量等生产数据,传感器数据通过ZigBee模块无线发送至一体化示功仪上,而示功仪通过加装ZigBee接收模块,可获取传感器数据。整个系统具有安装简单、维护方便、可靠性高、性价比高等特点。

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图3一体化示功仪结构
(2)全无线采集传输系统
    所有的传感器都通过短距离无线传输(ZigBee)方式传输至数据采集传输终端(R1TU),由RTU传输至生产基地服务器。全无线系统适用于油田的所有井型,可以有效解决油田、油气和水井现场生产以及相关数据的实时采集、传输、处理等工作中的问题。通过远程实时监控,不仅可以大大降低成本,节能增效,减轻工人劳动强度,提高生产、工作效率,还可以有效防止破坏、盗窃采油设施的不法行为,保障油田生产安全。该系统的优点在于能够自动实时采集油水井工况的许多参数,这些参数包括载荷、位移、压力、温度、电参量、流量等,而且全部实现无线数据传输,避免了施工埋线、线缆老化等问题。系统具有安装维护简单、使用方便、功能齐全、性能可靠、运行安全等特点。全无线系统主要由以下部分组成:远程终端单元(RrI'U)、CDMA模块、ZigBee无线模块、无线一体化示功仪、无线压力传感器、无线温度传感器、无线流量计等,如图4所示。

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图4全无线系统结构
(3)丛式井系统
    丛式井系统适用于丛式井或距离不大于500m的井群。该系统中所有传感器统一编号.都通过无线模块与井群RTU交互数据。井群RTU协调DTU模块管理传感器网络,本地存储和显示所有井采集的数据和管理参数,负责将所有井数据通过DTU模块传送到服务器。该系统突破了远程控制终端单元只能管理一口井的瓶颈,减少了远程控制终端的使用数量,节省成本和通信费用,更大程度上优化了井群工况数据采集系统。对于丛式井或距离不大于500 m的井群.该系统提供了完整的解决方案。该系统的优点在于集中管理井群,节省大量的成本。还具有可靠、开放、灵活、性价比高等特点。丛式井系统包括:井群远程终端单元(井群RTU)、数据传输模块(DTU)、无线模块、各种传感器,如图5所示。无线传感器包括无线一体化示功仪、无线压力传感器、无线温度传感器、无线流量计等。
2.3.3油井生产远程分析管理系统
系统概述:油井生产数据远程采集传输系统只是将数据采集至生产管理单位。而油井生产远程分析管理系统是对采集的数据进行有效利用的部分。系统通过对功图、电参、压力、温度等多元数据的分析,对油井生产状况进行综合诊断分析及优化。系统包括以下6个子系统:数据采集子系统、数据管理子系统、分析预测子系统、工程分析子系统、远程计量子系统、优化设计子系统。
1.         数据采集子系统:采集录入功图、功率、功率因素、电压、电流、油压、套压等生产参数。
2.         数据管理子系统:生成油井静态数据库、实时动态数据库、采油设备数据库、油井

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图5丛式井系统结构
生产日报数据库,依据数据库开发数据查询、动态图件生成、图件查询。
1.         分析预测子系统:根据油井具体参数,应用油水复合法、采液指数法、Petrobras法等方法,对油井生产进行预测。
2.         工程分析子系统:主要应用于超深井、水平井的自喷、电潜泵采油、酸化、压裂作业井下单级、组合油管柱设计、校核。系统中建立了多种工况下(起下管柱、正常生产、封隔器座封、酸化、压裂作业等)的管柱受力计算方法。包括对油井压力场计算、油井温度场计算、稠油井注蒸汽、电加热、回采等工艺的井筒温度场计算。可根据实时采集的功图、电流、扭矩、压力等数据,实现油井的实时分析与诊断。绘制稀油区块油井宏观控制图、稠油热采区块宏观控制图。
3.         远程计量子系统:以实测示功图、压力、温度、转速、电参数等采集参数作为分析有杆/无杆泵工作状况的主要依据。建立先进的、适用的油水井系统数学模型及算法;诊断出油水井工况和存在的问题;计算出各种复杂工况下的油井的产液量;同时进行各种有效的数据分析与统计。并可以远程智能控制与调节油井的工作状态。系统可准确及时地统计和掌握客户的用电信息;对用电设备、电能表的运行状态和客户的用电情况进行实时监控、分析管理。
4.         优化设计子系统:通过对油井历史数据的挖掘、当前数据的分析。应用软件强大的数值仿真功能,智能化地实现当前工况诊断、油井生产预测、区块状况预测等功能,为油井设计、油井生产、作业维护等提供合理方案。通过泵抽时间、沉没度、泵抽产量等数据,绘制沉没度与时间关系图,确定合理间抽制度,提高间抽井效率。
2.3.4油井生产远程控制系统
    该系统属于远程智能调控系统。具有对抽油机井、电泵井、螺杆泵井等的工况进行实时采集、实时分析、实时控制的功能,同时还具有间抽设置、远程开关井、远程变频等远程控制功能。通过下达采集、调控等指令,自动完成实时监测油井的压力、温度、功图、动液面、电参数等,远程智能调控电机启停、阀门开度、电机频率等,保证了采集调控的迅捷、精准,并降低了油井工人的劳动强度,提高了油水井的自动化管理水平。油井智能调控系统实现远程油井采油动态资料数据的自动化采集和传输,由远程变频控制单元利用功图、压力、温度和电参量数据对油井工况进行综合诊断,依据油井综合诊断结果选择最佳变频和启停方案,实现对采油设备的最高效变频控制,达到提高泵效的最佳应用效果。其结构如图6所示。

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图6油井生产远程控制系统架构
3油井生产远程监控系统应用案例及效果
33.1应用案例
    中国电信油井生产远程监控系统目前已在黑龙江大庆油田、天津大港油田和新疆克拉玛依油田得到了应用。使油田实现了油井自动监测和控制、实时数据采集、油井液量计量、油井工况诊断优化设计等功能,

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图7系统使用前的采油工艺

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图8系统使用后的采油工艺
 
在实现简化地地面流程的作用时,还实现了提高油井系统效率的目的,为简化油田地面流程,节省产能建设和提高系统效率等方面做出了重要贡献,获得了用户的高度认可。图7~8反映了系统在大港油田使用前后的效果。
33.2物联网技术应用于数字油田的发展前景
    数字油田这个热门词汇在成石油行业信息化建设的征程中越来越多地充斥着我们的神经,物联网技术在深度融合油田生产设备实体、智能计算和控制、整合油田业务与技术应用等方面越来越显现出其极大优势,构建于物联网技术的数字化油田系统是石油行业信息化的有效途径,随着传感网络、移动无线互联网及数据智能计算、云计算等技术的成熟,必将促进利用物联网搭建数字油田综合管理平台的不断发展。
 
 
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