The Technology Research of Oil and Gas Production IOT iProd System

Abstract：This paper analyzed current intelligent management situation of domestic oil and gas production,and built the overall structure and technical programs of oil and gas production IOT iProd system.The oil and gas production IOT iProd system is mainly composed of acquisition and control subsystem,data transmission subsystem,working condition analysis and forecasting subsystem,IOT network and equipment management subsystem, production operation management subsystem.This system had some application functions,such as dynamic real-time monitoring of oil and gas production,statistical analysis of production information, real-time diagnosis for the production conditions,smart optimization for process,concentrated expression for critical alarm, production KPI dynamic display,production equipment management,production command and control.Thus able to achieve many of system functions,included automatic production data collection,analysis of working conditions,failure warning and alarm,key process chain control,process visualization display,real-time intelligent decision-making of the production process for oil and gas wells,metering station,processing station or storage,and related transportation pipeline network.

Key words:Oil and gas production,process control,intelligent management,IOT

1 概述

各油田為滿足生產需求，已經建立了各自的油氣生產現場工況監控、分析與管理和視頻監控系統，并正在當前生產中發揮重要作用^[1-5]。但這些系統是由軟件開發公司和油田用戶結合各自油田生產的特點和實際情況合作開發的，主要是為了滿足油田公司、采油廠、作業區等各級目標用戶生產運行管理的需要。由于受地域、地形地貌、氣候條件、油藏地質、社會環境差異的影響，因此各油田油氣生產數字化的功能不盡相同，建設也具有各自的特殊性。目前各油田已經建成并應用的一部分油氣生產物聯網系統在軟件平臺、開發環境、系統組態方式上都有很大差異，還沒有形成統一的系統。

建設面向生產操作過程的油氣生產物聯網系統是通過傳感、射頻、通訊、先進計算等技術組合，對油氣水井、計量間、油氣站庫等生產對象進行全面的感知。實現生產數據、設備狀態信息在生產指揮中心及生產控制中心的集中管理和控制，搭建規范、統一的數據管理平臺，支持油氣生產過程管理，提供油氣生產的實時分析優化，進一步提高油氣田生產決策的及時性和準確性，達到節約油氣生產的建設投資與運行成本的目的。

2 油氣生產物聯網架構

本文討論的油氣生產物聯網系統iProd（Intelligent Production Engineering System）包括采集與控制、數據傳輸、工況分析預測、物聯網網絡及設備管理、生產運行管理等五個子系統。iProd由感知與控制層、傳輸層和應用層組成，其分層結構如圖1所示。感知與控制層由安裝在油氣生產流程上的各種感知設備和控制設備組成，從而實現對生產狀態的全面感知和各種設備的自動控制；由無線傳感網、專網和公網無線技術等組成的無線異構網絡構成了該系統的傳輸層，可實現數據的可靠傳輸；應用層則可實現包括生產動態實時監控、生產數據統計分析、生產工況實時診斷、生產趨勢預測、生產參數智能優化、關鍵告警集中展現、生產KPI動態展示、生產設備管理、生產調度指揮管理等功能。其中類似WebAccess的物聯網設備與網絡管理系統的引入，可對各種感知設備和傳輸網絡進行自身診斷和管理，而移動智能應用則可以實現諸如物聯設備安裝、運維的工單派發、工作上報、與物聯網設備數據交互及應用等功能，使油氣生產的管理更加智能化。

圖1 油氣生產物聯網架構

3 油氣生產物聯網功能

    油氣生產物聯網功能設計需要滿足油氣田的日常生產運行、生產管理、生產監控、設備管理、成果展示等需求。對于目前油氣生產現狀分析中所反映出來的不足和存在的問題，油氣生產物聯網的建設，主要立足于解決如下生產問題：1）快速了解生產概況：顯示采油氣廠生產狀況、產量、注水量變化情況；2）及時提供故障報警和預警：報警和預警信息自動通知相關人員及時處理；3）自動生成生產報表：自動生成、存儲、查詢井、站、作業區的相關生產報表，自動繪制相應曲線；4）自動控制生產過程：關鍵生產過程實現閉環控制、提高生產運行的可靠性和穩定性；5）高危環境重點區域：生產環境的可燃有毒監測、重點井高產井的視頻監控； 6）定時完成物聯網系統自檢：對網絡、網絡設備、現場儀表等數字化設備定時自動巡檢和故障原因定位。

3.1 采集與控制子系統功能

該子系統是通過傳感器、無線傳感網、射頻識別、RTU等設備自動采集、存儲、處理油氣生產對象的生產數據，通過攝像頭、危害氣體監測等裝置，自動采集現場生產的環境信息，將這些信息傳輸到采油廠實時數據庫，支撐生產監控等應用；同時，通過ESD、控制閥等自動化控制設備，實現生產過程自動控制。該子系統的功能如圖2：

圖2 采集與控制子系統功能

3.2數據傳輸子系統功能

     該子系統是采用無線傳感網、專網和公網無線技術（融合WSN、McWill、WiMAX、WiFi、3G、GPRS、CDMA、衛星等無線傳輸技術）組成無線異構網絡來進行數據傳輸。無線傳輸：用于單井、邊遠站庫的生產實時數據與視頻傳輸，采用無線傳感網、公網無限傳輸（融合WSN、McWill、WiMaX、WiFi、GPRS、CDMA、3G、4G、衛星等無限傳感技術）組成無線異構網絡及進行數據的傳輸。有線傳輸：用于計量間、中轉站、集氣站、聯合站等較近單位的生產實時數據與視頻傳輸，主要采用油田內網（光纖）傳輸。該子系統的功能如圖3：

圖3 數據傳輸子系統功能

3.3 工況分析預測優化子系統功能

該子系統主要是對采集、傳輸到實時數據庫的油氣水單井、計量間、處理站庫及相關集輸管網的生產數據進行分析優化預測,如圖4所示。計量間、處理站庫及相關集輸管網的工況分析優化主要是實現現場的實時遠程數據采集、工況診斷、運行參數優化、智能控制、出現故障時的應急自動處理；油氣水單井的工況分析預測優化是該子系統中最重要的組成部分，實現油氣井生產數據的實時管理、實時分析、實時優化、實時控制、智能預測等^[6-8]，以實現智能化管理。

圖4工況分析預測優化子系統功能

3.4 物聯網網絡及設備管理子系統功能

    該子系統主要包括物聯網網絡管理和網絡設備管理。物聯網網絡管理主要包括對于網絡拓撲、網絡協議、網絡健康狀態、節點健康狀態、網絡信道、節點功能配置、網絡時間同步、網絡安全等的管理。網絡設備的管理主要是負責對網絡化的壓力儀表、流量計、示功儀、攝像頭、有害氣體檢測儀和RFId讀寫器、網關、路由等物聯網終端設備的狀態和運行情況的監控。除了對于節點上的傳感器、執行機構和其他節點資源的管理，也包括節點能耗（尤其是電池供電節點）和信道質量的監控。從而實現系統的“即開、即入、即管、即用”功能。該子系統的功能如圖5：

圖5 物聯網網絡及設備管理子系統功能

3.5生產運行管理中心子系統功能

生產運行管理中心子系統是提供油氣生產的業務狀態報告，關鍵生產運營KPI動態報表，生產流程可視化與跟蹤，綜合實時信息展現，關鍵告警集中展現，聯合業務調度指揮；應急預案可視化，聯合緊急指揮，應急計劃實施狀態追蹤，應急計劃模擬演練；日\周\月\季\年業務經營分析， 協同辦公，生產過程全景展示（地理、流程、組織、績效、治理及運營成果等）等。該系統在采油氣生產部門部署實時數據庫和監控中心，同時將數據上傳到總部數據中心實現對生產動態的及時了解，實現生產管理、分析優化、指揮調度、智能決策，洞觀全局，掌控運行。系統功能如圖6：

圖6 生產運行管理中心子系統功能

4 結論與建議

油氣生產物聯網系統iProd的建成可以實現包括油氣水井、計量間、處理站庫及相關集輸管網的生產數據自動采集、工況分析、故障預警和報警、關鍵過程連鎖控制、工藝流程可視化展示、生產過程實時智能決策等功能。能達到強化安全管理、突出過程監控、優化管理模式，以實現優化組織結構、持續改進業務績效的目標。

油氣生產物聯網除需要有一個先進的設計方案之外，還應總結一些油氣田在面向生產操作過程的數字化建設方面所取得的一些有益的探索和實踐經驗，并結合國際上先進石油企業的最佳實踐和物聯網技術的發展趨勢，來經濟高效地建設我國的油氣生產物聯網系統。

物聯網的基本概念和發展方向就是將涉及油氣經營的各種資產(油氣藏等實物資產、數據資產、各種模型和計劃與決策等)，通過各種行動(數據采集、數據解釋與模擬、提出并評價各種選項、實施等)，有機地統一在一個價值鏈中，形成虛擬現實表征的智能油田系統。油氣田智能化要求油氣田開發進入自動化、可視化、實時化、智能化的閉環新階段。人們可以實時觀察到油田的自然和人文信息，并與之互動。

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作者簡介：檀朝東（1968-），男，安徽望江縣人，副研究員，博士，從事石油工程、物聯網教學及科研工作；

Author introduction:Tan Chaodong,was born in Wangjiang of Anhui Province in 1968,associate researcher,Ph.D,engaged in petroleum engineering, Internet of Things teaching and research work.

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