活動(dòng)鏈接：2012年控制網(wǎng)技術(shù)專(zhuān)題---實(shí)現石油與化工的信息化

    摘要：無(wú)線(xiàn)傳感器和無(wú)線(xiàn)RTU在油氣田數字化建設中的應用，采用專(zhuān)業(yè)化的油田工控產(chǎn)品和ZigBee通信技術(shù)，實(shí)現對現場(chǎng)油水井的遠程數據采集和控制，降低了施工成本，縮短了建設周期，減少后期維護，為全面建設數字化油田創(chuàng )造了條件。

   關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)；傳感器；RTU；數字化

   井口數字化建設是油田地面工程數字化建設最底層、范圍最廣、最關(guān)鍵的現場(chǎng)部分，主要完成對現場(chǎng)井口、站點(diǎn)的數據采集和控制。包括：抽油機油井、螺桿泵油井、電潛泵油井、注水井等。在數字化油田井口建設中，使用無(wú)線(xiàn)傳感器可以減少建設周期、維護方便，適合于規模施工，全面建設數字化油田。下面以中石油青海油田為例，介紹無(wú)線(xiàn)傳感器在油田中的應用。

   1 背景介紹

   中石油青海油田公司是集油氣勘探、開(kāi)發(fā)、研究、生產(chǎn)、銷(xiāo)售為一體的大型石油公司。作業(yè)區域在素有“聚寶盆”之稱(chēng)的柴達木盆地。石油資源量達21.5多億噸，天然氣資源量近25000億立方米，目前油氣勘探程度較低，具有廣闊的發(fā)展前景。

   自2000年以來(lái)，青海油田在部分區塊已經(jīng)建立了井網(wǎng)自動(dòng)化系統，典型系統如尕斯區塊、躍進(jìn)區塊、七個(gè)泉區塊，覆蓋約500多口油井。但是原有系統的覆蓋面小，對于整個(gè)油田而言，仍有一半以上的井口、站點(diǎn)尚未實(shí)現自動(dòng)化監控；另一方面，隨著(zhù)電子技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，在已有系統中，早期建成的部分系統采用的產(chǎn)品和技術(shù)已經(jīng)逐漸失去了先進(jìn)性，在使用維護過(guò)程中暴露出一些問(wèn)題。

   2011年青海油田的數字化油田項目，完成對現場(chǎng)的抽油機油井、螺桿泵油井、電潛泵油井、注水井的數字化建設。最終要在2011年底建立起覆蓋整個(gè)油田的、技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠、便于使用維護的基于物聯(lián)網(wǎng)的油田數據采集和監控（SCADA）系統，實(shí)現數字化油田的建設目標。

    在實(shí)時(shí)監控方面，實(shí)現對油井的遠程示功圖、電流圖、功率圖采集，三相電參數采集和中控室遠程啟?？刂?；在生產(chǎn)管理方面，通過(guò)抽油機示功圖對油井工況進(jìn)行診斷分析，通過(guò)電量數據掌握油井耗電情況和采取節能措施，通過(guò)功圖計產(chǎn)分析制定油井管理措施；在生產(chǎn)信息方面，在鉆采院室設置數據庫服務(wù)器和WEB發(fā)布服務(wù)器，實(shí)現油田生產(chǎn)信息在油田范圍內的信息共享。

    數字化油田項目既包括新建區塊（對原來(lái)沒(méi)有實(shí)現自動(dòng)化的區塊進(jìn)行自動(dòng)化建設），也包括老區塊改造（對實(shí)現自動(dòng)化的區塊進(jìn)行改造和完善）。其中新建區塊的抽油機井約1000口、螺桿泵井約100口、電潛泵井約20口，此外還包括600多口注水井；老區塊改造的油水井總數約數百口。這些油水井隸屬于3個(gè)采油廠(chǎng)12個(gè)區塊。hhhh各種井口要實(shí)現的功能見(jiàn)表1。

   2 數字化油田的總體結構設計和產(chǎn)品選型

    井口數字化建設主要由井口控制終端(RTU)、現場(chǎng)檢測設備、通訊鏈路組成的一套（SCADA）數據采集控制系統。如何選用功能完備的RTU和檢測儀表、如何選用可靠的通訊方式進(jìn)行井口數據通訊以及如何使數據穩定準確及時(shí)的傳輸到中控室，都決定了系統的穩定性、實(shí)用性和可靠性。
        
                                         表1
               

    在2011年的新系統建設和老區塊改造項目中，盡管各種油水井的功能同以前建設的已有系統類(lèi)似，但是在井站系統的通信系統設計和產(chǎn)品、技術(shù)選型方面，卻發(fā)生了本質(zhì)的變化。

   在產(chǎn)品選型方面，選用北京安控科技股份有限公司最新生產(chǎn)的高性能一體化無(wú)線(xiàn)RTU產(chǎn)品和無(wú)線(xiàn)傳感器，安控產(chǎn)品既保留了其傳統的高性能、高可靠性等特點(diǎn)，同時(shí)又全面支持最新的ZigBee無(wú)線(xiàn)技術(shù)。對于該油田已有系統的老RTU，也采用北京安控公司的ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)行改造，擴充出無(wú)線(xiàn)通信接口。

    在井站系統通信設計方面，井口儀表與井口RTU之間采用先進(jìn)的ZigBee無(wú)線(xiàn)技術(shù)，具備大容量、低功耗、高可靠性、高安全性的優(yōu)點(diǎn)，代表了短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展趨勢，并由此帶來(lái)施工簡(jiǎn)化、調試維護簡(jiǎn)單、建設周期短等優(yōu)點(diǎn)。井口RTU與上級監控中心之間的數據通信，則采用了CDMA通信網(wǎng)絡(luò )。
  
                      
                                            圖1 系統結構圖

    2.1 井站自動(dòng)化系統的總體結構

    在高標準、高性能、高穩定性的原則指導下，青海油田數字化油田系統結構如圖1所示，包括數據采集部分、網(wǎng)絡(luò )通訊部分和采集驅動(dòng)WEB發(fā)布三大部分。

    每個(gè)井口通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器采集所需數據；

    充分利用ZigBee網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)，一個(gè)平臺井口的所有無(wú)線(xiàn)儀表接入到同一個(gè)無(wú)線(xiàn)RTU，組成Mesh網(wǎng)絡(luò )，提高通訊可靠性；每個(gè)RTU可以帶64塊儀表；

    所有無(wú)線(xiàn)儀表和無(wú)線(xiàn)RTU支持手操器調試，方便現場(chǎng)維護；

    無(wú)線(xiàn)RTU采集到的無(wú)線(xiàn)傳感器數據，通過(guò)CDMA 1X網(wǎng)絡(luò )上傳到監控中心，并在本地存儲歷史數據，支持數據補傳功能；

    監控中心搭建油氣水井數字化生產(chǎn)信息平臺，通過(guò)WEB方式發(fā)布井口實(shí)時(shí)數據。

    2.2 網(wǎng)絡(luò )通信設計

    從系統結構圖1可以看出，通信設計采取了ZigBee+CDMA1X方式，達到實(shí)時(shí)數據采集、傳輸、遠程控制等效果，并將相應數據傳輸至后臺網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現后臺信息共享、信息管理等應用。

    2.2.1 ZigBee無(wú)線(xiàn)應用部分

    每個(gè)叢式井場(chǎng)，一般有3、4口井相對比較集中，采用短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)可以節省成本同時(shí)也降低了施工強度。無(wú)線(xiàn)技術(shù)采用的是ZigBee的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，ZigBee是一種無(wú)線(xiàn)連接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915MHz(美國流行)3個(gè)頻段上，分別具有最高250Kbit/s、20Kbit/s和40Kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10~250m的范圍內，但可以繼續增加。

    2.2.2 CDMA應用部分

    井站是分散的且與作業(yè)區監控中心的距離相對較遠。井口采集數據要統一傳送到中控室，采取了抗干擾能力強、傳輸距離遠的CDMA作為媒介，以保證數據傳輸的實(shí)時(shí)性、可靠性和穩定性。

    3 系統實(shí)現的功能

    數據采集包括井口數據采集、作業(yè)區監控中心。

   3.1 井口數據采集部分

   （1) 功圖法量油

    在井場(chǎng)配套無(wú)線(xiàn)功圖傳感器SZ902N，實(shí)現油井功圖全天候采集。在作業(yè)區監控中心則安裝專(zhuān)門(mén)的示功圖量油診斷軟件，及時(shí)掌握油井產(chǎn)量情況和分析故障原因。

   （2）電流圖、功率圖采集無(wú)線(xiàn)電量模塊與無(wú)線(xiàn)功圖傳感器配合，實(shí)現油井電流圖、功率圖全天候采集。在作業(yè)區監控中心則安裝專(zhuān)門(mén)的分析診斷軟件，及時(shí)掌握油井電機運行情況和分析故障原因。

   （3）電參采集、油井壓力、溫度采集

    在抽油機控制箱配套無(wú)線(xiàn)電量模塊SZ308，監測抽油機上下行過(guò)程中三相電流和三相電壓的變化情況；監視抽油機運行狀態(tài)，對電機缺相、過(guò)載、空轉等故障實(shí)現自動(dòng)報警，并能根據控制中心命令實(shí)現啟?？刂?。

   在油井上安裝無(wú)線(xiàn)數字壓力表SZ903D，實(shí)時(shí)監測油壓和套壓的變化。

   在油井上安裝無(wú)線(xiàn)數字溫度表SZ905D，實(shí)時(shí)監測井口出油溫度的變化。

   （4）螺桿泵井

   在螺桿泵井井口安裝無(wú)線(xiàn)扭矩傳感器，實(shí)時(shí)采集光桿的扭矩、負荷、轉速。在作業(yè)區監控中心則安裝專(zhuān)門(mén)的螺桿泵量油診斷軟件，及時(shí)掌握螺桿泵井產(chǎn)品情況。無(wú)線(xiàn)RTU SZ932提供了標準的RS485接口，能夠與螺桿泵控制變頻進(jìn)行通訊。采集變頻實(shí)時(shí)數據，了解三相電壓、三相電流、電功率、功率因數和電能等參數，并據此制定節能降耗措施。

   （5）電潛泵井

   在電潛泵井控制箱內配套無(wú)線(xiàn)電量模塊SZ308，通過(guò)電流互感器對電泵井的三相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。

  （6）注水井

   在注水井安裝無(wú)線(xiàn)數字壓力表SZ903D，實(shí)時(shí)監測注水井壓力的變化。

   3.2 監控中心部分

   建立油氣水井數字化生產(chǎn)信息平臺，通過(guò)WEB方式實(shí)現流程監控、功圖分析、生產(chǎn)曲線(xiàn)、報表生成、操作日志和報警等功能。有著(zhù)信息完整、提高工作效率、正確掌握系統運行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統故障狀態(tài)等優(yōu)勢。提高了油田油井系統運行可靠性、安全性與經(jīng)濟效益，減輕了調度員的負擔，實(shí)現了油田調度自動(dòng)化與現代化，在提高調度人員的工作效率和操作水平方面有著(zhù)不可替代的作用。

   4 無(wú)線(xiàn)傳感器在油氣田數字化建設中的優(yōu)點(diǎn)、效益分析

   與傳統的產(chǎn)品選型和系統設計相比，無(wú)線(xiàn)傳感器在油氣田數字化建設和使用中均顯示出了獨特的優(yōu)點(diǎn)：

   （1）施工簡(jiǎn)便、低成本，節省材料和人工

   油田傳統的井站自動(dòng)化系統的建設方式，以某油田原有的老區塊為例，采用的是模擬儀表和有線(xiàn)通信傳輸。模擬儀表傳輸和有線(xiàn)通信方式，在施工安裝過(guò)程中不可避免地需要敷設信號電纜、通信電纜（如RS485電纜），涉及到在井場(chǎng)挖溝和安裝電纜護管等。人工費用和材料費用造成施工成本高。

   而在無(wú)線(xiàn)傳感器應用的系統中，這一部分的施工費用不存在了，信號傳輸和通信傳輸均簡(jiǎn)化為無(wú)線(xiàn)通信的調試，施工成本被降到了最低。

   （2）施工快捷，建設周期短，便于后期維護

   由于新系統的建設省略了在井場(chǎng)動(dòng)土挖溝、動(dòng)火電焊等施工，因此施工速度提高了數倍。

   以安控科技生產(chǎn)的無(wú)線(xiàn)功圖傳感器的安裝為例，傳統的信號電纜敷設和傳感器安裝需要至少半小時(shí)以上，而該傳感器減少了安裝抽油機光桿卡子和電纜敷設的時(shí)間，因此正常的安裝時(shí)間縮短到了10分鐘以?xún)?。hhhh井場(chǎng)內自動(dòng)化設備的安裝施工中，都需要對油井停機停電，而停機就意味著(zhù)油井減產(chǎn)。因此從這個(gè)意義而言，施工速度的提高就等于是生產(chǎn)效益的提高。

   在系統的后期維護方面，某油田老區塊原有的信號和通信電纜，在修井作業(yè)中經(jīng)常被重型車(chē)輛軋斷和遭到人為破壞。而無(wú)線(xiàn)傳感器則避免了這一問(wèn)題。

   （3） 適合于規模施工，全面建設數字化油田

   隨著(zhù)電子技術(shù)、計算機技術(shù)的進(jìn)步，特別是國產(chǎn)設備的推陳出新，油田專(zhuān)用的RTU、PLC產(chǎn)品的采購成本已經(jīng)逐漸降低；而無(wú)線(xiàn)技術(shù)的應用，則帶來(lái)了施工費用的大大降低。

   僅僅在數年以前，油田數字化建設的投資還只能針對重點(diǎn)區塊、建設重點(diǎn)工程。而目前最新的技術(shù)和產(chǎn)品，則為全面建設數字化油田創(chuàng )造了條件。

   韓衛國（1976-）男，黑龍江哈爾濱人，畢業(yè)于黑龍江大學(xué)光電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)，工學(xué)學(xué)士?，F為北京安控科技股份有限公司油氣事業(yè)部副總工程師，主要從事RTU、油氣田產(chǎn)品研發(fā)工作。

   摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第七期