智能油田

重庆科技学院智能油田解决方案建议书作者：罗欢、王源波、黄举、程丹、许文摘要物联网在智能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。本方案中整个智能油田系统网络主要采用无线局域网技术，以物联网技术为主体。应用到无线温度监测、无线震动监测、无线腐蚀监测、无线压力监控、无线感应阀位、无线视频等等。从而随时都能监测到油田温度，震动，设备的被腐蚀度、受压力程度，以及阀位的安全性。关键词：智能油田、物联网、油井生产监控引言20世纪80年代掀起的第一次提高采收率研究和应用的热潮，推动了各种EOR技术的进步和成熟，那么斯塔特福约尔得(Sta~ord)等油田以油藏模拟、油藏监测、水平井和油藏管理相结合的提高采收率技术，在21世纪初已经掀起了以智能油田为标志的第二次提高采收率技术研究和应用的热潮。智能油田展示了油气田开发将进入智能化、自动化、可视化、实时化的闭环新阶段。智能油田的基本概念和发展方向就是将涉及油气经营的各种资产(油气藏等实物资产、数据资产、各种模型和计划与决策等)，通过各种行动(数据采集、数据解释与模拟、提出并评价各种选项、实施等)，有机地统一在一个价值链中，形成虚拟现实表征的智能油田系统。人们可以实时观察到油田的自然和人文信息，并与之互动。智能油田的基础与核心建立智能油田是一个系统工程，而建立数据银行和信息平台是建立智能油田的基础。智能油田的核心是将油气发现与开发工作从历史性分类资料的顺序处理改变成实时资料的并行处理，利用实时数据流结合创新型软件的应用和高速计算机系统，建立快速反馈的动态油藏模型，并将这些模型配合遥测传感器、智能井和自动控制功能，让经营者更直接地观察到地下生产动态和更准确地预测未来动态变化，以便提高产量和进行有效的油田管理，实现各种层次的闭环优化管理，最终实现全油田范围的实时闭环资产经营管理(图1)。实际上，智能油田并不是遥不可及，也是步步发展与完善的。目前国外智能油田也仅发展到第三级，逐步向第四、第五级发展。智能油田的关键技术促进智能油田发展的关键技术主要包括：(1)无线局域网技术。(2)遥测技术，主要包括四维地震监测、重力测量、电磁监测、永久型地面检波器网络和永久型光纤井下检波器等。(3)可视化技术，包括综合勘探与生产数据的三维可视技术、虚拟现实技术等；(4)智能钻井与完井技术。(5)自动化技术。(6)数据集成、管理与挖掘技术。(7)集成管理体系等。智能油田的发展前景2003年世界著名的剑桥能源研究所(CERA)公布的一项最新研究成果指出，由多项新型数字化技术构成的智能油田，将在未来5～1O年内使全球原油储量增加1250×108桶，这将超过伊拉克现有原油储量或拉丁美洲的原油总储量，同时能够提高油气采收率2％～7％，降低举升成本10％～25％，提高产量2％～4％。壳牌公司正在实施的“智能油田计划，将使其产量提高10％，采收率提高8％，操作成本降低20％，计划与决策周期时间减少75％。智能油田技术将大大扩展石油工业的发展空间，为石油行业展示出了一个更广阔、更美好的发展前景。1.作品应用背景分析1.1项目背景及概况网络的发展一日千里，随着互联网，移动通信网，甚至于电网的融合，物联网成了多网融合的必然产物，它将人与人之间的沟通扩展到了人与物，物与物之间的沟通连接，智能化，网络化的生活将让人们工作，生活更加便捷和人性化。人们能随时随地的把握我们感兴趣的“物体”的信息，做出更合理的决定和控制。同时随着油田数字化、自动化信息系统的发展，为了更有效的加强对采油到输油过程的集中管理，从而就要求建立包括油井远程视屏监控、工况数据信息采集、油井周界防范系统等多系统的监控平台。以野外作业现场采油为例，通过自动数据采集系统，可将油井生产时石油通过油嘴的速度记录下来，然后根据油嘴的大小，计算出该井某一时间的是有产量，在这个过程中采集的为高频数据，信息量很大，通常存于现场计算机中，保存一段时间，对高频数据进行统计计算，得到一个时间段的该井石油产量数据，通过卫星系统发送到办公室生产数据库中。1.2智能油田系统建设必要性21世纪是一个以计算机为核心的信息时代，数字化、网络化、智能化已经成为21世纪的时代特征，随着信息技术的迅速发展，计算机技术，无线网络技术，物联网技术已被应用到各行各业。在过去的一年时间内，物联网已经得到了国家以及各级政府部门的高度重视和关注，至今年起的“十二五”势必将物联网作为一个重点发展信息技术。物联网技术的不断发展，以及它给各行各业带来的便利，以物联网为技术支持的智能油田系统的建设，是非常必要的，也是可行的。主要表现在：（1）物联网将从虚拟信息空间，人人互联发展到对现实物理世界的感知。因此智能油田通过物联网的传感，将更适时的反应出当前油田情况。（2）智能油田它包含了地质，地震，测井，分析化验，钻井，生产，试油试采，地面管网，地理等信息，覆盖面广，因为他们既相互独立，又相互依赖。（3）智能油田能在油田安全方面做好实时的监控。随着海上油田的陆续开发，油田安全问题也接肘而至，网络上，报纸上不难看到“油田溢油”的字眼。由此而带给人们的不再是单纯的油田安全，更是大范围的生态污染问题。智能油田系统中的无线温度监测、无线震动监测、无线腐蚀监测、无线压力监控、无线感应阀位、无线视频技术，则能随时关注着海底油田的动态，减少油田隐患，也给生态环境加上一道保险。（4）智能油田使采集设备安装维护方便，工作稳定可靠，设备使用寿命长，而不会像有线设备安装那样繁琐，不会有线路老化，接触不良等问题的出现，不会因雷电等造成主机工作不稳定。（5）将油田系统智能化不仅仅科学技术的一大进步，同时为油田的管理带来了便利，为油田企业减少了时间上的浪费，如采油工作，先是采油工带做资料野外巡井，采集数据后慢慢分析，而智能油田系统则是通过视频监控系统，通过网络数据的传输就能控制和观察各个油井的生产情况，工作效率大幅度提高。（6）智能油田的实施还能减少油田企业为更多员工的工薪的付出，从而也就方便了油田企业对企业员工的管理。1.3物联网与油田的有机结合石油行业一直都是与互联网联系得最广泛的行业，在无线网络还没有普及的年代，石油行业一直都依靠有线网络来对各种数据进行分析处理，目前，油田企业随着基础网络的建设，各领域基本上都通过拥有层次化模块设计以及先进技术的有线网络来进行覆盖，将高可靠性、开放性、灵活可扩展性、可管理性、安全性融合为一体，使石油基础网络建设具有一定技术和需求的先进性。但是，随着石油网络改进的推进，业务不断的发展和环境的复杂度，很多专业检测和实时数据传输都无法在有线网络中进行，给网络中应用系统造成了瓶颈，这些网络瓶颈，一般会有以下几种：地域复杂问题—各工作人员过于分散或者遇到海上油井，如果依然采用有线网络，那么铺设光缆造价将过于高昂或根本无法架设光缆或者电缆，实时数据无法传送给相关分析处理技术人员。环境问题—石油现场的生产环境往往都非常的严酷，这样的环境对有线链路以及设备来说是致命的，例如超高温，高腐蚀性、恶寒等严酷的环境下。资源有限问题—各数据采集点由于地理环境等而无法进行昂贵的链路铺设、不能保证有线设备的机房建设等各种资源有限原因，使重要的生产数据不能及时传输给相关人员进行分析处理而造成石油企业的损失。在以上几类环境下，有线网络无法保障重要数据的基本实时传输，使重要的生产系统无法正常按时上线，企业生产力下降，致使企业蒙受巨大损失，然而无线技术凭借灵活高效的组网方式，能够很好的解决这一系列的问题，具体如下所示:1.需要通过快速响应保证最少的停机时间，通过实时的数据接入检测数据。2.油量数据的采集回传。3.温度、湿度、压力传感器的数据采集回传。4.作业机器工作状态的数据采集回传。2.系统设计2.1智能油田系统应用特点智能油田系统项目是针对油田所构建的无线局域网的覆盖满足油田日常生产运行、生产管理、生产监控、设备管理、成果展示的需求，是一套集石油勘探开发生产信息的采集、传输、存储、处理、分析、发布、管理和应用于一体，规范、统一、安全、高效的全新现代化生产经营综合数据于一体的管理应用平台。整个智能油田系统内网中采用无线网络，以物联网技术为主体。应用到无线温度监测、无线震动监测、无线腐蚀监测、无线压力监控、无线感应阀位、无线视频等等。从而随时都能监测到油田温度，震动，设备的被腐蚀度、受压力程度，以及阀位的安全性。2.2油井生产远程监控系统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、油井生成数据远程分析系统、油井生产数据远程控制系统，油井生成远程监控系统实现了基地控制室对油田的整体远程分析控制，一旦控制室通过监测系统发现问题，通过实时数据传输和以及生产控制系统，管理工作人员可以迅速发出控制指令来控制局面，只有通过远程无法解决的问题才需要技术人员到现场去进行处理，这样的工作模式极大的减轻了工作人员的负担，同时也改善了工作环境，并提高了生产效率，无线智能油田大致示意图如图1所示：图2-2-1由以上大致示意图可知油田生产远程监控系统是数字油田的基础保障。信息技术和自动化工艺在不断的发展和提高，生产远程监控系统在油田生产中的应用也越来越广。该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等提供了可靠的保障。系统通过传感器、压力感应器以及视频摄像头等对油气井生产情况进行定期数据采集．通过无线终端把数据发送至控制分析室对数据进行分析管理．以掌握油井生产状况，并进行必要的控制。2.3生产数据自动采集传输系统油井生产远程监控系统的前线系统即为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、2．4Gbit／s的ZigBee无线模块和CDMA模块于一体的高精度功图采集终端，其结构如图所示。CDMA一体化示功仪无线接受塔图2-3-1一体化示功仪工作结构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模块远程传输到前线控制区服务器。系统系统也可以扩展采集油温、油压、电量等生产数据，现场工作区的传感器数据通过ZigBee无线模块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。具体如下：·系统体积小，安装维护方便。把载荷传感器、加速度传感器和无线数据传输模块集成到一个小装置内。直接安装到抽油机井口的悬绳器上，无需其他任何接线。抽油机井上只需安装一台示功仪即可实现油井地面数据的远传。系统采用加速度测量位移，避免了拉线法的体积大、机械部件多、加工复杂、使用中卡线断线等许多缺点。·本地存储，远程终端单元可以存储120个示功图．在网络掉线的情况下能够保证数据不丢失。·模块化设计，便于调试和更换元器件，方便维护，节约成本。·电子手抄器设置参数，使用手抄器以无线方式设置通信参数，无需开盖。·电量自动报警。·远程升级，RTU和DTU内的嵌入式程序均可以通过CDMA网络进行远程升级。·功能扩展：能够远程采集温度、压力．一体化示功仪通过无线模块接收温度和压力信号，再通过CDMA模块把信号远程传输到上位机服务器。·实时采集：能够远程实时监测抽油机井地面示功图，一体化示功仪从采集、处理、存储、发送数据到存入服务器全部实现自动化，无需任