物联网技术在数字油田中的应用

万军，王洪元

(常州大学，江苏 常州 213164)

发展与评述

物联网技术在数字油田中的应用

万军，王洪元

(常州大学，江苏 常州 213164)

油田物联网是传感器技术、无线通信技术在油田生产过程中的应用，通过数据融合技术、可视化技术、云计算技术实现的数字油田建设离不开物联网技术的强力支持，二者密不可分。基于国内数字油田建设现状，对物联网在数字油田领域中的应用进行了分析，主要利用各种传感器对油田生产过程与环节对象进行实时数据采集，并将采集到的数据通过有线或无线方式传送至控制中心，控制中心对传感器所采集的数据进行数据处理后，根据分析结果再对检测对象进行实时反馈、控制。随着油田勘探开发的进一步深入，将推动数字油田逐步向更智能的方向发展，物联网技术还有很大的发展空间。

物联网 数字油田 传感器 无线通信

数字油田是油田企业未来发展的趋势，是追求可持续发展、增强核心竞争力的实现形式，也是油田企业进行生产、科研、管理和决策的基础平台。近年来物联网的研究和应用是一大热点，已被逐步应用于数字油田、数字医疗、智能电网、智能交通等众多领域。文中基于国内数字油田建设现状，对物联网在数字油田领域中的应用进行了分析，从中阐述油田物联网的价值、主要关键技术以及发展趋势等内容。

1 数字油田

1998年美国前副总统戈尔提出了数字地球概念，旨在全球范围内按地理坐标和空间位置将所有的信息对应地组织、存储起来，构造成一个统一的信息模型，并提供一种直观、方便、有效、快速、交互的检索方式和使用方式，为全人类服务。数字油田源自于“数字地球”概念，但更具针对性，其核心思想是实现油田的自动化和信息化。数字油田的发展规划和主体技术早已深入到主要的国外石油勘探和服务公司，并成为近几年发展的热点。

1) IBM早在2005年就与挪威国家石油公司合作建设智慧油田，实现了以下主要目标： 能实时无线感知地下油田运行的情况，现场“智慧地”管理，延长了油田寿命并提高了产量；将海上的油井监控和管理功能整合到岸上的岸基设施中。

2) 沙特阿美石油公司提出了监测、优化、集成、创新四个层次的智能油田建设方案，利用井下传感器，结合智能完井技术、自动化技术，通过数据整合、数据管理和建模分析，及时掌握生产状况，提高井下作业效率，优化业务流程，利用远程监控与预警等手段，实现降低作业成本和提高油田油气采收率的目标[1]。

国内石油产业通过对国际石油公司数字油田案例的学习，结合中国具体的国情，确定了面向石油气生产的数字油田建设路线。自“十一五”开始建设数字油田，围绕一条主线、两个基础、三类系统和四个中心开展，着眼于油田等资产的数字化管理，并计划“十二五”末全面建成数字油田[2]。尽管国内油气田企业在数字油田建设水平和应用效果等方面存在一定差异，但总的趋势是在加大投入、加快步伐，加速数字油田的发展和提升。

2 物联网技术在数字油田的应用

物联网(internet of things)是在计算机互联网的基础上，利用无线射频自动识别RFID(radio frequency identification)、无线数据通信等技术，实现物品的自动识别和信息的互联与共享。

物联网技术在油田的应用中，主要是利用各种传感器对油田生产过程与环节对象进行实时数据采集，并将采集到的数据通过有线或无线网络传到控制中心进行数据处理和应用，通过分析结果再对检测对象进行实时反馈、控制。运用物联网技术建立数字油田具有深远的意义，其价值体现在几个方面：

1) 油田物联网所采集的数据反映了人们对被测对象和最关心事件的结果，这些结果需要以最快的速度和方式表达，数据是最好的办法。

2) 可连续地采集数据，实现实时、动态与连续分析，从而满足对油田水井井况、抽油机工况等油田生产动态的实时掌握与控制。

3) 油田物联网所采集的数据不但在生产过程中实时完成预警、控制，从后端的秒级时间内检测到前端的状态，还可远程控制提高工作效率，更重要的是连续的产量数据可以提供给地质研究人员完成油藏工程方案编制，从而提高采收率和经济效益[3]。

3 油田物联网的关键技术

油田物联网是传感器技术、无线通信技术在油田生产过程中的应用。

3.1 传感器技术

在油田物联网建设中，数字油田需要获取安装在油井、联合站、接转站、注水站、计量站 、配水间等采油设备上的电流等相关数据，需要实时监控罐内液位、温度、流量、压力及可燃气体体积分数等。传感器安装在油田生产过程中相应设备上检测被测对象信息，从而构成油田物联网节点的设备或装置。传感器技术是油田物联网的关键技术之一，并在向一体化和低功耗方向发展。

1) 一体化。一体化无线示功图传感器是近几年出现的一种新型传感器，主要将加速度和载荷传感器集成为一体，提取位移和载荷信号，通过数字滤波以及合理的加速度求解算法等得到了高精度的油井载荷和位移的数据[4-5]。

2) 低功耗。石油的钻采开发和生产输送往往在偏远地域进行，在没有供电的场合，采用微功耗计量技术，使用电池供电的流量仪表来计量油、气和水的量值，并及时上传测量数据，对油田的生产和管理具有重要意义。选取功耗低的芯片设计是目前低功耗开发的主要手段。

基于MSP430的超低功耗结构实现传感器的微功耗设计，大幅度地延长了电池的寿命，目前得到了广泛的应用。例如MSP430和TDC—GP2芯片配合用于微功耗便携式超声波流量计的开发。李鹏程等人通过对无线示功仪测试系统在硬件和软件两方面进行了低功耗设计，满足了系统低功耗的要求，很好地解决了野外环境中电池长期供电的问题[6]。李东旭、周正仙等人阐述了分布式光纤传感器在数字油田应用中的研究进展，反映了国内外在该领域研究的现状，分析了各种分布式光纤传感技术的优缺点，如测量范围宽、测距长、高灵敏度和高精度等，随着技术的不断完善在数字油田中的建设中会有进一步的应用发展[7]。

3.2 数据通信技术

目前在油田物联网传输中的主要数据通信技术有以下几种：

1) GPRS技术。GPRS是在GSM 基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式，它允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断、突发性的和频繁、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。

基于GPRS通信的油田开发远程测控系统可以方便快捷地为油田架构一个远程测控系统，实现数据的采集、远传、接收、处理分析、远程控制等功能。该系统以公网GPRS移动通信网为基本数据通道，在每个需要数据采集的分散业务单元端，安装具有GPRS无线数据通信能力的远程测控终端，同时在控制中心通过专线或使用配有若干GPRS无线通信模块管理的计算机，进行各种设备的远程数据采集，采集的数据自动进入控制中心。

通过该生产监控系统在油田的实施，可实现24 h实时在线监测，及时发现油井的生产状况，并通过对实时数据的智能化分析快速判断故障，及时采取相应措施，确保油井正常生产，提高有效生产时率[8]。中国石油股份有限公司长庆油田分公司在建设油气田地面通信网络的基础上，利用无线移动通信网络(GPRS或CDMA)作为传输信道，采用GPRS/CDMA—DTU设备来实现水源井的数据传输，具有网络稳定、产生费用少的优点，且可自建无线宽带接入网络[9]。

2) ZigBee技术。ZigBee 协议基于 IEEE 802.15.4 标准制订，具有功耗低、组网能力强、传输距离远、可靠性高、成本低、延迟小的技术优点，是一种供固定、便携或移动设备使用的低速率无线连接技术。采用ZigBee技术的无线传感器网络能够满足油田复杂环境下的使用需求，设备一次性置于现场数据采集点，无需额外布线，降低了施工难度和成本；即使某一设备出现故障也不会影响其他设备的正常工作，增强了系统的可靠性和稳定性[10]。

肖广荣等人设计了一种基于ZigBee无线通信技术的石油开采远程监测系统，在油井现场组建的ZigBee网络采集抽油机工况；采集数据通过3G网络传输到远端的监控中心，并依此实现对抽油机工况远程实时监控和异常状况预报[11]。该系统通过专家系统模型对抽油机示功图数据进行分析对比判断抽油机的工况。

大港油田第二采油厂实验并推广基于GPRS无线传输技术的油井、水井生产参数采集系统。经过多年的应用，技术人员发现GPRS传输技术在生产应用中存在诸多弊端，将ZigBee无线网络传输技术应用于油水井生产信息采集系统中，可以较好地解决数据传输问题，为采油厂油水井维护管理、液量在线计量、生产调度指挥、动态监测报警、措施调整制订提供技术便利。2012年，该采油厂对所管辖油水井进行了生产参数采集系统升级改造，将原有的GPRS传输系统改造为基于ZigBee无线传输网络系统。此次升级改造共对331口油水井传输设备进行更换，建立了15座基站和12座中继站，基本覆盖采油厂所有生产井，重新建立了数据采集传输系统及相应的展示报警平台[12]。

结合ZigBee和GPRS的无线网络结构充分利用了ZigBee网络低功耗、低成本、自组织数据路由的优势，并且利用GPRS网络覆盖范围广、可连接Internet的优点，在局域网内可由ZigBee网络组织无线的数据传输，在广域网内可借助GPRS网络传递数据，可用于人迹罕至地区的环境监测和工业生产的流程监控，具有广泛的应用前景。

3) 工业无线网络WIA(wireless networks for industrial automation)技术。WIA是国内自主成功研发的用于工业过程自动化的无线网络规范。WIA采用分簇的组织架构和骨干Mesh网，结合星型子网的两层拓扑结构，是可靠性高的自组织网络，具有以下技术特征：

a) TDMA/CSMA混合接入模式支持周期性和非周期性通信负载。

b) 自适应跳频通信方式提高了点到点通信的抗干扰能力。

c) 链路层自动请求重传和应用层端到端重传机制保证了报文传输的高成功率。

d) 多路径Mesh路由保证了端到端通信的可靠性。

e) 集中式与分布式结合的系统管理综合考虑了系统的易管理与扩展的灵活性。

f) 自组网模式提高了系统易用性。

g) 采用休眠模式的低占空比工作方式使终端具有超低能耗。

曾鹏等人设计了基于WIA技术的油井远程计量和优化控制系统。系统从结构上可分为前端的数据采集和后台的专家系统两部分。其中， 前端的数据采集部分主要完成井口各项参数的检测和控制参数的实时传输， 后台的专家系统则完成人机交互、远程计量、工况分析以及优化控制等任务[13]。

常州大学王洪元教授科研团队较深入地研究了WIA-PA协议，与江苏红光仪表厂联合发明了基于WIA-PA的温度、压力和流量等系列变送器，符合IEEE802.15.4无线通信标准，主要面向设备间信息的无线通信，特别适用于恶劣的工业现场环境，具有较强的抗干扰能力、超低功耗、实时通信等技术特征[14-15]。

4) 4G技术。TD-LTE作为国内自主开发的第四代移动通信技术，具有时延小、频谱效率高、上下行灵活调度的特点，可提供多种业务的高带宽服务，同时建网成本低且未来技术演进方向明确，长期投资可以得到有效保护。大港油田公司利用TD-LTE无线通信技术的优势，结合大港油田油水井物联网建设的现状及需求，循序渐进地开展油水井物联网的升级改造，最终实现基于4G无线通信技术的全部油水井生产数据的实时采集、作业区现场的实时监控、报警信息与控制指令的秒级传送等[16]。

4 应用案例

笔者选取中国科学院沈阳自动化研究所和金湖工业物联网应用研发中心联合实施的某油田作业区生产监控项目为案例进行探讨，分析物联网技术在数字油田中的具体应用。该项目实施的目标： 实现油田生产远程实时监控、油水井(站)无人值守、工况自动诊断、分析、自动计量、自动“恒流”注水；在统一数据平台的基础上，确保生产监控系统建设有序发展，为领导决策提供依据，为工程设计人员和施工人员提供参考；统一、共享的数据为以后各专业相关系统的应用提供了数据支持。

该项目采用了江苏红光仪表厂有限公司自行研发的高精度微功耗无线压力、温度、流量等传感器，测量载荷等工况数据，为用户提供油田单井管理自动化解决方案，可以对油井数据进行实时采集和分析，具有间抽、采集密度、开关井、远程变频等远程控制功能。传感器采用微功耗主控芯片和相应的节能控制程序，长时期处于微功耗状态；采用高能电池供电，在没有外部供电的情况下，能连续工作1 a以上，可靠性高，特别适用于无工业电源的数据采集及控制系统。

该项目的网络环境主要利用油田已建成的企业局域网，为满足井场的网络畅通，需要对不足部分进行扩充和升级，基于目前光纤已到计量间或联合站，自建了井场WIA无线网络，以低成本实现对工业全流程的“泛在感知”。 在油田井口数据采集监控中，各个信息采集点的实时数据先送到现场网关，中心站可以通过GPRS或局域网从网关获得数据；在中心站可进行数据的初步处理，并在本地显示，用以监视各点的生产状况；可同步将各点的生产状态参数通过网络传回厂中心数据库，为数据共享和进一步处理做好准备。

5 油田物联网技术的发展趋势

技术的发展是一个持续的过程，物联网技术的进一步发展建设以及需求的进一步增加，将推动数字油田逐步向更智能的方向发展。

1) 数据融合技术。油田物联网所采集的数据对油田十分重要，尤其是井中数据、注水数据和产量数据。将离散的数据进行整合、融合，从中发现更多有价值的信息，还存在较大困难，缺乏对多源、多维信息的协同处理和综合利用，因而在准确性、可靠性和实用性等方面存在着不同程度的缺陷，不能满足生产实际的要求。在大数据时代，将同类数据纵向融合分析，将不同类的数据横向融合深度分析，将是未来的一个趋势。

2) 可视化技术。将油气田生产状态、工业视频等各类信息高度集中，以虚拟现实或三维可视化的方式进行场景显示，确保操作和决策人员迅速准确地掌握所有信息并快速决策，达到监控油气勘探、开发、生产、运输等目的。目前初步实现了油藏分析、钻采工程、生产过程等领域的可视化，但在如下方面需继续深化： 建立地面动态的高性能可视化的业务管理系统，建立地下动态虚拟现实的协同研究中心，集成地面、地下一体化三维全息平台。

3) 云计算技术。数字油田云计算技术应用的主要目标是实现油气田企业的IT基础设施资源(存储资源、计算资源、通信资源等)、数据资源(专业数据资源、企业管理信息等)、应用软件资源等方面的统一共享服务，从而减少资源投入成本，最大程度地发挥资源应用优势。

6 结束语

数字油田的建立是石油产业现代化的具体体现，而数字油田建设离不开物联网技术的强力支持，二者密不可分。在未来的发展过程中，随着油田勘探开发的进一步深入、信息采集与智能计算技术的迅速发展、互联网与移动通信网的广泛应用以及与传感网结合的不断深入，油田物联网的应用价值也会越来越高。

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Application of Internet of Things Technology in Digital Oilfield

Wan Jun, Wang Hongyuan

(Changzhou University, Changzhou, 213164, China)

s： Oilfield Internet of Things (IoT) is the application of sensor technology, wireless communication technology in oilfield manufacturing process. Digital oilfield construction through data fusion technology, visualization technology and cloud computing technology can’t be realized without strong support of IoT, these two are interwovenness. Based on current situation of domestic digital oilfield construction, the application of IoT in digital oilfield is reviewed. Real-time data of oilfield manufacturing process and link objects is acquired through utilization of various kinds of sensors. The data is transmitted to control center by wired or wireless modes. After the acquired data through sensors is processed at control center, the detection object is under real time feedback and control according to the analysis result. With further development of oilfield exploration, the digital oilfield will be pushed to the direction of more intelligent development. The IoT has more wide development space.

internet of things; digital oilfield; sensor; wireless communication

江苏省产学研联合创新资金项目(BY2012097,BY2013024)。

万军(1978—)，男，汉族，博士，主要从事复杂系统的建模控制与仿真、物联网的研究，任讲师。

TP311

A

1007-7324(2015)01-0001-04

稿件收到日期： 2015-01-04。