采油掺水区域物联自控技术优化研究

王雪冰，童慧芳（中国石油大学胜利学院，山东东营，257000）



采油掺水区域物联自控技术优化研究

王雪冰，童慧芳
（中国石油大学胜利学院，山东东营，257000）

摘 要：油田稠油井掺水是采油开发的重要工作。为解决人工控制的掺水精度差、效率低、成本高的问题，应用物联网技术在油田前端开发装配网关，对仪表设备进行信息采集，完成阀门步幅微调控制等；在远程管理中心，研发集中控制平台，对各个掺水计量站的流量计、压力表和介质温度等进行实时远程数据采集与处理，实现了通过油井前端网关对油井掺水优化管理与自动化控制。本文所研究的项目对我国稠油井掺水时，控制水电浪费、增加油井采油产量等方面有积极作用。

关键词：掺水自控；无线多跳网络；物联优化

引言

由于我国实际地质特点，在油田各类油井中稠油井所占有比例达到了30%，而通过热采掺水工艺进行驱油的采油方式占比约80%。通过提高稠油井掺水自动化的生产能力，保证掺水生产合理使用，优化油井节能规划，降低成本，节能减排，并对石油生产量提供有力支持，对油井掺水出油工作进行准确的管控已经迫在眉睫。

从现国内研究的情况看，油田行业缺少基于中小型油区物联网技术的研发，油田主要采用PLC技术进行大型自控推广。但随着网络应用技术发展，特别是物联网技术的灵活性和低成本，对实现局部小油区的自控生产，有非常大的优势［1-3］。在未来“数字化油田”的物联网构建规划中，本研究可以起到一定的示范参考作用。

1 基于无线多跳网络的区域性自控物联框架

利用传统自控与网络技术的结合，提升油田掺水工艺的数字化管控。前端采用嵌入式开发技术，对仪表、阀门和输送泵进行联动控制总体设计规划，使管道压力控制在合理的MPA区间，掺水介质流量根据单井要求灵活控制［4］。在通信链路中，可利用无线多跳网络技术，应用无线通讯5.8GHz处理模块完成无线路由算法，依据802.11n，在300Mbps带宽上实现双工通信；开发可扩展无线中继链路带宽算法，从而满足油井掺水站多媒体信息传输的信道带宽要求。管理应用平台拟采用3D仿真技术，利用JAVA等语言开发数字化掺水流程，达到直观、简易的管控界面。应用优化结构示意如图1所示。

图1 掺水自控优化结构示意图

（1）前端开发网关

利用嵌入式和TCP/IP网络技术，解决工业协议的网络通信，控制流量控制阀门、电动执行机构等部件；同时根据电磁流量计的波动反馈，微调阀门的开闭幅度，解决前端的自控需求。控制前移，实现了中心软件管理平台的远程控制，保证了整个系统的安全应急级别。

（2）无线信道

根据油田油井分布位置，以及主次突出的特点，信息传送采取多样化。以3-5公里为界，进行无线多跳网络通讯的功能性研究［5］，组网形式可以分成两个步骤：一是以无线网桥的形式搭建无线网络。其路由优化和自组网的能力较弱，只能实现固定通讯链路的数据传输，优势是稳定的实现点对点的数据传输。二是在第一步的硬件基础上，构建第二代WiFi为基础的多跳网络，进行路由优化、信道平衡、信道链路优化、自主安全管理等功能模块研发。WiFi和无线多跳网络可以相互补充、相互融合，实现多协议的传输组合，实现了灵活处理油井掺水节点的故障信道切换、带宽合并等技术应用，解决了油田特殊环境的生产数据和多媒体的传输要求。

（3）基于B/S架构的3D管控平台开发

利用JAVA语言的WEB开发技术，结合组态软件、3D仿真的配套开发技术，实现远程的管控平台［6］。在实现仪表数据采集、临界报警等功能基础上，进行远程的流量数值设定和输送泵的联动调节的功能提升研究，以及对压力、温度、流量等基础数据的分析，形成关联算法，进而提高了中心管控平台的联动及应急处理能力。中心管控系统平台只对管道流量进行一次性数值输入，其他环节系统自动干预，方便采油工的操作。

2 掺水中心管控平台的优化研究

在前端，利用传感器、应用网关、采集压力表、电磁流量计等采集的实时数据为基础，程序控制执行操作机构，有效触动电动阀门，控制行程，形成对流量的实时控制。而中心掺水控制平台研究包括：

（1）在提升采油矿数字化指挥管理的同时，以目前的掺水业务为基础，分析、提炼出业务核心内容，并给其提供新的管理方法和模式，提升其管理水平；

（2）依靠标准数据库，结合业务管理的实际需求，形成采油矿的掺水数据资料管理体系，这是非常重要的基础工作；

（3）运用先进的软件技术，开发出能够切实满足业务需要的软件系统，也是掺水优化的技术关键；

（4）管控平台总体架构：系统在设计过程中，一方面使用B/S开发体系，采用目前先进的三层结构，分别在数据层、功能逻辑层和表现层，结合油田的统一数据编制标准，进行数据库、业务功能、WEB 界面设计，达到逻辑数据源和标准的统一。另一方面利用组态软件的自控开发功能，对前端仪器、仪表数据采集，整合控制相关数据和信息，纳入B/S开发体系，从而提高掺水应用系统平台的灵活性和网络性；

（5）管控软件平台主要技术：①物理层——信息系统的数据采集与传输层，是采油厂源点数据源，汇总到平台形成掺水控制信息；②功能逻辑层——在业务数字平台，通过标准数据库及源数据的综合运算，在应用服务器上有效调用掺水综合管理功能模块，从而实现掺水、报警、阀控、调度、泵控等处理功能和具体应用。③表现层——该门户系统提供用户验证、应用定制、外部系统接口的功能。门户系统通过对业务逻辑层的定制，为用户定制三维的应用界面。

3 掺水物联优化的技术应用思路

掺水控制物联信息化是把前端掺水传感器和各类执行机构作为信号源和指令操作对象，通过前端数据采集、信令转换、传输，结合中心自控指令进行一级调控；同时利用无线多跳网络进行TCP/IP协议传输，使中心与前端实现自控指令、图像、视频等信息交互，保证通过应用平台对掺水数据整理、汇总、分析、处理的同时，形成对前端掺水执行设备的二级管控。

（1）前端可采用32位嵌入式应用型网关，实现本地化仪表与阀门之间的联动微调，减轻对中心管理平台的依赖，具有应急处理功能，提高系统的准确和高效性。 前端采集和执行机构的整合原理图，如图2所示。

图2 前端采集原理图

（2）无线通信链路的多跳网络算法技术应用，提升信道带宽。稠油井的信息占用带宽主要有两部分：一部分为应用网关与掺水管控服务器的双工掺水数据流；另一部分为中心视频服务平台与前端摄像机的视频采集分发的视频流。其中应用网关与掺水管控服务器的双工数据流基本维持在K数量级，依据100油井的掺水核算标准，单位时间的占用带宽可以维持在5MBPS以内。而中心视频服务平台所需的带宽可以根据一个平台的满负荷前端数量50%的视频进行同时监看和并发规模进行规划。在无线基站建设中，为了保证支持多频段信道，防止干扰，最大限度的节省光纤铺设或租用成本，边缘型基站和主干线路基站的通讯信道可采用5.8GHz频段设备。另外根据基站信号的传播特性，以及圆极化天线相比传统的线极化天线拥有更多的优良性能，如在恶劣天气、移动环境、非视距等复杂环境下能提供更好的有效信号连接，因此作为无线多跳网络中基础通讯部分，增加功率增益设备，在无线通道中使用圆极化天线。由于大部分稠油井都分布在野外荒原中，为了更好地保证无线链路的带宽通信安全，还需加强避雷、电源防雷和信号防雷的优化处理。

（3）中心管控平台采用3D仿真技术对现场进行模拟，动态、实时地显示前端各设备的生产工作状况。以单个油井为统计单位，通过对掺水管路的瞬时流量、累计流量、动态压力、水温、油温等进行数据采集；通过中心管控平台的WEB操作界面，对掺水动态数据的进行二维和三维数字和模拟显示，并可设定时间、数值边界等各类条件，还可设置关键词进行查询、核算、汇总，还可输出相应的日报表、月报表和年报表等。

总之，每个掺水油区管辖多个掺水站，中心管控平台以掺水站为管理单位，设置操作编辑、查询、修改以及删除等功能，还要重点加强掺水预警、报警、历史数据管理分析等多个模块的研发。

4 结论

在采油区，研究区域物联自控技术，主要基于“物联网”技术，前端采用微处理器为中心，形成嵌入式、网关处理的一级自控；中间信道基于无线多跳网路技术；后台利用JAVA和WEB管理开发体系，形成了二级自动管控的掺水管理系统，解决了传统的PLC自控技术在采油掺水区域运行成本高、灵活性低、逻辑固化、难推广等问题。本优化方案对油田的其他中小区域自控网络化建设提供了应用参考示范。

参考文献

［1］ 彭力.基于案例的物联网导论.北京：化学工业出版社，2012.

［2］ 石志国，王志良，丁大伟.物联网技术与应用.北京：清华大学出版社，2012.

［3］ 詹青龙，刘建卿.物联网工程导论.北京：清华大学出版社，2012.

［4］ 尹红卫，周宠.采油工程生产运行管理系统［J］.数字化工，2005（09）.

［5］ 邵惠鹤.工业过程高级控制.上海：上海交通大学出版社，1997.

［6］ 侯志林.过程控制与自动化仪表.北京：机械工业出版社，2000.

Oil Water Area “WuLian” Optimization of Automatic Control Technology

Xuebing Wang， Huifang Tong
（Victory College， China University of Petroleum， Dongying， Shandong， 257000， China）

Abstract：Oil wells of water is an important oil production development.In order to solve the problem manually controlled watering poor accuracy， low efficiency， high cost， the internet of things and other technology should be applied.In the oil field devlopment of front-end assembly gateway， completed information collection，the valve stride fine-tuning control.In the remote management center， researched and found centralized control platform， remote real-time data acquisition and processing of various watered metering station， the pressure gauge and the temperature of the medium.This research project has a positive effect on heavy oil control of China's hydropower waste and increases the oil extraction yield.

Key words：Water Control； Multi Hop Wireless Networks； Joint Optimization

中图分类号：TE 19

文献标识码：A

文章编号：2095-8412 （2016） 02-164-04

DOI：工业技术创新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.014

作者简介：

王雪冰，工程硕士，副教授，现为中国石油大学胜利学院教师，于1997年毕业于北京师范大学电子信息专业，主要担任了《软件模式设计及应用》、《网络规划与组建》等专业应用类课程和《微机原理与接口技术》、《数据结构》等专业基础类课程。现为工信部中国信息化推进联盟“应急容灾专业委员会”专家委员、山东大学东营研究院“信号与信息处理”领域特聘专家，天津大学硕士生校外指导教师。

E-mail： bbxxww2002@163.com