物联网技术在石油行业中的探索与应用

高 倩

（辽河石油勘探局有限公司信息工程分公司，辽宁 盘锦 124010）

物联网技术(Internet of Things）的含义是指世界万物互联互通的数据信息网络系统，是指广大人民群众借助数据信息传感装置，使用射频辨别科技方法、无线网络通信技术、人工智能AI技术和自动控制技术等措施把世间万物和互联网联系起来，达成智慧化辨别、位置确定、方位追踪、视频图像监控及管理的系统。现阶段，根据矿井、库站等油气田开采作业现场的参数信息收集、开采过程把控、数据信息结构改进、管理过程决定等凸显关键，把物联网相关科技、通信技术及数据信息科技相结合的油气田开采物联网体系在智能辨别、参数信息结合、参数信息使用等层面起到至关重要的作用，油气田开采过程应用物联网技术是油气田数据信息化工程进步的必然发展方向。因为其具备非常广阔的使用前景，所以各个石油开采相关单位正在强化物联网相关技术应用方面的研发力度。油气田开采物联网体系即根据物联网相关科技，完成油气田矿井区域、装置运行情况、计量室、处理厂开采参数信息、集输室及综合处理室集中管控。组建油气田场站标准参数信息管控系统，提升油气田开采工作的准确性。

油气田开采过程物联网系统牵涉油气开采全产业链条，制造工艺复杂，包含油气矿井的生产过程管控、加水站、加气站、油气开采站及综合服务站等业务范畴。油气田开采物联网技术主要功能有：完成开采过程参数信息自动化收集、远距离监控、开采过程出现问题报警，支撑油气田开采进程管控，最大限度地提升油气田开采作业的准确程度和时效性；提升开采过程管控效果，减少生产成本及安全隐患；建立规范的数据管理和物联网建设、管理技术体系；借助信息技术和工业工程的结合，油气田开采物联网体系提升了开采进程中所有技术环节的自动化水平，提高了开采作业管控的工作效率，确保了开采过程的连续、平稳及高效运行。通过油气生产物联网建设，实现了对传统油气生产方式的优化创新，为油气生产业务精细化管理提供保障。

传统的油气日常生产井站管理,到整个企业人员管理，直至跨地区尤其敏感地区的安全管理等环节存在一些问题，具体体现在以下几个方面：

（1）员工老龄化严重，企业机构冗余陈旧。采油厂员工年龄梯度不平衡，随着员工自然减员、劳务输出，近几年操作工人自然递减较快，没有人员补充，已经面临一线操作岗位员工的严重短缺。因此，需要通过物联网工程建设，进一步推进油田生产管理模式创新，力争做到“增井、增站、不增人”的目标。近些年来，由于石油行业不景气，为了增产增效，各大石油企业都在推进组织扁平化管理，推行采油厂-作业区两级管理模式，取消中心站（基层队）管理层级，因此必须借助物联网的建设推动组织结构的调整。

（2）开采方式转变带来的生产效率低下。随着油田各采油厂产量降低和开采方式的转变，计量接转站、联合站各环节运行负荷低、不平衡问题比较突出。为提升运行效率、简化工艺流程，规划实施大量地面集输工艺优化项目，单人管井数、单人巡检路线大大提升，同时工艺的改变对工艺参数的自动采集和控制提出更高的要求，急需建立数字化、物联网化管控平台。

（3）敏感地区生产安全不能保障。由于石油行业所处领域多毗邻农田，属环境敏感区域，管道运行多年泄漏严重，环保压力大。随着国家、集团公司对环保要求日趋严格，应及时发现油田生产跑、冒、滴、漏，使操作人员能够及时采取措施，避免出现原油损失和环境污染。

尤其是油田地质条件多样，开采工艺复杂，生产过程高温高压，现行的生产管理模式对员工的责任心和熟练程度依赖性高，员工工作量多、劳动强度大，生产安全风险高；各采油厂油区现场分布点多面广，油田上下班行车安全、现场员工生活保障等方面也面临一定困难。

数字油田是为了解决油田老龄化、推进企业扁平化管理、提高生产效率等一系列问题而提出的最新概念，是指油田企业在生产、管理过程中，运用物联网技术、传感器技术实现油田的信息化、平台化管理。在油田的运行过程中，通过传感器采集的各类信息，经过无线传输汇聚到云端，在云计算服务帮助下，帮助油田高效、稳定运转。

上述基于物联网的果蔬运输系统的应用，能够促进果蔬在运输过程中的透明管理，使得整个系统可视化程度更高，可以减少新鲜果蔬在运输过程中的损失，保证应有的社会效益和经济效益。

数字油田是广大油田企业今后进一步发展的方向，可以保证持续发展，并且一直保持强有力的竞争力，油田的发展势必需要高智能趋势的物联网技术手段。数字油田的概念如图1所示。

在油气田物联网建立和完善的过程中，数字油田需要在油井、转接站、注水站、配水间等位置得到一些数据，且通常是一些电流数据，一线员工需要实时掌握罐内的液位、流量、可燃气体体积分数等相关的信息。所有的传感器都通过无线传输方式（ZigBee/LoRa）传输至数据采集传输终端（RTU或PLC），由RTU或PLC传输至生产基地服务器。整个无线采集传输系统采集的参数包括：载荷、位移、压力、温度、电参量、流量等。其中采集系统包括：远程终端单元（RTU或PLC）、无线压力传感器、无线温度传感器、无线流量计等。油井口传感采集如图2所示。

图2 油井口传感采集示意图

目前很多石油化工开采单位已制定了相关装置离线检查、系统设备抽检及在线监测评估体系，即为物联网技术在装备链管控中的初步应用。应用离线检查、设备抽检及在线监测评估、精确科研仪器等装置及措施，可以即时了解相关装置工作的情况，尽量实现预先判断维修的目标。根据传感装置网络的油气田开采物联网系统框架如图3所示。

图3 油气田开采物联网系统框架

参数信息收集和现场监控分支体系：

通常是使用射频及传感等相关科技，探测油气田的开采过程数据信息，搭建涵盖油气田整个开采过程精确安全及平稳的油气田物联网收集和现场监控分支体系。达成收集参数信息完备精确、开采进程把控及时准确、生产管控行之有效及系统操控安全稳定的目的。

参数信息收集和现场监控分支体系依据各类油气田矿藏种类、各类油气田不同的开采技术要求，使用不同的传感装置或者变频装置及图像监控装置完成开采作业参数信息及现场工作情况的即时收集，与此同时接收控制指挥中心传输的操作指令完成有关装置的自动化操控。在数据采集与监控子系统的建设方案中，在保持技术先进性的前提下，充分依托已建设施和系统，优先考虑国产化、低功耗的仪表、控制器、组态软件等，确保从技术方案源头降低整体建设费用。

针对单井、计量室、转接室、加注室、综合处理室等制造部门，挑选制造过程中关键的工艺技术要求，经过针对智能仪器、气动/电子传动机构、远距离监控模块等装置的安装，完成制造过程的相关参数信息收集及监控工作。

参数信息传输分支系统：

按照各油田公司的网络规划和要求，建设与完善数据传输系统，站库间借助线缆进行数据传输，以光纤参数信息传输为主要模式，矿井及远距离数据库借助无线网络进行相关数据信息传送，实现生产数据、视频图像、控制指令的统一承载，满足生产数据传输、应用业务隔离、用户访问可控等安全要求。

生产管理子系统：

生产管理子系统提供生产过程监测、生产分析与工况诊断、物联网设备管理、视频监测、报表管理、数据管理、辅助分析与决策支持、系统管理、运维管理功能。

物联网技术在油气田企业中的应用将会越来越广。目前，物联网技术在石油企业日常生产中已经得到一些成功经验，长庆油田、大庆的庆新油田、青海油田、大港油田等都进行了相关技术的研究。

在油田的物联网化建设过程中离不开无线模块尤其是ZigBee和LoRa的数据传输。两种传输方式的选取需要结合石油企业自身的条件来考虑。

LoRa技术的优势：

（1）LoRa网络组建传输单元内部使用直接传输技术要求，相当于在各个单元之间创建了无线的传输通道。用户能够在不了解内部复杂的相关无线网络传输技术要求的情况下，迅速完成组建网络，显著减少了项目装备成本和作业的困难程度。

（2）LoRa网络组建传输单元一般出厂内置自组网透明传输协议。并且用户可以根据实际的应用需求，使用LoRaWAN协议、LinkWAN协议或CLAA协议等。用户可以直接进行使用，最大限度地降低开发周期。

（3）LoRa网络组建传输单元具有完备的进入网络、退出网络、通道规划、节点把控及白目录等作用，还能够使网络组建进程简化成一键式操控，使用户在搭建相关网络时非常方便且快捷。

（4）在自行组件的网络模式下，LoRa组网透传模块可自动判断现场的信道使用情况，选择空闲、干净、可靠的信道进行组网通信，有效避免同频段干扰。

ZigBee技术以ZM33系列模块特点如下：

（1）ZM33系列高性能ZigBee模块在不加PA的情况下就可以达到20分贝毫瓦的额定功率，搭配-98分贝毫瓦的灵敏度值，能够给出大于3.35千米的信号通信传输间距，在穿墙能力和邻道抑制性能上也有显著提升。

（2）ZM33型式高品质ZigBee单元具备优良的网络组建功能，能够一键完成Mash网络的自动组建过程，最大支持205点的非轮询Mash网络组建，110台装置自动组建网络用时小于105秒。

（3）ZM33型式ZigBee单元可以支持三类通信模式：短距离地址通信、能够修改MEC地址通讯及确定参数帧率的某个环节作为地址通信，三类通信模式能够借助AT发出的指令进行动态化模式切换。

（4）ZM33型式ZigBee单元支持ARS125通信保密及新装置登录保密，使用非常规装置由空中拾取也不能读取相关参数信息，确保参数信息安全、平稳及高效传输。

由于物联网技术在石油行业应用的探索已经开始，各大石油企业都在努力建设物联网，伴随着物联网相关技术的持续熟练使用，今后将会有更加先进的科学技术手段及探索成果在油气开采相关单位得到合理的使用。