油田数字化建设中集油配注系统分布式自控系统的设计

2022-07-20吴泓润

中国管理信息化 2022年9期

毕博，王杨，吴泓润

（1.国家管网集团北方管道有限责任公司长春输油气分公司，长春 130000；2.国家管网集团吉林天然气管道有限责任公司，长春 130000）

0 引言

近几年信息化技术不断在进步，油田公司中生产设备数量不断增多，油田开发的难度不断提高。在此背景下，油田中生产与经营的工作量增大，提升效率、降低成本成为了当下油田公司发展中要解决的重要问题。为了在油田建设中更高效率地投入人力与物力，要促进信息化发展，有效利用数字化技术手段，进一步探索数字化油田开发与管理新思路。数字油田实际上就是油田建设管理的信息化、数字化与标准化，基于数据信息资源，以数据网络交互为重要渠道，将软硬件、信息与其他功能集于一体，创建综合管理的信息系统。数字油田的概念有狭义与广义之分，狭义的数字油田包括油田勘探、开发与钻采等环节。广义的数字油田是油田运用系统的有效集成体，是石油公司中的数字化模型，是油田自然状态下的信息技术虚拟体，是数字化的公司实体等。中国石油公司对数字化建设，给予高度重视，很多油田都根据自身实际情况，制定数字油田的建设与发展战略。从广义分析数字油田的建设，则是十分烦琐复杂的过程。

现在我国油田建设数字化系统已经成为常态。油田企业生产过程中产生了大量的数据，此时实时数据库便可发挥自身的优势，长时间、高效率地储存数据。2015 年以前，大多数油田公司信息化建设还未运用在管理中，数字化软件的承载能力弱。在对相关数据库技术进行调查后，发现实时数据库在储存与查询数据方面有更大优势。因此，石油公司在油田数字化建设中应用了实时数据库技术与分布式数据库技术，再建设一套实时数据管理平台。本文探讨油田数字化建设中集油配注系统分布式自控系统的设计。

1 油田数字化建设中集油配注系统分布式自控系统功能建设设计

1.1 集油环掺水控制系统设计

图1 为集油环掺水控制系统示意图，每一个集油掺水管线中都装有数字化掺水压力表和数字化掺水流量计，用于检测集油环掺水的压力与流量（累计流量、瞬时流量），然后通过流量控制阀来控制掺水流量与压力。油田数字化建设中在回油管线处安装数字化油温度计，来监测集油环的回油温度。在实际工作中，多个参数互相影响，包括回油温度、掺水压力、掺水累计流量与瞬时流量等，四方面互相耦合，为整体进行掺水控制带来较大难度。依据对传统油田现场实际控制经验可知，数字化油田中的掺水压力波动数值，可作为集油环中结蜡是否有堵环风险等问题的主要判断依据，而掺水瞬时流量则能够作为次要判别依据。所以依据实际需求，在油田数字化建设工作中，拟在掺水管中增加来水温度计，用来监测汇管来水温度。然后在后期程序的控制与维护中，优先检测汇管来水温度，判断是否加压。

图1 集油环掺水控制系统示意

1.2 注水流量控制系统设计

图2 是集油配注系统分布式自控系统中注水流量控制系统示意图，每一个注水管都装有数字式注水流量计与油管压力管，检测每一个水井油管的压力、累计水量与瞬时水量，另外，还要安装水量控制阀，调节注水量。在油田实际生产过程中，来自底层的单口水井油管压力数据可以反映目标注水层的情况，这不是可以人为调节的。累计水量与瞬时水量的大小，受油管压力影响。所以可依据油田现场的实际操作控制需求，先完成油管压力低的水井配注，而油管压力高的水井，则在满足油管压力低的水井完成配注任务工作前，依照计划设计水量，完成最终的配注任务。此处的注水流量控制系统的数字化设计有硬性要求，就是注水过程中的水压尽量保持平稳，尽量降低压力与流量的波动，必要时可进行短期调节。

图2 集油配注系统分布式自控系统中注水流量控制系统示意

1.3 分布式数据管理系统设计

首先，设计实时数据查看功能，对集油配注系统工作中产生的数据进行即时检测并采集，通过采集的设备、采集的点等多种形式查看数据，辅助使用者判断采集配置正确性与数据自身的正确性。另外，实时数据查看还具有分页展示功能。其次，油井单井跟踪。可据此功能快速查询生产对象的运行参数，探究油气生产运行的规律，帮助用户了解生产运行是否处于合理的状态。最后，设计历史数据查看功能。用户可根据业务需求，利用历史数据查看功能观看一段时间内的生产数据，还支持对时间段、站点、点类型等自定义，完成个性化数据的查询。

2 油田数字化建设中集油配注系统分布式自控系统数据库设计

油田数字化建设中集油配注系统分布式自控系统数据库的设计，是基于此项目的工作特征与运用场景。在进行数据库开发的时候，以Erlang 技术为核心技术。Erlang 作为一种动态的、结构化的编程语言，适合运用于实时与并行、分布式的计算系统。在此运用Erlang 技术编写的程序，往往是由上千万个轻量级的进程构成，然后利用消息传递方式互相通信。在进程中的上下文切换，只是Erlang 技术中的一小部分环节。与C 程序相比，Erlang 技术线程切换更加高效，主要特点为：并发性、分布式、健壮性、软实时性、递增式代码装载、外部接口、速错、动态类型、支持脚本运行等。将此运用于系统数据库的设计，主要包括以下4 个方面。

2.1 数据库数据采集功能设计

第一，对接协议。使用Erlang 技术可自然实现Modbus 协议，可以满足传统数据化中Modbus 协议对于寄存器的读与写操作，还能突破对传统采集器的单词采集地址最大长度的限制，并可对知识列表中的数据进行采集。传统的采集器不能采集功图问题也能通过对接协议加以解决，协议内部有多种通信协议，如PLC 和RTU，与当下油田主流信息的传输协议完全兼容，并与RTU 连接配置，快速完成多种数据与设备管理信息的接入。第二，分布式采集。在油田中支持Modbus 协议的分布式采集，发挥Erlang 并发性特点，一个RTU 运用一个独立的进程，然后依据RTU 点表规则，采集数据，不同进程之间不共享数据。在服务器的多核处理器与服务器中进行分布式采集。确保读取数据的稳定性与高效性。第三，数据预处理。通过RTU 采集的数据，还需进行预处理之后再使用，采集器开发预处理表达式中的解析板块，支持精度处理、四则运算法则处理，可以通过不同操作系统的大小端配置让用户灵活操作。

2.2 数据库对外接口设计

油田数据库实时访问方式有很多种，如API、OPC、OLEDB、ODBC 等。第一，OPC 方式访问。在OPC 客户端访问服务器的时候，与DDE 相似，将OPC 服务器作为I／O 设备，以此驱动方法读取实时数据，然后转存到关系型的数据库。现在现场使用的是力控ForceContro数据库，在此只能借助OPC 方式获得数据。第二，DDE客户端访问。将DDE 服务器作为I／O 设备，完成本机从远程数据库中实时获取数据。系统提供DDE 驱动程序，完成与DDE 服务器中数据的交换。进而在DDE 客户端中，将读取的数据转存到关系型数据库中。第三，API 方式访问。借助API 形式获得油田中的实时数据，着力控制数据库的同时落实DBCOMM 接口，在API 辅助下获得实时数据并保存。第四，ODBC 方式访问。微软为开放式数据库的使用提供多种关系数据的使用接口，在该标准下的关系数据库就是ODBC 数据库。系统为数据库数据资源的配置提供关系型工具，灵活运用数据源。监听程序下利用预制导入规则，选择数据源，定期定时将数据导入关系型数据库，完成数据的永久性保存。力控数据库的运用可创建数据库连接规范，优化数据库，通过脚本的创建，编辑已有数据，为石油公司中的数据设置不同触发条件，转存为有效数据。

根据上述介绍，对几种数据转储方案进行分析，具体操作为：先创建数据源，然后利用数据转存任务设置转储数据点，结合多、单记录等转储形式，为用户提供适合的类型，选择触发方式。接着保存设置转存任务，借助检测工具查看有关任务，如检测连接状态、转储状态等。

2.3 点表管理设计

基于采集设备与用户的使用习惯，要对采集点中的配置进行管理，进而灵活增加新的采集点与设备，构建以计量单位、组织结构为分类依据的油田采集设备分类管理体系，完成对采集设备的分层管理，便于对油田用户的管理。另外，在系统使用过程中，发现多个采集点的对象采集设备大同小异，所以可创建默认点表的批量配置，最大限度地提升点表配置效率。

第一，以RTU 配置默认点表。油田中有很多类别的点表，如配注间、水井、油井中的点表，其相似度较高。所以用户在创建RTU 采集设备的时候，可能会默认统一的点表，必要的时候进行些许改动即可，如此在新RTU 采集设备添加上，可减少近90%的工作量。第二，点表的修改上，让其具有可退回功能。在分离机制与点表维护下，支持数据可退回到上次提交前，以此可确保点表维护工作的完整性。第三，点表规则支持预处理表达式。RTU 采集数据后，经过预处理再使用，采集器开发预处理表达式的解析环节，在四则运算法则与精准处理下，设置不同操作系统的多端配置，让用户能够灵活配置。如采集的原始数据为X，配置X 则不能是经过任何处理的。第四，已配置点表的管理。在Web 页面中运用RTU 新增与删除过后，重新创建点表规则，发挥修改、删除与查看等功能。对于点表的管理，要运用分离设计，所以点表在提交前还支持退回，避免产生错误数据不能修复。

2.4 基础信息管理设计

油田数据库的设计与运用，需要在静态基础信息基础上构建维护管理机制，以此才能有效删改井、站集油间、配注间中生产工艺环节等基础信息，完成生产对象的关系维护。另外，为了提升系统的效率与实用性，保持数据的同步，还需考虑其他要点的设计。如服务端生成的ID 可以修改，可能产生已验证ID 重复的情况。集油间／环的关系需要修改，在井内增加外键，防止产生隶属关系脱节等问题。