基于物联网技术的油田采油设备远程监控方法

周若男

摘要：当前油田采油设备远程监控在油田生产管理中没有设计物与物的感知体系，导致采油设备生产信息远程监控的成本大幅度提高，在此背景下提出基于物联网技术的油田采油设备远程监控方法。在物联网采油设备生产信息远程监控架构的基础上，利用物联网技术精准监控采油设备实时生产动态和原油的液面高低变化，并进行全天候的现场信息采集，最后通过WEB人机交互集中管理油田，实现油田数字化。通过对比实验的数据得知，基于物联网技术的油田采油设备远程监控的方法相比较于天行实时数据云平台监控方法和基于LoRa通信的远程监控方法，超帧开销小，传输的次数少，减弱了所耗费的成本，因此适用于油田采油设备远程监控。

关键词：物联网技术；油田；采油设备；远程监控；监控方法

一、前言

由于油田采油设备所处的环境大多处于十分恶劣的天气条件下，虽然采油装置的应用已经具备无人值守的效果，但是仍然需要有工作人员在现场值班确保装置安全稳定地运行，因此需要对油田采油设备进行远程监控，这也成为当前油田企业需要解决的首要问题[1]。汤姆[2]等人利用于Erlang的并发特性构建实时数据云平台，通过数据采集的方式确保数据流计算算力，提高数据实时传输效果。结合DATimsien数据订阅，提高事件报警自动化处理效果，确保油田生产安全性。但是该方法未进行数据处理耗时方面的测试，在提高油田故障报警处理速率方面有待验证。张玉杰[3]等人通过LoRa组网通信的方式完成油田远距离数据自动处理，利用TDMA划分数据传输区域，降低网关节点功耗，提升节点的抗干扰能力，实现油田数据低速率传输。但该方法在大规模复杂环境下的数据传输能力需要进一步提升，其计算的算力有待进一步验证。

物联网技术通过无线网络的融合将数据信息进行有效整合，以信息交流和信息共享的方式，完成物与物、物与人之间的连接，实现数据信息的分批次智能化处理。物联网技术的信息传输与共享，在能够实现油田企业生产过程中大部分采油设备的远程监控。基于此，本文基于物联网技术，设计一种适用于油田采油设备远程监控的方法。

二、基于物联网的采油设备生产信息远程监控架构

生产信息是整个油田采油设备监管体系的开端，采油设备监控负责收集和传输现场采油设备的生产数据。主要完成油田采油偏远油井作业区域中的采油设备生产信息冲程、冲程、负荷、动态液面深度值、套管压力值、消耗量以及原油液位产量的监控[4]。物联网具有监控、扫描、远程处理等优势，所以利用物联网构建远程监控架构可以有效提高采油设备生产信息远程监控效果。物联网采油设备生产信息远程监控基本架构共分为三层，分别为应用层，传输层以及感知层。基本架构如图1所示。

其中应用层作为顶层结构，负责人机交互和储存管理采集到的数据，提高数据应用效果。通过云计算优化油田采油节点数据信息处理，在云端中完成数据汇聚、数据挖掘、数据理解等提高解析服务效能，利用数据库落实WEB服务。传输层负责将采集到的数据进行加密和分包，从而进一步传输进应用层内，完成数据交换。在移动通信网络中落实数据和控制信息的双向传送，通过计算机网络和无线传感网络的融合改善感知信息传输环境。感知层是物与物互联的基础，基于物联网的采油设备的生产监控主要是利用传感设备和通信技术监控生产井的生产动态，并完成生产动态数据的收集及实时上传。通过RFID标签提升采油数据信息采集速率，利用传感器节点协同感知油田周围环境和自身采油状态，延伸数据信息采集。以GPS定位为基础对采集到的采油数据进行初步判别，方便采油管理人员随时登录服务器查询[5]。

三、油田采油设备监控方法

（一）采油设备液位装置设计

以物联网为基础的油田采油设备生产监控管理，按照物联网技术的基本构架共分三层：第一层感知层，主要是从采油设备现场的各类传感设备和仪表，对生产井生产状况进行实时监控。原油的液位监控优先选取潜力井，油井进行分类并筛选出根据油田的开发特点，通过分析采集层的单井生产数据与油田整体生产数据的关系，就能够得到具体单井的生产状态的好坏[6]。假设油井数量为 n，连续比较时间为m个月，通常为12个月，则单井产油量和产水量累计偏离油田的平均值分别为：

式中：为第口井个月的产油累计偏差（或非均质）系数；为第口井个月的产水累计偏差（或非均质）系数。为油井序号（ =1，2，3，n ）；为累计时间变量，单位为月。为油井生产时间（=1，2，3，），单位为月。为第口井第月的产油量，单位为m3/d。为第口井第月的产水量，单位为m3/d。为第月油田平均单井产油量，单位为m3/d；为第月油田平均单井产水量，单位为m3/d。

监控潜力井的产油量、产水量均低于油田平均值，具有较大的开发潜力，在此基础上收集生产动态数据如产油量、消耗量、钻机运行功率等。第二层是网络层是信息传递层，可以针对不同的环境自由选择组网方式，依靠核心网进行传输，以便完成对现场数据的快速回传、控制指令的实时传输等。第三层为应用层，应用层主要是对现场传输回来的各种信息做功能展示，以及存储至服务器内，方便采油厂管理中心对生产井现状进行诊断，并对相应问题提出决策[7]。远程监控的设计方案，实时监控和集中管理，利用现场终端集成获取液位传感器信号和变频器工作参数，进而实现对采油机器运行液位变化的监控。

（二）原油井生产管理

原油井生产管理动态同屏显示多种生产数据，可以将设备信息与采油井状态相结合，在操作界面处自动形成生产数据，经由服务器上传至生产管理数据库，以日期为单位进行整合储存。储存的油井动态生产数据可以满足随时查询的条件，方便对整体生产过程的管理。对于重点信息如原油消耗量、设备故障灯、原油产量等信息，需要在首页以醒目的方式做提醒。并将厂内偏远井的产量采用统一的标准和规范的报告和图表，生产管理系统可以通过油井的生产趋势进行相关分析曲线，实现生产过程的管理和报警管理，并可以进行时间预测。

在油井生产管理中的管理顾名思义，是通过从罐内余量反推消耗量的计算。生产管理是通过监测储油罐液面，来计算油井日产量，以完成生产管理。警报管理功能主要是预警储油罐液面过高以及液面过低这两个问题。考虑到偏远井的地理位置等特点，需设置储油罐上限预警和下限预警两种，当上限报警灯亮起时，表明原油罐已满，促使油井管理人员计划分派运油卡车，将原油及时运至卸货站。当下限报警灯亮起时，表明油罐内储存量不足，如果不添加，发动机将出现停工的情况。数据查询功能主要由服务器和数据库配合完成，通过日积月累搜集了生产井的生产数据，并将其保存在服务器中，以便日后进行生产数据分析对比。目前油田实时生产井间抽法则，要挑选部分井实现间抽生产的状态，通过日常数据的测量，也可以计算出油井需要关闭和开启的实际时间。油田的管理人员利用管理平台为偏远井制定合理的开关时间计划，减少偏远井的浪费，确保高效率开采。

（三）采油设备现场图像及视频监控

油田采油设备现场图像视频监控分为定时拍摄和手动抓拍。根据目前已有的压缩编码技术进行设计，在此基础上还增加了很多新的编码设计思想，极大地提升了编码的压缩处理效率、增强了编码算法的灵活性和可靠性，从而使得该编码技术能够更好地适应不同的网络环境。传输关键油田采油设备图像的关键信息帧的序列，为关键信息的健壮性和高效性提供了保障，大大地减少了实时传输的端到端延时。因为视频文件是通过分组的形式进行传送，所以接收端发送的数据流往往存在延时和混乱。所以若要进行流式传送，一定要从减少时延和整合数据流开始[8]。为减少时延，在视频文件的源头对所传送数据进行了预处理，包括压缩视频内容和高效压缩等。数据采集程序借助无线通信装置的数据转换，可以对作业现场提取到的生产信息和图像信息进行统一的上传和暂存，视频文件上传至无线传输设备后需要经过协议解析，解析完成后即可上传至服务器内，具体的数据采集程序如下图2所示。

通过全天候的视频图像采集，可以形成偏远油井生产动态的完整数据。受地理位置，天气等因素的影响导致现场信号强度不高，故需要使用最低分辨率的视频录制，并且在断网后可以支持断点传输功能。同时，视频采集器需要有闯入拍摄的功能，当有人闯入进入监视范围时，视频设备应自动拍摄并记录回传至油田监管中心；在监控管理中心，生产管理人员可以远程发布快照指令，以实现对生产现场的强大监控。

四、基于WEB的采油数据发布

WEB是实现人机交互的最好途径，通过使用专用网络和系统设定的用户名密码，监控中心的管理人员可以随时随地通过计算机来访问这些油井生产信息监控平台的状况[9]。通过WEB，他们也可以直接远程对生产井进行操作，是偏远井生产管理平台中重要的一环。

WEB对每个远程测控节点的无线信息采集远程控制[10]，运行可能会受到共存无线电设备的无意干扰或攻击的问题，提出了一种新的接收器，该接收器能够在存在持续干扰攻击的情况下解码其所需信号。使用优化的神经网络有效地缓解了未知干扰。

综上所述，油田采油设备现场的监控画面实时回传，可实现对现场的视频监管操作，监控不仅可以实时展示这些信息，也会将这些视频信息储存在特定的数据库中，这些数据库支持断点传输，以便日后进行视频数据访问。应用程序接口实现多种编程软件做的间抽预测程序，程序通过操作平台实现对生产井状态的监控和管理。使用WEB发布，通过互联网，这套监控设备可以在采油厂内任何一台电脑上打开。只要通过服务器的保密验证，即可访问远程油田的生产监控。由此完成采油数据信息及时发布，结合上述的油田采油设备监控方法实现基于物联网技术的油田采油设备远程监控方法。

（一）对比实验

为了验证基于物联网技术的油田采油设备远程监控方法的有效性，选取了文献[2]提出的天行实时数据云平台对采油设备生产的监控和文献[3]提出的LoRa通信监控的两种方法进行对比实验，测试油田现场设备数据的超帧开销。超帧开销与传输次数相关，传输次数少，超帧开销少，所耗费的生产成本也少。因此哪种方法下的超帧开销少，证明哪种方法更适合油田采油设备的远程监控。

（二）实验准备

油田监控主要由红外高清网络摄像机、以太网交换机以及前端设备电源电涌保护器组成，可以将拍摄数据传至服务器进行处理，实现远程智能监控。监控设备参数油田生产现场的实时数据通过一系列传感器（压力、温度、湿度、电流电压等）、摄像头进行数据采集，并将实时数据回传，实现油田生产现场设备状态、设备数据参数可以被工作人员随时随地查看。本次研究中经常使用同种通信协议，根据物联网基本结构使用一般化设计，使用 TCP/IP串行端口以及无线WI-FI 传输。田井场关键设备监视无线通信需求分析，传感器之间的距离一般在100m范围内，多井集联控制器之间的距离一般在150m范围内，多井集联控制器与中心控制室之间的距离一般在 2-3km范围内。

（三）实验结果

下面分别对本文方法、文献[2]和文献[3]中的访问现场设备数据的方法进行超帧开销分析。使用的超帧开销越大，传输的次数越多，所耗费的成本也随之增加。在文献[2]中，通常情况下时隙资源只有2个，用于数据读取的只有1个时隙，访问现场设备数据需要2个超帧。现场设备每次传输400个字节，每次需要传输7次，即访问现场设备数据需要7个超帧。文献[3]中，手持与现场设备建立连接后，手持可直接访问现场设备的数据。手持发送连接请求需要一个超帧，网络管理者返回请求需要一个超帧，访问现场设备的数据需要一个超帧，即手持访问一个现场设备需要3个超帧，则访问4个现场设备的数据需要12个超帧。本文方法、文献[2]和文献[3]超帧开销如表1所示：

测试结果表明，本文方法下使用的超帧开销小，传输的次数少，所耗费的成本也就大幅度降低。这是因为本文方法以物联网技术为基础构建了采油设备生产信息远程监控架构，通过感知层、网络层、应用层之间的协同，提高了油田采油数据信息采集和处理效能，进而降低了超帧开销。因此结合现场设备数据的超帧开销数据，证明本文设计的基于物联网技术的油田采油设备远程监控方法优于文献[2]和文献[3]所采用的方法。

五、结语

基于物联网的采油设备远程监控油田采油设备生产监控能解决当前采油面对的油井生产管理问题，能够实现油田间互联以及生产信息实时采集、共享、归纳和管理。通过对各油田的生产动态信息的分享和保存，从一定程度上解决了偏远油田分散、难管理、信息闭塞、互不连通的局面。物联网技术推进了采油数字化建设，生产动态监控为下一步采油风险勘探提供了足够的数据支撑。H

参考文献

[1]刘洋.基于物联网技术的油田数字化建设分析[J].中国设备工程，2022（15）：31-33.

[2]汤姆，赵金龙，杨帆.天行实时数据云平台在油田生产状况报警中的应用——以石西油田生产监控系统分析为例[J].信息系统工程，2020（06）：107-109.

[3]张玉杰，张佳豪.LoRa通信及其在油田监控系统中的应用[J].西安石油大学学报（自然科学版），2020，35（03）：116-121.

[4]孙国宝，周继伟.物联网技术在智能油气田井场数字化建设中的应用[J].信息系统工程，2021（10）：16-18.

[5]杨磊，文建国，顾学强等.物联网关键技术在采油厂的研究与示范应用[J].智能制造，2021（S1）：209-215+230.

[6]王逸飞，杨欣欣，李慧颖，等.油田工业物联网设备全生命周期一体化智能管理技术研究[J].智能制造，2021（S1）：224-226.

[7]艾鹏.物联网技术提高刘官庄油田数字化水平的应用路径研究[J].电子技术与软件工程，2021（17）：5-6.

[8]庄保良.数字油田背景下物联网技术在油田远程监控中的应用探讨[J].新型工业化，2021，11（05）：29-30.

[9]姚昕.油田物联网计算机网络安全与远程控制分析[J].中国管理信息化，2021，24（09）：105-106.

[10]马祥厚.物联网技术在王徐庄模式中的应用——以大港油田王徐庄油田为例[J].信息系统工程，2021（02）：72-73.