油田低成本油气生产物联网技术研究

摘要：石油行业广泛探索物联网技术的应用，尽管面临高成本、维护困难、低上线率和应用效果不佳等挑战，这些问题严重制约了物联网技术的普及和有效应用。特别是在低油价背景下，传统的高投入物联网建设模式显得更加不可持续。油田企业亟须寻找既经济又有效的物联网解决方案以应对精细化管理和全面深化改革的需求。系统研究油田低成本油气生产物联网技术，探讨物联网在油气生产中的应用，并提出了开发低成本、高效率物联网技术的可能路径，旨在为油田企业提供建设可行、易维护且成本效益高的物联网系统的参考。

关键词：物联网；油气生产；低成本技术；油田；精细化管理

一、前言

在全球石油行业经济形势日益严峻的背景下，如何通过技术创新降低成本、提高效率成为行业发展的关键。物联网技术作为提高油气生产效率和管理水平的重要工具，其在石油行业的应用受到了广泛关注。然而，物联网建设和运营的高成本及其维护的复杂性使得许多油田难以承担，尤其是在油价低迷的市场环境下。通过分析油田在物联网建设中遇到的困难和挑战，探讨了如何在保证经济效益的同时，实现物联网技术在油气生产中的有效应用，以期为同行业提供借鉴和参考。

二、应用要求

油田针对低产低效油井的经济负担，自主研发了低成本油井物联网技术，通过创新的技术架构和实用化的产品系列，显著降低了单井建设成本。该技术整合了大数据、人工智能和边缘计算等先进技术，有效地将油井管理的数字化、智能化和精细化落到实处。特别是，单井造价只需传统技术的15%，成本效益的显著提升，使该技术非常适合在生产效率较低的油田广泛推广。物联网技术的研发和应用解决了低产油田在成本控制和资源优化方面的双重挑战。通过精细化管理，油田不仅优化了资源配置，还提高了生产效率，实现了可持续发展的目标。更重要的是，该技术的实施为油田带来了较为明显的经济效益，减少了对环境的影响，符合绿色低碳发展的趋势。此外，这一技术的成功应用为其他同类型油田提供了可行的技术参考和实践经验，展示了低成本物联网技术在传统行业转型升级中的重要作用。

三、项目规范

在遵循《油田注水工程设计规范》（GB 50391-2014）中第9章公用工程第9.2小节的框架下，在项目的设计、开发和现场实施过程中，两线制仪表接入方式通过简化控制系统的连接，有效减少了控制系统的规模，不仅降低了初期的投资成本，也减少了系统的维护负担，提高了系统的可靠性和稳定性。在实施过程中，特别注意仪表和控制系统的接口配置，确保所有设备都能无缝集成，实现高效的数据传输和处理。项目中所有的通信接口统一采用MODBUS-RTU或MODBUS-TCP协议。这种统一化的做法不仅保证了不同设备之间的兼容性，也便于未来系统的升级与扩展[1]。通过采用这些行业标准的协议，项目能够支持更广泛的设备连接，提供更灵活、更可靠的通信解决方案。注水站在处理高压供电和变频泵时，信号干扰是一个常见的问题，尤其是在控制机泵组操作时。为了减少这种干扰，项目采取了继电器隔离措施。通过在控制机泵组和电力控制柜之间使用继电器来隔离离散输出信号，有效保护了模块，确保信号的传输不受干扰，增强了系统的整体可靠性和安全性。

四、应用现状

在现代油田管理中，物联网技术的应用已经成为提高生产效率和安全性的关键。通过在前端井场部署先进的监控和控制设备，油田不仅能够实现高效的资源管理，还能大幅降低运维成本，并显著提升生产过程中的安全保障。这些技术装备包括抽油机停井报警仪、测控仪以及井场电子目录设备等，它们共同构成了一个复杂的综合监控网络，实现了井场作业的高度智能化和自动化。抽油机停井报警仪是一种专门设计用于监测抽油机运行状态的装置，主要由电源模块、加速度检测模块和传输模块组成。该设备安装在抽油机的游梁部位，利用加速度传感器来实时监测游梁的运动状态。一旦游梁出现停止运动的情况，报警仪便会自动向物联网平台发送停井信号。这一功能对于快速诊断和响应设备故障至关重要，能够显著减少因故障引起的生产延误和潜在的安全风险。物联网平台进一步通过短信、微信和网络等多种通信方式，迅速通知操作员和维护团队进行处理。测控仪是一种功能更为全面的设备，集成了电源管理、数据采集、系统控制、计量和数据传输功能。这种设备能够对油井电机的电压、电流、功率、功率因数及电量等关键参数进行定时或实时监控，支持远程遥控启停井操作。除此之外，测控仪还能进行自动间抽运行和平衡度测试，这些高级功能不仅提高了油田的自动化水平，还增强了整个生产过程的可控性和可预测性。井场电子目录设备提供了另一层次的监控能力，这种先进的视频监控设备能通过移动网络实时传输图像数据，执行定时或实时的视频监控任务，特别适合于遥远或人烟稀少的井场。电子目录设备使得远程监控成为可能，大大提高了井场的安全监管水平。此外，电子目录设备的自动连拍功能可以生成动态视频，使用户能够随时查看井场的实时情况，进一步增强了监控的效果。在这一系列设备中，尤其值得一提的是它们之间的互联互通性。例如，当抽油机停井报警仪检测到异常停止时，操作员可以立即通过井场电子目录设备迅速查看现场情况，并通过测控仪进一步检查和确认故障的性质和严重程度。设备间的协同工作大大提高了处理故障的响应速度和准确性，确保了油田生产的连续性和安全性。

五、技术难题

在低油价和经济压力的背景下，不同的物联网建设模式都遭遇了高成本和低应用效率的困境。这些经验教训表明，传统的高投入物联网建设模式已经难以满足当前油田的实际需求[2]。在这种情况下，油田启动了向低成本、高效能的物联网转型。转型的首要任务是降低建设和运营成本。油田通过自主研发和采用开源技术，减少了对外部技术和服务的依赖。例如，开发了基于开源平台的数据管理系统，不仅减少了软件许可和维护的费用，同时也提高了系统的可定制性和灵活性。另一方面，为了提高上线率和应用效果，油田采用了模块化的设计思路，将整个物联网系统划分为多个小模块，每个模块都可以独立运行，也可以快速与其他模块集成。这种设计使得系统更加稳定，也便于快速定位问题和进行维护。为了解决维护难度大的问题，油田还引入了远程监控和诊断技术，通过物联网平台实时监控设备状态和运行数据，使得维护团队可以在问题发生之前预防或问题发生时快速响应，显著提高了维护效率。

六、技术设计

（一）大数据技术

在油田管理和运营中，大数据技术扮演着至关重要的角色。通过先进的数据处理技术，油田有效应对了数据采集中的各种挑战，如诊断、滤波降噪和归一化处理，确保了数据输入的高质量和可用性[3]。利用这些准确的数据，油田采用了相关分析、回归分析、聚类分析和显著性检验等多种统计方法，对历史数据进行深入分析和整理，不仅形成了有助于决策的大数据分析报告，而且推动了大数据挖掘技术的深入应用，使得油田能够根据生产需求，制定出精确的数据驱动解决方案，以提高生产效率和经济效益。

（二）边缘计算技术

油田在物联网设备的稳定性和可靠性提升方面大力采用了边缘计算技术。这项技术的应用解决了数据采集过程中的瓶颈问题，加速了油田典型业务，如加热炉控制、单井储罐监控和天然气井监控等应用的技术开发[4]。边缘计算使得设备具备了自我诊断和自适应的功能，能够满足用户个性化的需求。同时，这一技术的实施也完善了产品的标准化，为油田带来了明显的操作和维护上的优势，提高了系统的整体效率和响应速度。

（三）单片机开发技术

油田的自主研发团队采用了ARM架构芯片的RTU设备，并支持使用C语言进行二次开发，实现了与传统PLC相似的功能。这种单片机开发技术显著降低了系统开发成本，使得整体系统成本降至原系统的三分之一。高度的系统定制化能力让油田能够根据具体的操作需求快速进行系统开发和修改，大大减少了对外部供应商的技术依赖，提高了油田在技术创新和应用方面的自主性和灵活性。

七、油田低成本油气生产物联网技术方案建议

（一）系统结构

油田低成本物联网技术的实施是一次创新的试点。采用的分布式结构不仅简化了系统架构，而且显著提高了整个系统的稳定性和可靠性。相比传统物联网技术的链式架构，该技术显著减少了单点故障的风险，增强了系统的整体性能。在传统设置中，系统依赖多个设备的紧密连结，一旦某个环节发生故障，整个系统都会受到影响。而油田采用的新模式中，各设备独立运行，相互之间通过验证机制进行校验，大大降低了系统由于单一故障引起的总体故障率。如果抽油机停井报警仪发生故障，操作员仍可以通过井场电子眼和测控仪来确认井的运行状态。这种冗余设计确保了在关键设备失效时，系统依然能够维持基本的运行监控功能。此外，通过减少系统组件，减轻了维护负担，提高了系统的可维护性和降低了运行成本。组件的减少不仅减少了潜在故障点，而且简化了系统配置，使得维护更加直观易行。在物联网设备部署方面，采用按站内采集点分布就近部署控制柜的策略，既符合油田现场实际情况，又减少了对现有地面设施的破坏，同时也解决了以往线缆易被挖断的问题，不仅优化了信号传输路径，还降低了建设成本和维护难度，进一步增强了系统的可操作性和经济性。此外，这种模式的部署提供了更加高效的数据处理方式，加速了信息的传输和处理速度，提升了系统响应时间。

（二）网络传输方式

油田的低成本物联网技术通过采用中国移动物联网贴片卡和先进的隧道技术，成功实现了井场物联网设备与油田生产网的高效连接，不仅省去了传统无线网桥和其他基础设施的需求，还显著降低了建设和维护的成本。通过虚拟专用网络（VPN）技术，油田能够在保证数据传输安全的前提下，有效避免因网络设施复杂而导致的安全隐患和维护困难[5]。在实际操作中，利用物联网贴片卡的连接方式，井场设备能直接接入油田生产网，不仅简化了网络架构，还增强了系统的可靠性和稳定性。通过隧道技术，即在数据传输过程中创建一个加密的虚拟通道，保证了数据在公网传输过程中的安全性，不仅有效防止了外部攻击和非法访问，也为油田提供了一个稳定、安全的网络环境。物联网技术的应用大幅度减少了油田对物理网络设施的依赖，降低了由于设备故障带来的运维成本。与此同时，由于网络架构的简化，井场设备的部署和维护变得更加高效和经济，极大地提升了生产效率和管理便利性。因此，油田低成本物联网的实施不仅符合当下油气行业节省成本、提高效率的需求，更为油田生产管理的现代化提供了可靠的技术支持。

（三）井场视频监控方式

油田低成本物联网项目中，对井场监控方式进行了根本性的改革，选择不采用传统的连续流视频监控，而是采用定时拍照方式进行监控[6]。井场视频监控不仅显著降低了数据传输量，还减少了对带宽的依赖，使得监控成本大幅下降。每一张照片都将通过物联网平台进行仔细审核，与连续流视频监控难以实时监控每一秒显著不同。此外，这种监控方式减少了对高性能服务器的依赖，从而进一步降低了设备投资和运维成本，特别适合那些需要长时间监控但不需要实时视频的场合，能有效提高监控的效率和质量。

（四）井况判断方式

传统的井况判断多依赖示功图分析，不仅设备成本高，而且对操作维护人员的技术要求也高。油田通过自主研发的电参数自动解释技术，利用电功图不仅实现了井况的自动监测和异常报警，还能识别典型的异常井况，如泵效下降、气锁等。这种技术的应用显著降低了物联网的建设和运维成本，提高了井况判断的精确度和响应速度。

（五）产品安装维护

油田低成本物联网产品的另一大特点是安装和维护的极大简化。这些设备的安装仅需要录入设备序列号，无需进行复杂的现场配置[7]。例如，井场电子眼和测控仪的接线标准化设计，工作人员只需按照预设的色标进行接线，无需专业技能。相比之下，传统物联网设备，如摄像机、无线网桥等需要专业的配置和维护，技术门槛较高。油田的新模式显著降低了对技术人员的依赖，使采油工人经过简单培训即可完成设备的日常安装和维护，极大地提高了维护效率并降低了故障响应时间。

（六）电源方式

在油田低成本物联网中，电源方式的选择和应用发生了根本变革。为了最大限度地减少设备故障和优化系统稳定性，采用了电池供电和设备间的供电共享策略。抽油机停井报警仪采用电池供电，免除了电源线路敷设的复杂性和高成本。井场电子眼由测控仪供电，整个系统的电源设计简洁高效。这种方式不仅减少了电源设备的数量，而且有效避免了由于电源故障引起的系统停工，大幅提升了设备的运行可靠性。

（七）统一的云平台部署

为了实现更高效的数据处理和系统维护，油田低成本物联网将所有设备的数据统一部署至云平台，这一改变使得平台的运维更加集中和高效。通过云平台的统一管理，不仅改善了以往分布于各采油厂服务器的安全性和环境问题，还提升了数据处理的能力。云平台的应用使得从数据收集到分析的过程大幅缩短，为实时数据分析和决策提供了技术支撑，极大地提升了智能化和自动化水平。

八、应用效果

油田在物联网技术方面取得了显著的进展。基于先进的物联网技术，油田成功推广了一套低成本物联网“四件套”系统，覆盖了所有采油单元，极大地提高了油田的运行效率和经济效益。通过实施这一系统，油田在管理方式和生产效率上实现了质的飞跃。系统的运行大幅度优化了人力资源配置，使站内监控人员可以实现远程监控和自动化控制，减少了对人工操作的依赖，不仅提高了操作效率，而且通过自动化控制，保证了设备数据在要求范围内稳定运行，显著减少了设备故障率。此外，通过系统平台的集中调度和数据集中监控，提高了数据的共享效率，为紧急事故的处理提供了快速响应能力。油田的应用示例表明，该系统不仅节省了建设成本、人工成本和维护成本，还提高了单井采油时率，平均增油明显。原油生产成本显著降低，原本高达81美元/桶的成本降至45美元/桶以下，有效地实现了经济效益的显著提升。油田不断创新，依托先进的人工智能、边缘计算和模式识别技术，推动智慧油田的建设。该油田正在建设具有自主特色的大数据平台，不断完善数据采集系统，推进数字化和智能化的深度融合。油田低成本物联网项目在经济实用性上进行了显著的优化。单井物联网设备的成本大幅降低，每套设备的投入成本仅为传统物联网设备的1/5，控制柜的价格也仅为传统设备的一部分。成本大幅降低使得物联网技术的推广和应用更加广泛，尤其是在低产低效油田的推广具有重要意义，不仅降低了初期投资门槛，也减少了长期运维成本，使得物联网技术在油田的应用更加经济、实用，同时也促进了油田数字化转型的步伐。展望未来，油田将继续以技术创新为驱动，推动智能油田和智慧油田的建设，确保在“十四五”期间全面完成数字油田建设，并力争在智能油田建设上取得更大进展，为油田管理和运营提供更加强大的技术支撑。

九、结语

综上所述，油田通过采用低成本物联网技术，成功地解决了多年来困扰油田的技术和管理难题。该技术不仅优化了设备监控和异常处理，而且通过简化系统结构，显著提升了整个物联网系统的稳定性和可靠性，从而为油田的持续运营和精细管理提供了强大的技术支持，确保了高效、稳定的油田生产。随着技术的进一步发展和应用，油田的物联网系统将继续引领油田数字化转型，推动产业升级和可持续发展。

参考文献

[1]张晓轩.物联网技术在石油行业的应用分析及趋势研究[J].信息系统工程，2022（12）：63-66.

[2]张峰，刘骏，田宁.胜利油田油气生产物联网平台的建设与应用[J].科技创新与应用，2022，12（07）：161-163.

[3]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.

[4]杨海威.网络技术在油田数字化建设中的应用[J].中国管理信息化，2021，24（04）：102-103.

[5]赵雪松.大数据、物联网技术在智慧油田建设中的应用研究[J].中国设备工程，2020（13）：34-35.

[6]李兵元，赵春雪，唐进，等.油气生产物联网技术在油气生产中的应用[J].中国管理信息化，2020，23（07）：182-183.

[7]蒋敏，韩梦蝶，李峥嵘.基于物联网技术的油田数字化设备运维管理系统[J].信息系统工程，2020（02）：54-55.

作者单位：吉林油田新立采油厂

■ 责任编辑：张津平、尚丹