The Technology Research of Oil and Gas Production IOT iProd System

Abstract：This paper analyzed current intelligent management situation of domestic oil and gas production,and built the overall structure and technical programs of oil and gas production IOT iProd system.The oil and gas production IOT iProd system is mainly composed of acquisition and control subsystem,data transmission subsystem,working condition analysis and forecasting subsystem,IOT network and equipment management subsystem, production operation management subsystem.This system had some application functions,such as dynamic real-time monitoring of oil and gas production,statistical analysis of production information, real-time diagnosis for the production conditions,smart optimization for process,concentrated expression for critical alarm, production KPI dynamic display,production equipment management,production command and control.Thus able to achieve many of system functions,included automatic production data collection,analysis of working conditions,failure warning and alarm,key process chain control,process visualization display,real-time intelligent decision-making of the production process for oil and gas wells,metering station,processing station or storage,and related transportation pipeline network.

Key words:Oil and gas production,process control,intelligent management,IOT

1 概述

各油田为满足生产需求，已经建立了各自的油气生产现场工况监控、分析与管理和视频监控系统，并正在当前生产中发挥重要作用^[1-5]。但这些系统是由软件开发公司和油田用户结合各自油田生产的特点和实际情况合作开发的，主要是为了满足油田公司、采油厂、作业区等各级目标用户生产运行管理的需要。由于受地域、地形地貌、气候条件、油藏地质、社会环境差异的影响，因此各油田油气生产数字化的功能不尽相同，建设也具有各自的特殊性。目前各油田已经建成并应用的一部分油气生产物联网系统在软件平台、开发环境、系统组态方式上都有很大差异，还没有形成统一的系统。

建设面向生产操作过程的油气生产物联网系统是通过传感、射频、通讯、先进计算等技术组合，对油气水井、计量间、油气站库等生产对象进行全面的感知。实现生产数据、设备状态信息在生产指挥中心及生产控制中心的集中管理和控制，搭建规范、统一的数据管理平台，支持油气生产过程管理，提供油气生产的实时分析优化，进一步提高油气田生产决策的及时性和准确性，达到节约油气生产的建设投资与运行成本的目的。

2 油气生产物联网架构

本文讨论的油气生产物联网系统iProd（Intelligent Production Engineering System）包括采集与控制、数据传输、工况分析预测、物联网网络及设备管理、生产运行管理等五个子系统。iProd由感知与控制层、传输层和应用层组成，其分层结构如图1所示。感知与控制层由安装在油气生产流程上的各种感知设备和控制设备组成，从而实现对生产状态的全面感知和各种设备的自动控制；由无线传感网、专网和公网无线技术等组成的无线异构网络构成了该系统的传输层，可实现数据的可靠传输；应用层则可实现包括生产动态实时监控、生产数据统计分析、生产工况实时诊断、生产趋势预测、生产参数智能优化、关键告警集中展现、生产KPI动态展示、生产设备管理、生产调度指挥管理等功能。其中类似WebAccess的物联网设备与网络管理系统的引入，可对各种感知设备和传输网络进行自身诊断和管理，而移动智能应用则可以实现诸如物联设备安装、运维的工单派发、工作上报、与物联网设备数据交互及应用等功能，使油气生产的管理更加智能化。

图1 油气生产物联网架构

3 油气生产物联网功能

    油气生产物联网功能设计需要满足油气田的日常生产运行、生产管理、生产监控、设备管理、成果展示等需求。对于目前油气生产现状分析中所反映出来的不足和存在的问题，油气生产物联网的建设，主要立足于解决如下生产问题：1）快速了解生产概况：显示采油气厂生产状况、产量、注水量变化情况；2）及时提供故障报警和预警：报警和预警信息自动通知相关人员及时处理；3）自动生成生产报表：自动生成、存储、查询井、站、作业区的相关生产报表，自动绘制相应曲线；4）自动控制生产过程：关键生产过程实现闭环控制、提高生产运行的可靠性和稳定性；5）高危环境重点区域：生产环境的可燃有毒监测、重点井高产井的视频监控； 6）定时完成物联网系统自检：对网络、网络设备、现场仪表等数字化设备定时自动巡检和故障原因定位。

3.1 采集与控制子系统功能

该子系统是通过传感器、无线传感网、射频识别、RTU等设备自动采集、存储、处理油气生产对象的生产数据，通过摄像头、危害气体监测等装置，自动采集现场生产的环境信息，将这些信息传输到采油厂实时数据库，支撑生产监控等应用；同时，通过ESD、控制阀等自动化控制设备，实现生产过程自动控制。该子系统的功能如图2：

图2 采集与控制子系统功能

3.2数据传输子系统功能

     该子系统是采用无线传感网、专网和公网无线技术（融合WSN、McWill、WiMAX、WiFi、3G、GPRS、CDMA、卫星等无线传输技术）组成无线异构网络来进行数据传输。无线传输：用于单井、边远站库的生产实时数据与视频传输，采用无线传感网、公网无限传输（融合WSN、McWill、WiMaX、WiFi、GPRS、CDMA、3G、4G、卫星等无限传感技术）组成无线异构网络及进行数据的传输。有线传输：用于计量间、中转站、集气站、联合站等较近单位的生产实时数据与视频传输，主要采用油田内网（光纤）传输。该子系统的功能如图3：

图3 数据传输子系统功能

3.3 工况分析预测优化子系统功能

该子系统主要是对采集、传输到实时数据库的油气水单井、计量间、处理站库及相关集输管网的生产数据进行分析优化预测,如图4所示。计量间、处理站库及相关集输管网的工况分析优化主要是实现现场的实时远程数据采集、工况诊断、运行参数优化、智能控制、出现故障时的应急自动处理；油气水单井的工况分析预测优化是该子系统中最重要的组成部分，实现油气井生产数据的实时管理、实时分析、实时优化、实时控制、智能预测等^[6-8]，以实现智能化管理。

图4工况分析预测优化子系统功能

3.4 物联网网络及设备管理子系统功能

    该子系统主要包括物联网网络管理和网络设备管理。物联网网络管理主要包括对于网络拓扑、网络协议、网络健康状态、节点健康状态、网络信道、节点功能配置、网络时间同步、网络安全等的管理。网络设备的管理主要是负责对网络化的压力仪表、流量计、示功仪、摄像头、有害气体检测仪和RFId读写器、网关、路由等物联网终端设备的状态和运行情况的监控。除了对于节点上的传感器、执行机构和其他节点资源的管理，也包括节点能耗（尤其是电池供电节点）和信道质量的监控。从而实现系统的“即开、即入、即管、即用”功能。该子系统的功能如图5：

图5 物联网网络及设备管理子系统功能

3.5生产运行管理中心子系统功能

生产运行管理中心子系统是提供油气生产的业务状态报告，关键生产运营KPI动态报表，生产流程可视化与跟踪，综合实时信息展现，关键告警集中展现，联合业务调度指挥；应急预案可视化，联合紧急指挥，应急计划实施状态追踪，应急计划模拟演练；日\周\月\季\年业务经营分析， 协同办公，生产过程全景展示（地理、流程、组织、绩效、治理及运营成果等）等。该系统在采油气生产部门部署实时数据库和监控中心，同时将数据上传到总部数据中心实现对生产动态的及时了解，实现生产管理、分析优化、指挥调度、智能决策，洞观全局，掌控运行。系统功能如图6：

图6 生产运行管理中心子系统功能

4 结论与建议

油气生产物联网系统iProd的建成可以实现包括油气水井、计量间、处理站库及相关集输管网的生产数据自动采集、工况分析、故障预警和报警、关键过程连锁控制、工艺流程可视化展示、生产过程实时智能决策等功能。能达到强化安全管理、突出过程监控、优化管理模式，以实现优化组织结构、持续改进业务绩效的目标。

油气生产物联网除需要有一个先进的设计方案之外，还应总结一些油气田在面向生产操作过程的数字化建设方面所取得的一些有益的探索和实践经验，并结合国际上先进石油企业的最佳实践和物联网技术的发展趋势，来经济高效地建设我国的油气生产物联网系统。

物联网的基本概念和发展方向就是将涉及油气经营的各种资产(油气藏等实物资产、数据资产、各种模型和计划与决策等)，通过各种行动(数据采集、数据解释与模拟、提出并评价各种选项、实施等)，有机地统一在一个价值链中，形成虚拟现实表征的智能油田系统。油气田智能化要求油气田开发进入自动化、可视化、实时化、智能化的闭环新阶段。人们可以实时观察到油田的自然和人文信息，并与之互动。

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作者简介：檀朝东（1968-），男，安徽望江县人，副研究员，博士，从事石油工程、物联网教学及科研工作；

Author introduction:Tan Chaodong,was born in Wangjiang of Anhui Province in 1968,associate researcher,Ph.D,engaged in petroleum engineering, Internet of Things teaching and research work.

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