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智能油田

重庆科技学院

智能油田解决方案建议书

作者：

罗欢、王源波、黄举、程丹、许文

摘要

物联网在智能油田的核心应用是油井生产远程监控系统，该系统包括油井生产数据远程采集传输系统、油井生产远程分析管理系统、油井生产远程控制系统三个子系统。

系统通过传感器、摄像头等设备对油气井生产数据进行采集．通过CDMA传输终端把信息发送至生产管理部门，以便其对信息进行分析管理，以掌握油井生产状况，并进行必要的远程控制。

油井生产远程监控系统为油田高效开发、降低消耗、安全生产、减轻员工劳动强度、提高工作效率和管理水平提供了可靠的保障。

本方案中整个智能油田系统网络主要采用无线局域网技术，以物联网技术为主体。

应用到无线温度监测、无线震动监测、无线腐蚀监测、无线压力监控、无线感应阀位、无线视频等等。

从而随时都能监测到油田温度，震动，设备的被腐蚀度、受压力程度，以及阀位的安全性。

关键词：

智能油田、物联网、油井生产监控

引言

20世纪80年代掀起的第一次提高采收率研究和应用的热潮，推动了各种EOR技术的进步和成熟，那么斯塔特福约尔得（Sta~ord）等油田以油藏模拟、油藏监测、水平井和油藏管理相结合的提高采收率技术，在21世纪初已经掀起了以智能油田为标志的第二次提高采收率技术研究和应用的热潮。

智能油田展示了油气田开发将进入智能化、自动化、可视化、实时化的闭环新阶段。

智能油田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。

人们可以实时观察到油田的自然和人文信息，并与之互动。

智能油田的基础与核心

建立智能油田是一个系统工程，而建立数据银行和信息平台是建立智能油田的基础。

智能油田的核心是将油气发现与开发工作从历史性分类资料的顺序处理改变成实时资料的并行处理，利用实时数据流结合创新型软件的应用和高速计算机系统，建立快速反馈的动态油藏模型，并将这些模型配合遥测传感器、智能井和自动控制功能，让经营者更直接地观察到地下生产动态和更准确地预测未来动态变化，以便提高产量和进行有效的油田管理，实现各种层次的闭环优化管理，最终实现全油田范围的实时闭环资产经营管理（图1）。

实际上，智能油田并不是遥不可及，也是步步发展与完善的。

目前国外智能油田也仅发展到第三级，逐步向第四、第五级发展。

智能油田的关键技术

促进智能油田发展的关键技术主要包括：

（1）无线局域网技术。

（2）遥测技术，主要包括四维地震监测、重力测量、电磁监测、永久型地面检波器网络和永久型光纤井下检波器等。

（3）可视化技术，包括综合勘探与生产数据的三维可视技术、虚拟现实技术等；

（4）智能钻井与完井技术。

（5）自动化技术。

（6）数据集成、管理与挖掘技术。

（7）集成管理体系等。

智能油田的发展前景2003年世界著名的剑桥能源研究所（CERA）公布的一项最新研究成果指出，由多项新型数字化技术构成的智能油田，将在未来5～1O年内使全球原油储量增加1250×108桶，这将超过伊拉克现有原油储量或拉丁美洲的原油总储量，同时能够提高油气采收率2％～7％，降低举升成本10％～25％，提高产量2％～4％。

壳牌公司正在实施的“智能油田"计划，将使其产量提高10％，采收率提高8％，操作成本降低20％，计划与决策周期时间减少75％。

智能油田技术将大大扩展石油工业的发展空间，为石油行业展示出了一个更广阔、更美好的发展前景。

1.作品应用背景分析

1.1项目背景及概况

网络的发展一日千里，随着互联网，移动通信网，甚至于电网的融合，物联网成了多网融合的必然产物，它将人与人之间的沟通扩展到了人与物，物与物之间的沟通连接，智能化，网络化的生活将让人们工作，生活更加便捷和人性化。

人们能随时随地的把握我们感兴趣的“物体”的信息，做出更合理的决定和控制。

同时随着油田数字化、自动化信息系统的发展，为了更有效的加强对采油到输油过程的集中管理，从而就要求建立包括油井远程视屏监控、工况数据信息采集、油井周界防范系统等多系统的监控平台。

以野外作业现场采油为例，通过自动数据采集系统，可将油井生产时石油通过油嘴的速度记录下来，然后根据油嘴的大小，计算出该井某一时间的是有产量，在这个过程中采集的为高频数据，信息量很大，通常存于现场计算机中，保存一段时间，对高频数据进行统计计算，得到一个时间段的该井石油产量数据，通过卫星系统发送到办公室生产数据库中。

1.2智能油田系统建设必要性

21世纪是一个以计算机为核心的信息时代，数字化、网络化、智能化已经成为21世纪的时代特征，随着信息技术的迅速发展，计算机技术，无线网络技术，物联网技术已被应用到各行各业。

在过去的一年时间内，物联网已经得到了国家以及各级政府部门的高度重视和关注，至今年起的“十二五”势必将物联网作为一个重点发展信息技术。

物联网技术的不断发展，以及它给各行各业带来的便利，以物联网为技术支持的智能油田系统的建设，是非常必要的，也是可行的。

主要表现在：

（1）物联网将从虚拟信息空间，人人互联发展到对现实物理世界的感知。

因此智能油田通过物联网的传感，将更适时的反应出当前油田情况。

（2）智能油田它包含了地质，地震，测井，分析化验，钻井，生产，试油试采，地面管网，地理等信息，覆盖面广，因为他们既相互独立，又相互依赖。

（3）智能油田能在油田安全方面做好实时的监控。

随着海上油田的陆续开发，油田安全问题也接肘而至，网络上，报纸上不难看到“油田溢油”的字眼。

由此而带给人们的不再是单纯的油田安全，更是大范围的生态污染问题。

智能油田系统中的无线温度监测、无线震动监测、无线腐蚀监测、无线压力监控、无线感应阀位、无线视频技术，则能随时关注着海底油田的动态，减少油田隐患，也给生态环境加上一道保险。

（4）智能油田使采集设备安装维护方便，工作稳定可靠，设备使用寿命长，而不会像有线设备安装那样繁琐，不会有线路老化，接触不良等问题的出现，不会因雷电等造成主机工作不稳定。

（5）将油田系统智能化不仅仅科学技术的一大进步，同时为油田的管理带来了便利，为油田企业减少了时间上的浪费，如采油工作，先是采油工带做资料野外巡井，采集数据后慢慢分析，而智能油田系统则是通过视频监控系统，通过网络数据的传输就能控制和观察各个油井的生产情况，工作效率大幅度提高。

（6）智能油田的实施还能减少油田企业为更多员工的工薪的付出，从而也就方便了油田企业对企业员工的管理。

1.3物联网与油田的有机结合

石油行业一直都是与互联网联系得最广泛的行业，在无线网络还没有普及的年代，石油行业一直都依靠有线网络来对各种数据进行分析处理，目前，油田企业随着基础网络的建设，各领域基本上都通过拥有层次化模块设计以及先进技术的有线网络来进行覆盖，将高可靠性、开放性、灵活可扩展性、可管理性、安全性融合为一体，使石油基础网络建设具有一定技术和需求的先进性。

但是，随着石油网络改进的推进，业务不断的发展和环境的复杂度，很多专业检测和实时数据传输都无法在有线网络中进行，给网络中应用系统造成了瓶颈，这些网络瓶颈，一般会有以下几种：

地域复杂问题—各工作人员过于分散或者遇到海上油井，如果依然采用有线网络，那么铺设光缆造价将过于高昂或根本无法架设光缆或者电缆，实时数据无法传送给相关分析处理技术人员。

环境问题—石油现场的生产环境往往都非常的严酷，这样的环境对有线链路以及设备来说是致命的，例如超高温，高腐蚀性、恶寒等严酷的环境下。

资源有限问题—各数据采集点由于地理环境等而无法进行昂贵的链路铺设、不能保证有线设备的机房建设等各种资源有限原因，使重要的生产数据不能及时传输给相关人员进行分析处理而造成石油企业的损失。

在以上几类环境下，有线网络无法保障重要数据的基本实时传输，使重要的生产系统无法正常按时上线，企业生产力下降，致使企业蒙受巨大损失，然而无线技术凭借灵活高效的组网方式，能够很好的解决这一系列的问题，具体如下所示:

1.需要通过快速响应保证最少的停机时间，通过实时的数据接入检测数据。

2.油量数据的采集回传。

3.温度、湿度、压力传感器的数据采集回传。

4.作业机器工作状态的数据采集回传。

2.系统设计

2.1智能油田系统应用特点

智能油田系统项目是针对油田所构建的无线局域网的覆盖满足油田日常生产运行、生产管理、生产监控、设备管理、成果展示的需求，是一套集石油勘探开发生产信息的采集、传输、存储、处理、分析、发布、管理和应用于一体，规范、统一、安全、高效的全新现代化生产经营综合数据于一体的管理应用平台。

整个智能油田系统内网中采用无线网络，以物联网技术为主体。

应用到无线温度监测、无线震动监测、无线腐蚀监测、无线压力监控、无线感应阀位、无线视频等等。

从而随时都能监测到油田温度，震动，设备的被腐蚀度、受压力程度，以及阀位的安全性。

2.2油井生产远程监控系统

油井生产远程监控系统包括3个子系统，油井生产数据远程采集传输系统、油井生成数据远程分析系统、油井生产数据远程控制系统，油井生成远程监控系统实现了基地控制室对油田的整体远程分析控制，一旦控制室通过监测系统发现问题，通过实时数据传输和以及生产控制系统，管理工作人员可以迅速发出控制指令来控制局面，只有通过远程无法解决的问题才需要技术人员到现场去进行处理，这样的工作模式极大的减轻了工作人员的负担，同时也改善了工作环境，并提高了生产效率，无线智能油田大致示意图如图1所示：

图2-2-1

由以上大致示意图可知油田生产远程监控系统是数字油田的基础保障。

信息技术和自动化工艺在不断的发展和提高，生产远程监控系统在油田生产中的应用也越来越广。

该系统为油田高效开发、降低消耗、安全生产、减轻员工劳动强度、提高工作效率和管理水平等提供了可靠的保障。

系统通过传感器、压力感应器以及视频摄像头等对油气井生产情况进行定期数据采集．通过无线终端把数据发送

至控制分析室对数据进行分析管理．以掌握油井生产状况，并进行必要的控制。

2.3生产数据自动采集传输系统

油井生产远程监控系统的前线系统即为油井生产数据自动采集传输系统。

油井生产状况采集传输系统分为三种类型：

第一种是一体化示功仪系统，第二种是全无线系统．第三种是丛式井系统。

（1）一体化示功仪系统

系统主要设备是CDMA一体化示功仪。

是以16位微处理器为核心．集采集、存储、2．4Gbit／s的ZigBee无线模块和CDMA模块于一体的高精度功图采集终端，其结构如图所示。

CDMA一体化示功仪无线接受塔

图2-3-1一体化示功仪工作结构

示功仪安装在抽油机的抽油杆上内置加速度传感器、载荷传感器、CDMA模块和电池．可实现油井核心数据采油机功图的自动采集、传输。

一体化示功仪内的RTU模块将载荷传感器和加速度传感器采集来的数据进行滤波、计算处理，形成示功图，通过CDMA模块远程传输到前线控制区服务器。

系统系统也可以扩展采集油温、油压、电量等生产数据，现场工作区的传感器数据通过ZigBee无线模块发送至一体化示功仪上，而示功仪通过加装ZigBee接收模块。

可获取传感器数据。

整个系统具有安装简单、维护方便、可靠性高、性价比高等特点。

具体如下：

·系统体积小，安装维护方便。

把载荷传感器、加速度传感器和无线数据传输模块集成到一个小装置内。

直接安装到抽油机井口的悬绳器上，无需其他任何接线。

抽油机井上只需安装一台示功仪即可实现油井地面数据的远传。

系统采用加速度测量位移，避免了拉线法的体积大、机械部件多、加工复杂、使用中卡线断线等许多缺点。

·本地存储，远程终端单元可以存储120个示功图．在网络掉线的情况下能够保

证数据不丢失。

·模块化设计，便于调试和更换元器件，方便维护，节约成本。

·电子手抄器设置参数，使用手抄器以无线方式设置通信参数，无需开盖。

·电量自动报警。

·远程升级，RTU和DTU内的嵌入式程序均可以通过CDMA网络进行远程升级。

·功能扩展：

能够远程采集温度、压力．一体化示功仪通过无线模块接收温度和

压力信号，再通过CDMA模块把信号远程传输到上位机服务器。

·实时采集：

能够远程实时监测抽油机井地面示功图，一体化示功仪从采集、处理、存储、发送数据到存入服务器全部实现自动化，无需任何人工参与。

根据时间即可实现记录的查询。

（2）全无线采集传输系统

所有的传感器都通过短距离无线传输（ZigBee）方式传输至数据采集传输终端（RTU），由RTU传输至生产基地服务器。

全无线系统适用于油田的所有井型，可以有效解决油田、油气和水井现场生产以及相关数据的实时采集、传输、处理等工作中的问题。

通过远程实时监控，不仅可以大大降低成本．节能增效，减轻工人劳动强度，提高生产、工作效率，还可以有效防止破坏、盗窃采油设施的不法行为，保障油田生产安全。

该系统的优点在于能够自动实时采集油水井工况的许多参数，这些参数包括载荷、位移、压力、温度、电参量、流量等，而且全部实现无线数据传输，避免了施工埋线、线缆老化等问题。

系统具有安装维护简单、使用方便、功能齐全、性能可靠、运行安全等特点。

全无线系统主要由以下部分组成：

远程终端单元（RTU）、CDMA模块、ZigBee无线模块、无线压力传感器、无线温度传感器、无线流量计等，如图4所示:

图2-3-2全无线系统结构

系统功能和特点如下：

·每个RTU管理一口井上的压力、温度等参数：

·具有自动登录网络、断线自动重连的功能，用户免于维护数据连接：

·实现油井工况数据的自动实时采集、解析、入库，无需人工干预：

·系统采用超低功耗微控制器，最大限度地降低系统耗电：

·采用数字温度、压力表直观准确地显示油井温度压力。

（3）丛式井系统

丛式井系统适用于丛式井或距离不大的井群。

该系统中所有传感器统一编号．都通过无线模块与井群RTU交互数据。

井群RTU协调DTU模块管理传感器网络，本地存储和显示所有井采集的数据和管理参数，负责将所有油井数据通过DTU模块传送到服务器。

该系统突破了远程控制终端单元只能管理一口井的瓶颈，减少了远程控制终端的使用数量，节省成本和通信费用，更大程度上优化了井群工况数据采集系统。

对于丛式井或距离不太大（约500米）的井群．该系统提供了完整的解决方案。

该系统的优点在于可以集中的管理井群．节省大量的成本．还具有可靠、开放、灵活、性价比高等特点。

丛式井系统包括：

井群远程终端单元（井群RTU）、数据传输模块（DTU）、无线AP模块、各种传感器等，如图5所示。

图2-3-3丛井式系统结构

无线传感器包括无线一体化示功仪、无线压力传感器、无线温度传感器、无线流量计等。

系统功能和特点如下：

1.集中管理，RTU管理井群。

每个远程控制终端单元（RTU）可以管理多口油水井，减少RTU的使用数量；

2.集中传输，减少CDMA等无线网络终端设备。

减少数据卡的使用数量。

节省通信费用；

3.通用性强．设备采用模块化设计。

可以和多种无线模块连接：

4.兼容性好，RTU可以兼容视频监控设备、红外报警设备、远程控制设备：

5.开放式结构。

系统扩展方便。

6.系统具有保密功能．从而防止了非操作人员的误操作。

2.4油井生产远程分析管理系统

系统概述：

油井生产数据远程采集传输系统只是将数据采集至生产管理单位．而油井生产远程分析管理系统是对采集的数据进行有效利用的部分。

系统通过对功图、电参、压力、温度等多元数据的分析．对油井生产状况进行综合诊断分析及优化。

系统包括以下4个子系统：

数据采集子系统、数据管理子系统、分析预测子系统、工程分析子系统，如图6所示。

图2-4-1

2.4.1数据采集子系统：

采集录入功图、功率、功率因素、电压、电流、油压、套压等生产参数。

数据管理子系统：

生成油井静态数据库、实时动态数、采油设备数据库、油井生产日报数据库，依据数据库开发数据查询、动态图件生成、图件查询。

2.4.2分析预测子系统：

根据油井具体参数，应用油水复合法、采液指数法、Petrobras法等方法，对油井生产进行预测。

工程分析子系统：

主要应用于超深井、水平井的自喷、电潜泵采油、酸化、压裂作业井下单级、组合油管柱设计、校核。

系统中建立了多种工况下（起下管柱、正常生产、封隔器座封、酸化、压裂作业等）的管柱受力计算方法。

包括对油井压力场计算、油井温度场计算、稠油井注蒸汽、电加热、回采等工艺的井筒温度场计算。

可根据实时采集的功图、电流、扭矩、压力等数据，实现油井的实时分析与诊断。

绘制稀油区块油井宏观控制图、稠油热采区块宏观控制图。

2.4.3远程计量子系统：

以实测示功图、压力、温度、转速、电参数等采集参数作为分析有杆／无杆泵工作状况的主要依据．建立先进的、适用的油水井系统数学模型及算法；诊断出油水井工况和存在的问题；计算出各种复杂工况下的油井的产液量：

同时进行各种有效的数据分析与统计。

并可以远程智能控制与调节油井的工作状态。

系统可准确及时地统计和掌握客户的用电信息；对用电设备、电能表的运行状态和客户的用电情况进行实时监控、分析管理。

优化设计子系统：

通过对油井历史数据的挖掘、当前数据的分析．应用软件强大的数值仿真功能，智能化地实现当前工况诊断、油井生产预测、区块状况预测等功能，为油井设计、油井生产、作业维护等提供合理方案。

通过泵抽时间、沉没度、泵抽产量等数据．绘制沉没度与时间关系图，确定合理问抽制度。

提高间抽井效率。

2.4.4油井生产远程控制系统：

该系统属于远程智能调控系统。

具有对抽油机井、电泵井、螺杆泵井等的工况进行实时采集、实时分析、实时控制的功能，同时还具有间抽设置、远程开关井、远程变频等远程控制功能。

通过下达采集、调控等指令，自动完成实时监测油井的压力、温度、功图、动液面、电参数等，远程智能调控电机启停、阀门开度、电机频率等，保证了采集调控的迅捷、精准，并降低了油井工人的劳动强度．提高了油水井的自动化管理水平。

油井智能调控系统实现远程油井采油动态资料数据的自动化采集和传输，由远程变频控制单元利用功图、压力、温度和电参量数据对油井工况进行综合诊断，依据油井综合诊断结果选择最佳变频和启停方案．实现对采油设备的最高效变频控制．达到提高泵效的最佳应用效果。

2.5设备选择

选择正确的设备不仅可以大大提高系统的工作效率，还能降低总成本。

本方案设备选择主要根据设备的以下特点：

▪高效率的WLAN安全,部署及管理

▪可升级、可靠的、具有弹性的WLAN

▪降低总体成本

▪集中管理的动态射频控制

▪快速安全漫游

▪实时可见的定位服务

▪集中实施IDS和IPS安全防护黑客

▪室内室外智能的无线Mesh能力

▪统一的有线和无线的解决方案

主要设备清单：

主要设备类型

型号

产品描述

品牌

无线AP

Aironet1200

无线接入点

思科

全向天线

AIR-ANT58G28SDA-N

碟形天线

思科

路由器

2821

多业务路由器

思科

交换机

Catalyst6500

24口POE交换机

思科

无线控制器

Catalyst6500系列WiSM2

无线控制器

思科

防火墙

6500fwsm

网络防火墙

思科

RTU

NK5730

数据采集终端

南凯

3.效益分析

油田的智能化，采用无线局域网技术，使生产过程简单、安全、高效。

使油田的生产成本大大降低，对油田的经济效益有很显著的提高。

3.1数据更具实时性

油田一般地理位置一般比较偏远，环境比较恶劣。

这对石油的开采是一个巨大的挑战。

在恶劣的环境下工作人员数据的采集将会变得十分艰难，各个数据点的数据汇总也讲很缓慢，数据也会因此失去实时性。

油田智能化方案将会简化这一过程，各种无线监控设备将会将每个时段的准确数据，通过无线网络汇总并传送回前线控制区服务器。

这个过程所用时间是非常短的，工作人员所看到的将会是最具实时性的数据。

这使生产质量有了绝对的保障。

3.2安全性更高

石油的开采将会存在很多的安全隐患，在恶劣的环境下更是难以避免。

人工采集数据平率低切回传速度慢，这对油田生产的安全是十分不利的。

油田智能化方案，用设备代替人工，而且数据回传更快更准，这对控制中心对油井输油管等地方的实时情况有很准确的掌握，可以有效防止数据不明而导致的安全事故，还可以有效防止破坏、盗窃采油设施的不法行为，这对生产过程的安全有很大的提高。

3.3高效率

油田跨度十分大，有的甚至绵延10多公里，这对油田的安全监控、数据采集和数据处理是十分不利的。

人为采集和监控，不仅过程繁琐而且速度十分缓慢。

智能油田方案，采用生产现场全程无线覆盖的方法，所有传感器的数据都会通过无线网络传回数据采集终端，再由数据采集终端传回生产基地服务器。

这种高效率的信息采集方式，大大降低了成本，减少了工人的劳动强度，提高了生产、工作效率。

高效率的生产，是经济效益的有力保障。

3.4低成本

本系统采用无线局域网技术，安装简单易于维护。

无需连线，避免了线路老化、故障等带来的危害。

成本低无疑是高效益的直接体现。

3.5广阔的发展前景

随着传感器、RFID、无线通信网络、云计算等新技术的成熟和日益普及，物联网技术的应用越来越广泛，智能化油田是将来发展的必然趋势。

本方案技术先进、创新、扩展方便，对企业将来的发展有很大的帮助。

5.

作品展示

总拓扑图

作品简介：

本方案从油气开采的全局出发，利用物联网技术以实现油田的智能化开采。

方案中大量运用了无线局域网技术、传感器技术等。

这些技术的有机结合大大提高了油田开采的效率与安全性，也为企业提高了效益。

整个系统将油田分为四个工作区，基地工作区、前线工作区、无限信息传输区、现场工作区。

通过将油田的区域化划分，使整个系统的硬件结构更加清晰并易于施工和维护。

现场工作区主要是无限传感器的工作域，油井、输油管以及采油设备等的实施数据都通过无限传感器采集。

采集后的所有数据将汇总与RTU（数据采集终端），然后通过无线网络传输回前现工作站和基地工作站。

无限信息传输区是信息采集回传的重点区域，采用无限局域网技术。

多个AP安装与最佳位置，使无限网络覆盖率达到最广，AP的安全认证保护数据的可靠性。

使准确实时的数据能够很快的传回前线工作区。

前线工作站是工作人员对现场采集的数据进行分析的地方，为来然工作站能够安全平稳的工作，服务器冗余和电力冗余使必需的。

主服务器出现故障，不会影响前线工作站的正常工作，这对油气开采的安全和效率提供了有力的保障。

基地工作站用于外网访问油田局域网和油田数据的存储，是同样具有前线工作站的功能，是前线工作站的有力后盾。

整个方案以高效率、低成本、安全可靠、扩展性强为出发点进行设计，结构清晰便于安装维护，是一套能够大大提高企业效益的方案。