油气水井生产物联网系统iPES的技术研究

油气水井生产物联网系统iPES的技术研究檀朝东1,2杨若谷2刘志海2闫学峰2（1．中国石油大学（北京），北京昌平，102249；2．北京雅丹科技开发有限公司，北京昌平，102200）摘要：本文对当前国内油田油气水单井的生产智能管理现状进行了分析，提出了构建油气水井生产物联网系统iPES的总体结构和功能设计。油气水井生产物联网系统iPES主要由采集控制子系统、工况诊断预测优化子系统、物联网网络及设备管理、生产运行管理中心四个子系统组成，从而实现生产动态实时监控、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、生产调度指挥管理等系统功能，更加智能化、精细化地对油气水单井进行管理。关键词：单井监控工况诊断预测优化物联网1引言在当前的油田日常生产中，基于油气水井的数据采集、操作控制、采集设备管理、工况诊断、趋势预测和生产参数优化等，更多的是依赖人工作业和个人经验，这对于提高生产效率、优化生产工艺、保证油气水单井的安全生产和油气田的精细化、标准化管理，存在着一定的局限性和弊端。针对目前油气生产单井生产管理的现状，急需一套综合解决方案来解决油田在信息化、数字化建设中存在的问题，而以往油田建设的信息化、数字化系统所积累的实践和经验也为建立单井工况采集诊断预测优化系统iPES奠定了基础[1]。本文讨论的油气水井生产物联网系统iPES（IntelligentProductionEngineeringSystemforWells）是一套基于自动化技术、计算机技术、网络技术、系统工程技术以及油气田开发专业技术，以提高油田数字化水平、单井产能、系统效率和降低能耗为目的，集数据采集、数据管理、生产预测、工程分析、远程计量、优化设计、措施计划安排、控制执行等于一体的综合信息平台。该系统能够实时采集单井生产数据，系统化地对单井工况进行诊断，对生产趋势进行预测，主动预防、预警可能出现的生产异常，并能持续不断地对单井生产进行优化，从而显著改善单井的生产管理水平，提高生产效率，降低员工的生产劳动强度，从而实现油田精细化管理的目标。2油气水井生产物联网系统iPES解决方案2.1总体思路油气水井生产物联网系统iPES立足于数字油田应用的基础，利用物联网技术，实时采集油气水井的各种生产数据、建立单井工况诊断、生产趋势预测和生产参数优化等业务模型，从而实现单井的采集控制、工况诊断、趋势预测和生产优化等系统功能，更智能化地对油气水单井进行管理[2,3]。油气水井生产物联网系统iPES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水井上的各种感知设备和控制设备组成，从而实现对单井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，可对单井的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，使单井生产的管理更加智能化。图1油气水井生产物联网系统iPES的分层结构图2.2油气水井生产物联网系统iPES主要功能油气水井生产物联网系统iPES主要由采集控制子系统、工况诊断预测优化子系统、物联网网络及设备管理、生产运行管理中心四个子系统组成。（1）单井工况采集控制子系统工况采集控制子系统主要由各种信号采集装置、控制装置、通讯模块、实时数据库服务器、WEB服务器、应用终端和监控浏览终端组成。基于物联网技术的蓬勃发展，根据油田单井分布的地域特点与无线通讯的技术水平，工况采集控制子系统采用无线传感网、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。油气水井需采集的数据主要包括：对抽油机井，冲程、冲次、载荷（最小载荷、最大载荷）、位移、功图；电参数、功率、功率因数；油压、套压、回压；温度（可选）；变频参数等工况参数。对注水井，油压、套压、温度；油管流量、套管流量等工况参数。对采气井，油压、套压、回压、温度、油气水三相流量、井下液面、井下流量等生产参数、有毒气体浓度指标；及腐蚀、结垢、出砂等在线监测。（2）工况诊断预测优化子系统工况诊断预测优化子系统可以实时对油气水井的生产数据进行实时监测、跟踪，实现动态管理，从而保证了生产数据采集、录入和管理的时效性；并利用集成的石油专业知识体系，可更加全面、深入地分析问题，从而解决了以往工作中过分倚重个人专业知识和经验的弊端；可实现不间断对动态数据进行监测和分析，并可根据变化趋势，预测生产过程中可能出现的各种问题，从而提前采取措施解决问题。工况诊断模块依靠现场实时采集的单井生产数据，或单井每日生产数据与正常状态下的参数值进行实时对比，当参数超出或低于预先设定的合理范围，则系统会发出报警提示并对单井的工况进行诊断。诊断过程主要依靠各种诊断模型并结合各类单井业务模型进行工况的诊断、分析。该模块功能结构如图2所示。图2单井工况诊断子系统功能结构图生产趋势预测模块通过现场实时采集的单井生产数据，或单井每日生产数据和单井生产趋势预测模型等，对单井的生产状态进行分析和预测，及时预警生产过程中潜在的异常情况，并制定出合理的措施方案，从而避免生产事故和减产的发生。该模块功能结构如图3所示。图3单井生产趋势预测子系统功能结构图生产优化模块通过现场实时采集的单井生产数据，或单井每日生产数据和单井生产优化模型等，借助单井工况诊断结果和单井生产趋势预测结果来对单井生产进行优化，对优化后的生产情况再进行分析诊断和趋势预测，从而不断优化单井的生产参数，使之处于最合理的生产状况。该模块功能结构如图4所示。图4单井生产优化子系统功能结构图（3）物联网网络及设备管理子系统该子系统主要包括物联网网络管理和网络设备管理。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。主要实现功能：1）拓扑发现：全网自动拓扑发现，设备安装加电后自动注册到物理网络，在网络拓扑图上实时监控节点状态。2）节点管理：实时监控网络拓扑图上的节点状态，如节点标识、联网状态、属性、能量等以及远程唤醒、控制、诊断、升级和维护等。3）通信管理：实时监控网络服务质量，包括从不同的感知网络到接入上层网络的数据链路状态等。4）设备监控：自动采集物联网中设备运行的实时工作状态，包括持续运行时间、设备温度、设备工况等。（4）生产运行管理中心子系统如图5所示，生产运行管理中心子系统的功能包括提供油气水井生产的工况状态报告，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，移动智能应用等[3]。生产运行管理中心子系统在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。生产运行管理中心子系统可在单井日常生产中及时发现问题，快速做出判断和决策，提高生产管理效率；对单井生产信息综合分析统计，跟踪生产管理KPI的执行和趋势分析，持续改进单井生产绩效；综合报警和预警，便于对紧急事件的及时响应和处置。图5生产运行管理中心子系统功能3结束语通过以上技术研究可知，油气水井生产物联网系统iPES具有以下功能特点。（1）可全面地实时感知和控制油气水井等生产单元，并通过智能移动终端实现现场人员与油气水井等生产单元的绑定，真正实现对油气水井和人员的综合管理；可实现油气水井生产工作参数的分析诊断以及智能优化控制。（2）实时地对单井生产工况进行分析，准确快速地掌握油气水井运行的详细信息，针对出现的问题，给出最佳的解决方案；并可实时根据工况变化趋势，预测一段时间后可能出现的各种问题，提前采取措施，解决问题，避免了单靠人工管理出现问题后，才能发现问题、解决问题的弊端；在油气水井事故发生时不仅能快速获知，而且能有效及时地诊断，实时地进行目标控制。（3）通过统一的调度、统一的标准和统一的控制，从而实现日常作业规范化；通过生产计划的执行、产量产能的跟踪、生产状态的监测和关键参数的检查，从而实现生产日常运行的精细化管理；通过报告的自动生成、信息的实时展现、生产指标的管理、生产工艺的改进和安全风险的应急管理，从而实现生产管理的智能化。（4）既可以与油田现有的自动化系统兼容，又可灵活地进行功能扩展；可实现对物联网设备的资产管理和运行状态管理，并可对整个系统平台进行统一的运维管理，实现信息系统统一化。参考文献：[1]闫学峰，檀朝东等．油井生产实时分析优化专家系统PES的研发及应用[J]．中国石油和化工，2009（11）：61~64．[2]沐峻丞，檀朝东等．运用物联网技术构建数字化油田[J]．中国石油和化工，2010，9：53-55．[3]檀朝东，李清辉，李丹等．油气生产物联网功能设计研究[J]．中国石油和化工，2011，10：60~61．作者简介：檀朝东（1968-），男，安徽望江县人，副研究员，博士，从事石油工程教学及科研工作，联系电话：[phone]，e-mail：[e-mail]。