智能化油田計量自動監(jiān)控系統(tǒng)的設計與研究

楊　斌，李　巖，楊冬黎，侯躍新，楊仲秋

智能化油田計量自動監(jiān)控系統(tǒng)的設計與研究

楊斌1，李巖1，楊冬黎2，侯躍新1，楊仲秋1

（1.黑龍江省科學院技術物理研究所，哈爾濱150010；2.東北石油大學計算機與信息技術學院，黑龍江大慶163318）

針對采油企業(yè)在計量監(jiān)管方面的實際需求，設計出一套采用多種信號采集技術、GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸、GPS衛(wèi)星定位、GIS服務等信息化管理手段的智能化油田計量自動監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對采油井、儲油罐、中轉站、聯(lián)合站各項運行指標參數(shù)的自動采集和動態(tài)監(jiān)控。

智能化；自動化；數(shù)據(jù)采集；監(jiān)控系統(tǒng)

隨著人們對能源需求的不斷提升，石油作為重要的戰(zhàn)略資源在世界能源結構中發(fā)揮著重要作用，它對國家的政治、軍事、經(jīng)濟均具有重要的影響［1］。在我國，石油同樣占據(jù)著舉足輕重的地位，然而國內(nèi)油田數(shù)量眾多且分布分散，不便于統(tǒng)一管理，，大部分油田生產(chǎn)企業(yè)在計量數(shù)據(jù)的采集方面仍然采用手工抄表的方式，通過人工匯總形成報表。這種方式既耗費人力、物力，在數(shù)據(jù)的采集和匯總整理方面也具有一定的滯后性，會造成生產(chǎn)經(jīng)營決策的被動，也不利于及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中存在的故障及安全隱患［2］。

油田計量數(shù)據(jù)的準確性與實時性，直接影響了石油生產(chǎn)、運維、調(diào)度等各環(huán)節(jié)，也關系到能源的消耗和生產(chǎn)指標的完成與否。國內(nèi)外針對石油生產(chǎn)計量的管理模式一般分為以下4種：第一，依靠人工統(tǒng)計，此模式被國內(nèi)眾多企業(yè)采用，但也存在人工采集誤差大、滯后、效率低下等弊端。第二，基于獨立系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，此模式數(shù)據(jù)共享性差，建設及維護成本高。第三，依靠DCS實現(xiàn)計量數(shù)據(jù)采集，此模式應用較廣，但是不提供遠程控制支持。第四，基于網(wǎng)絡、DCS、數(shù)據(jù)庫技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集管理，在國內(nèi)外屬于較前沿的技術應用，但需要有良好網(wǎng)絡和完備的系統(tǒng)支持，目前還不太完善及成熟［3-5］。從對我國采油企業(yè)調(diào)查的結果看，國內(nèi)在此方面管理水平普遍不高，普遍采用手工統(tǒng)計自動化程度不高。

本文立足于解決油田生產(chǎn)企業(yè)在計量數(shù)據(jù)管理方面的實際問題，提出一種具有智能化管理功能的油田計量數(shù)據(jù)自動監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合運用了電信號采集及轉換技術、無線數(shù)據(jù)傳輸技術、GPS衛(wèi)星定位等物聯(lián)網(wǎng)技術，與地理信息系統(tǒng)有機結合，以采油井、儲油罐、中轉站、聯(lián)合站的各類運行指標參數(shù)為監(jiān)測對象，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、處理、分析及生產(chǎn)決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)貫穿著石油生產(chǎn)信息傳遞及處理的主要過程，有助于提高采油的自動化水平、降低人員勞動強度、推進油田綜合信息化管理建設進程。

1　系統(tǒng)分析

要實現(xiàn)對油田計量數(shù)據(jù)的自動采集、監(jiān)控，就需要一套擁有軟硬件配套資源，集自動控制、數(shù)據(jù)采集分析等功能于一體的綜合平臺。硬件部分首先要實現(xiàn)對計量數(shù)據(jù)（包括：含水率、流量、溫度、壓力、儲罐物位等）實時不間斷測量。其次，要對電信號進行轉換進而形成對應的數(shù)值，要監(jiān)測數(shù)據(jù)異常變動并進行報警。最后，將數(shù)據(jù)封裝發(fā)送至各級監(jiān)管部門。軟件部分最主要的功能就是調(diào)取現(xiàn)場發(fā)送來的各類計量監(jiān)控數(shù)據(jù)，能夠形成各類匯總報表。其次，要能夠對現(xiàn)場各類監(jiān)控儀表的基礎信息進行登記管理、對用戶操作權限進行管理，達到分級管理的目的。

2　系統(tǒng)設計

2.1結構設計

系統(tǒng)由各計量表數(shù)據(jù)采集終端、各級計量監(jiān)控平臺、計量監(jiān)控中心平臺三部分組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。其中：計量表數(shù)據(jù)采集終端負責各類數(shù)據(jù)的采集及遠程傳輸。各級計量監(jiān)控平臺負責處理所在級別的事務（如數(shù)據(jù)暫存、數(shù)據(jù)傳遞、報表輸出）。計量監(jiān)控中心平臺主要負責數(shù)據(jù)的匯總管理及總體運行調(diào)度管理。

圖1　智能化油田計量自動監(jiān)控系統(tǒng)結構圖Fig.1 The structure diagram of the intelligent oil metering automatic monitoring system

2.2功能設計

系統(tǒng)利用GIS技術對采油井、儲油罐地理分布及信息進行管理，能夠實現(xiàn)計量信息自動處理、自動分析、自動管理、自動存儲。對采油站、儲油罐等監(jiān)控場所進行定位，能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)異常報警及儀表故障報警，在無人值守時自動向監(jiān)管人員發(fā)送報警短信，根據(jù)監(jiān)管級別將系統(tǒng)劃分為采油廠、油礦區(qū)、采油小隊等管理級別并授予不同的操作權限。

3　系統(tǒng)實現(xiàn)與應用

智能化油田計量自動監(jiān)控系統(tǒng)是利用多種信號采集技術、GPRS無線通信技術、GPS衛(wèi)星定位技術、GIS地理信息管理技術等新一代信息技術建立起來的系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)部分主要包括軟硬件部分的開發(fā)及業(yè)務流程的設計。

3.1硬件部分實現(xiàn)

3.1.1原油含水率測量

當射線通過具有一定厚度的物體后，由于物質(zhì)的吸收作用使射線能量衰減，因此只要精確測量出在一定時間間隔內(nèi)的射線透射計數(shù)，經(jīng)過數(shù)學分析推導，就可精確計算出原油含水率和含氣率的值。

a.選擇放射源

用射線衰減法測量油、氣、水分相含率時，這里采用半衰期為433年的241Am、238pu復合鈹窗源，241Am產(chǎn)生59.5keV的γ射線，238Pu產(chǎn)生22keV的γ射線。

b.探測器

探測器采用NaI（TI）晶體加光電倍增管的閃爍探測器。該探測器不僅可以探測射線的強度，而且能夠探測射線的能量。

c.信號預處理電路

為適應測量、傳輸?shù)男枰鑼⑿盘栠M行放大、整形等的預處理，即將高頻率的負電壓弱信號變換為+5伏的脈沖信號輸出。

3.1.2其他數(shù)據(jù)的采集

對溫度、壓力及流量數(shù)據(jù)的采集主要采用間接的方式進行獲取，即利用儀表對外輸出的4～20mm信號，通過數(shù)值建模及轉換獲得對應的真實數(shù)值。

3.1.3安全防護處理

由于現(xiàn)場工作環(huán)境復雜，存在噪聲和干擾，需要采取隔離、屏蔽和接地等措施，保證信號測量精度。此外，由于生產(chǎn)現(xiàn)場存在油氣等易燃易爆物質(zhì)，所以需要加裝防雷、防爆裝置。

3.2軟件部分實現(xiàn)

系統(tǒng)采用B/S+多層數(shù)據(jù)訪問框架進行開發(fā)，充分利用數(shù)據(jù)服務中間件及Flash在網(wǎng)絡客戶端開發(fā)的優(yōu)勢，搭建分布式的監(jiān)控系統(tǒng)。底層數(shù)據(jù)庫開發(fā)采用SQL Server 2008作為主要開發(fā)工具。在地理信息系統(tǒng)集成方面，利用ArcGIS Serve的rest服務使業(yè)務數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù)有機結合起來。

3.3工作流程

通過數(shù)據(jù)采集終端采集各計量儀表的數(shù)據(jù)，通過GPS對采集點進行定位，并通過GPRS網(wǎng)絡將采集的數(shù)據(jù)與定位信息發(fā)送至計量監(jiān)控中心平臺。

計量監(jiān)控中心平臺對接收到的數(shù)據(jù)進行存儲、處理分析和計算，最終顯示在操作界面上，各級計量監(jiān)控平臺可根據(jù)自己的權限查看各計量點的實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)。

計量數(shù)據(jù)采集終端發(fā)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，可在采集現(xiàn)場發(fā)出聲光報警以提醒現(xiàn)場操作人員，并向預設的安全責任人電話發(fā)送報警短信，同時在計量監(jiān)控中心平臺上也會顯示相應的報警并加以標記。

3.4系統(tǒng)應用

該系統(tǒng)目前已在大慶油田某采油廠試運行。在試運行階段，系統(tǒng)運行穩(wěn)定且故障率較低。各級生產(chǎn)監(jiān)管部門可以隨時調(diào)取現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，了解石油生產(chǎn)運營的實際情況，為更加科學地制定生產(chǎn)計劃提供科學依據(jù)。實現(xiàn)了完全的數(shù)據(jù)共享，不需要多次的匯總和統(tǒng)計上報，減輕了各級生產(chǎn)部門的工作負擔。對油田生產(chǎn)計量數(shù)據(jù)變化情況進行自動化監(jiān)控，系統(tǒng)的運行效果良好，實現(xiàn)了對油田生產(chǎn)的動態(tài)監(jiān)管。圖2是系統(tǒng)的實際運行效果圖。

圖2　系統(tǒng)運行圖Fig.2 The running diagram of system

4　結語

本文設計的智能化油田計量自動監(jiān)控系統(tǒng)，既可以實現(xiàn)對各項油田生產(chǎn)指標參數(shù)的實時采集測量，又可滿足上級主管部門動態(tài)監(jiān)管油田生產(chǎn)的需求，為采油企業(yè)合理調(diào)度、安排生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)及決策輔助支持。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，還可將更多的技術引入到石油生產(chǎn)中，從而達到降低生產(chǎn)成本，提高工作效率的目的。通過對該系統(tǒng)的建設，可推進油田信息化及石油生產(chǎn)自動化的建設進程，具有重要的應用研究意義。

［1］ 艾茂良.基于無線傳感器網(wǎng)絡的采油與原油輸送監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］.濟南：山東大學，2007.

［2］ 吳慶洪.油田井場監(jiān)測系統(tǒng)［D］.鞍山：遼寧科技大學，2008.

［3］蔡智興.智能控制基礎與應用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1998：1-32.

［4］榮岡.流程工業(yè)綜合自動化技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004：3-24.

［5］ BERTOLUZZO M.，BUJA G.，VITTURI S.Ethernet Networks for Factory automation［C］//IEEE Industrial Electronics.Proceeding of the 2002 IEEE International Symposium on Industrial Electronics，2002：1.

Design and research of intelligent oil metering automatic monitoring system

YANGBin1，LI Yan1，YANGDong-li2，HOUYue-xin1，YANGZhong-qiu1
（1.Technical Physics Institute ofHeilongjiangAcademyofSciences，Harbin 150010，China；2.School ofComputer&Information Technology，Northeast PetroleumUniversity，Daqing163318，China）

In view of the actual demand of oil production companies in the metering monitoring，this paper designed an intelligent oil metering automatic monitoring system with a variety of signal acquisition technology，GPRS wireless data transmission，GPS satellite positioning，GIS services and other means of information management，which can realize the automatic acquisition and dynamic monitoring of parameter for oil wells，oil storage tank，transfer station and the combination station.

Intelligence；Automation；Data acquisition；Monitoringsystem

TP277

A

1674-8646（2015）04-0030-03