吉林油田低成本物联网建设与应用.pdf

2023 年第 3 期6 5吉林油田低成本物联网建设与应用滕奇刚（中国石油吉林油田公司）摘要：吉林油田通过自主研发、自主设计、自主建设、自主运维，构建简单实用低成本物联网，形成了可复制推广的成功经验。创新研发了油机停井报警仪、油井测控仪、井场电子眼等特色产品，解决了异常停井发现难、异常井况发现难、井场巡检难等实际生产问题，产品性能可靠，造价仅为同类设备的1/3。综合应用多项技术，监控人员劳动强度下降 85%以上，监控效率提高 5 倍。优化物联网系统架构，实现服务器云化部署，减少井场物联网部件数量，降低前端设备技术难度，改变传输方式，简化系统结构，保证高上线率。加强物联网大数据挖掘，开发出电参数深化应用系列技术，在井况诊断、节能方面取得显著成效。构建统一的云平台，实现全油田一套系统、一个平台，方便软件部署升级和日常维护，整体形成低成本建设运维模式。坚持数字思维推进管理流程再造，实现数据应用全生命周期闭环管理，建立了采油厂直接集中管理油水井的新模式。关键词：数字油田；物联网；大数据；智能化；全生命周期；低成本 中图分类号：TE46；TP39；F426.22文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1002-302x.2023.03.008Cost-effective Internet of Things Constructed and Applied by Jilin Oilfield Teng Qigang(PetroChina Jilin Oilfield Company,Songyuan 138000,China)Abstract:Based on independent research and development,independent design,independent construction,and independent operation and maintenance,Jilin Oilfield established the simple and applicable cost-effective Internet of things(IoT)with the experience that could be duplicated and extended.A series of featured products were innovated and developed,such as the pumping unit shutdown alarm,the oil well measurement and control instrument,and the well site electronic eye.They helped solve some actual production problems,such as the difficulties to find abnormal shutdown and abnormal well conditions as well as the difficult for well site inspection.Those products not only have a reliable performance but also one third of the cost as compared to the equipment of the same kind.Based on integrated application of a number of technologies,the labor strength of supervisors was lowered by more than 85 percent while the supervision efficiency was improved by five times.All the efforts aimed at optimize the IoT system configuration,bring about cloud deployment of servers,cut down the quantity of IoT parts on the well site,reduce the technological difficulty for front-end equipment,change the transmission method,simplify the system structure and ensure a high online rate.The oilfield also tapped big data of IoT and developed the series of technology for in-depth application of electrical parameters,thus making remarkable achievements in diagnosis of well conditions and energy saving.It established the unified cloud platform and brought the whole oilfield under one set of systems,namely one platform,基金项目：中国石油吉林油田公司科研项目“油气生产物联网智能化关键技术研究”（编号：勘科 220018 号）。作者简介：滕奇刚，1972 年生，2007 年毕业于北京化工大学化学工程专业，硕士，高级工程师，现主要从事油气生产物联网技术研发工作。E-mail：收稿日期：2023-06-052023年第42卷第3期石 油科技论坛6 6 数字化智能化专刊SPECIAL FOR DIGITALIZED AND INTELLIGENT当前，国内各大油气田企业积极推进数字化、智能化工作，加快推进物联网、大数据、云计算、人工智能等数字技术与油气开发业务深入融合。伴随着数字化智能化建设持续深入，建设维护成本成为制约数字化转型、智能化发展可持续性的关键问题，探索数字化智能化建设全生命周期低成本解决方案，是各油气田企业的迫切需要。1吉林油田物联网数字化智能化发展概况吉林油田是一个有着 60 余年开发史的老油田。经过多年开采，资源品味差、原油稳产难、投资收益低、成本费用高等问题逐渐凸显，多井、低产、高含水、高能耗成为近年该油田开发的主要特征，生产经营形势十分严峻。为了降低成本、提质增效，油田上下潜心挖潜，借助物联网等信息化手段，努力提高生产经营精细化水平。“十二五”期间，吉林油田依托外部队伍开展了多种模式的物联网建设试点。经过几年使用维护，暴露出故障率高、上线率低、维护难度大、建设维护费用高、应用效果不及预期等问题，物联网建设面临建不起、用不住、没效益的尴尬局面，低产低效老油田如何建设应用物联网成为吉林油田亟待解决的问题。“十三五”期间，吉林油田从建设、管理、应用、维护等方面系统总结了物联网建设应用经验和教训，探索物联网建设应用新模式。2015 年，首款自主研发物联网产品实现规模化应用。2017 年，在大老爷府油田物联网建设试点，打造简单、实用、低成本的物联网样板，形成了以自主研发、自主设计、自主建设、自主运维为主要特征的物联网“吉林模式”。2018 年，全面推广复制试点经验，建成油井、计量间物联网，实现在用油井、计量间全部数字化，建设周期短、投资少、见效快，取得良好效果。2019 年，聚焦物联网大数据应用，配备成套技术，建成目前国内最完整的油井高密度电参数据资源库，被列入吉林省 2021 年大数据产业发展试点示范项目。进入“十四五”，吉林油田着力攻关低成本智能化技术，初步形成智能井、智能间、智能站场解决方案，被列入自然资源部矿产资源节约和综合利用先进适用技术目录（2022 年版）。通过几年的探索和实践，吉林油田逐步形成了符合自身实际、可复制可推广的低成本数字化、智能化成熟做法，为我国老油田数字化转型、智能化发展提供了有益的借鉴和参考。2研制特色产品，解决生产实际问题 吉林油田总结物联网建设应用的历史教训，精简建设应用需求，将物联网功能定位于解决异常停井发现难、异常井况发现难、井场巡检难等主要生产需求。2.1抽油机停井报警仪解决异常停井发现难问题抽油机停井报警仪采用电池供电、4G 无线传输方式，实时将抽油机游梁状态发送至物联网系统，抽油机停井或开井时系统都会发出报警信号，平台通过手机短信通知关联的采油工。抽油机停井报警仪应用后，油田采油时率整体提高 to facilitate software deployment,upgrading and daily maintenance and complete a cost-effective construction,operation and maintenance model.The oilfield promoted transformation of the management process on the basis of digital mindset,adopted the closed-loop management over the whole life cycle of data application and established the new model for the oil production plants to bring oil and water wells under direct and concentrated management.Key words:digital oilfield,Internet of things,big data,intelligence,whole life cycle,cost-effective2023 年第 3 期6 73%以上。2.2油井测控仪解决异常井况发现难问题油井测控仪集电参数采集、电量计量、启停控制、自动程序控制、4G 无线传输、直流供电等功能于一体，可替代传统的 RTU、DTU、开关电源等设备功能。参数采集周期有 40ms、80ms、120ms共 3 种选择，可以定时传送油井电参数，供监控人员绘制电流曲线、功率曲线，从而诊断井况异常变化。应用测控仪后，油田异常井发现率达 98%以上，发现时间控制在 4h 以内。2.3井场电子眼解决井场巡检难问题井场电子眼集图像采集、传输于一体，可按系统设定采集不同分辨率的井场图像，并回传至物联网平台。通过井场电子眼的应用，减轻了采油工现场巡检工作量，工作方式从定时巡检转变为按需巡检。实际应用中，3 款产品互相验证和支撑，确保系统数据的可靠性。抽油机停井报警仪报警时，用户可利用井场电子眼和油井测控仪检验停井报警信息是否准确；用户远程启停井时，停井报警仪可反馈启停井是否成功；油井测控仪采集数据提示井况异常时，用户可利用井场电子眼查看现场情况。3简化优化系统结构，保证上线率 持续稳定的高上线率是物联网发挥应用效能的基础，吉林油田针对平台部署、产品部署、传输方式等方面改进系统结构，物联网应用 6 年来，上线率从 95%逐步提高到 98%以上。3.1全油田一套系统一个平台在物联网系统架构上，吉林油田物联网平台依托云平台搭建（图 1），服务器集中云化部署1，采油厂只有客户端，没有服务器。通过服务器的云化部署，提高了系统稳定性和工作效率，也方便软件部署升级和日常维护。油井物联网设备ForceCon V7.2站控系统计量间控制柜eForceCon V2.1客户端eForceCon V2.1厂级服务器LibrA数据库PHD实时数据库油田公司级数据库物联网云平台A11系统B/S用户A11系统B/S用户图 1吉林油田物联网平台架构3.2减少井场物联网部件数量同比传统物联网技术，低成本物联网中单井安装物联网产品部件数量由 11 件减至 3 件（图 2），井场物联网产品部件间由传统的串联结构改变为并联结构2，消除了部件间的耦合效应，系统可靠度显著提高3。传统物联网系统中，每一个部件的可靠度为 0.95时，系统可靠度为 56.88%；低成本物联网系统中，3 款产品可靠度均为 0.95 时，系统可靠度为 99.99%。3.3转变传输方式吉林油田地势较为平坦，运营商无线信号覆盖较好，油井、计量间传输改用 4G+VPDN 方式4。该方式可有效降低建设费用、传输系统维护难度和安全风险，提高了传输系统可靠性，保证了稳定的系统上线率，且支付运营商的传输费用与以往使用无线网桥传输方式的维护费用基本相当。4打造特色模式，降低全生命周期成本吉林油田物联网整体设计着眼于全生命周期低成本，通过节省建设费、少花维护费、压减运行费，系统建设维护费用仅为传统物联网技术的 1/3左右。滕奇刚：吉林油田低成本物联网建设与应用6 8 数字化智能化专刊SPECIAL FOR DIGITALIZED AND INTELLIGENT4.1自主研发物联网产品，降低设备采购费用应用单片机开发技术，吉林油田研制各种型号物联网产品 30 余款，累计组装生产各种型号物联网产品 6 万余台（套），产品价格约为同类产品价格的 1/3。产品设计中，预留充分的计算、存储能力，为后续产品软件的更新升级提供了硬件基础，产品具备在线功能升级能力。4.2降低技术门槛，便利产品安装维护以往 RTU、DTU、无线网桥等需要专业技术人员进行配置，吉林油田自主研发的单井物联网产品免配置、即插即用，采油工人经过简单培训即可完成安装及更换操作。计量间所用 RTU 采集设备采取标准化配置，采油工只需按色标接线即可，组态由技术人员在云平台侧集中完成，量程变换等在组态软件侧完成，更换仪表无需专业人员修改 PLC 程序。前端设备技术难度降低，便于采油工人后续施工与维护，力求做到工人能干的尽量简单、技术人员能做的尽量集中。4.3自主建设运维，节省费用提高效率在建设过程中，油田组织采油工开展多轮技能培训，形成了近 3000 人的安装队伍，全部物联网产品安装均由采油工自行完成，由此节省了近 2000 万元施工费用。在维护上，油田集中统一提供备品备件，采油厂自行更换故障设备，此举提高了维修及时率，保障了系统上线率，节省了维护费用。自主建设、自主运维从根本上破解了油田长期存在的物联网建设、管理、应用、维护难以有机融合的难题。4.4技术与经济相结合，降低仪器仪表采购费用对于压力、温度、流量采集等通用仪表，油田采取统一招标集中采购，降低采购成本、统一后续维护备件型号。压力变送器采购价比预算下降 2/3；温度检测仪表选用热电阻，舍弃了温度变送器，温度信号采集成本下降 3/4，而且降低了温度采集故障率；对现有各种型号流量计，采取表头通信接口改造，制定统一的通信接口协议标准，改造成本仅为换新的 10%左右。5深化大数据应用，挖掘数据价值与传统物联网技术相比，油田低成本物联网具有安装设备少、采集参数少的特点。采集少量参数即可满足业务需求，是低成本物联网必须解决的关键问题。5.1从简入繁，促进大数据深化应用自 2015 年起，吉林油田 80%的油井安装了停示功仪示功仪电源电机测控单元RTURTU电源交换机交换机电源无线网桥POE电源摄像头摄像头电源a.传统物联网b.低成本物联网停井报警仪测控仪井场电子眼R1R2R3R2R1R6R3R7R4R5R8R9R10R11R=1-(1-R1)(1-R2)(1-R3)R=R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11图 2传统物联网与低成本物联网系统可靠度结构对比2023 年第 3 期6 9井报警，实现停井原因闭环管理，具备时率管理、停井原因分析、产量走势分析、配电管理、作业管理等功能，促使采油时率提高 3%以上。通过引入 A2、A5 等系统关联数据，生成产量、作业、供配电等衍生数据5，将低密度信息加工成高密度信息6，最终生成用户需要的成果数据（图 3）。油田逐步形成了物联网大数据深化应用的开发流程7，从收集数据、积累经验、掌握规律、生成模型、开发软件到应用落地，突出做好工艺分析和数学建模关键环节，顺利实现知识交接8。0运行1停井停井报警采油时率分析停井原因分析产量走势分析配电故障分析作业管理皮带耗用量分析杆断频次分析管漏频次分析洗井频次分析抽油机治理皮带采购计划优化预见性洗井停井报警数据图 3停井报警数据应用功能-5000500100015002000250030003500151101151201251301351401451501551异常工况功率曲线正常工况功率曲线采样顺序号有功功率/W图 4应用电参数曲线诊断电机轴承故障5.2深化电参数应用，打造井况诊断特色技术单井电参数采集系统时油田物联网建设重要内容，经过几年的应用实践，油田逐步形成了以油井高频电参数应用为核心的油井电参数解释技术。应用电参数曲线，解决了油井异常工况的发现和诊断问题，异常井发现率逐步提高到 98%以上，准确率达到 90%左右，异常井发现时间缩短到 4h 以内。井况分析基本摆脱了对示功图的依赖，特别是应用电参数曲线诊断地面故障是示功图不能实现的功能（表 1、图 4）。表 1示功图与电参数曲线功能对比序号对比项目示功图电参数曲线1井下工况诊断可以可以2井下工况细微变化不明显明显3地面工况诊断不可以可以4用电诊断不可以可以5螺杆泵工况诊断不可以可以6计量产量可以可以7校检频次/（a次-1）0.513滕奇刚：吉林油田低成本物联网建设与应用7 0 数字化智能化专刊SPECIAL FOR DIGITALIZED AND INTELLIGENT5.3应用大数据，持续挖掘节能潜力吉林油田通过对电参数数据的积累分析，形成了油井节电管理“十步法”，从电压平衡、负载均衡、功率因数、问题电机治理、功率利用率、平衡度优化、井况治理、间抽优化、反向做功治理、偷盗电等方面精细挖掘油井用电数据，找到油井耗电短板。物联网系统投用一年中，针对性治理油井 1200 余口，解决了油井电机长期缺相运行的问题；更换、修理电机 670 余台，功率因数整体提高0.06；平衡度优化抽油机井 1100 余口，调整冲次970 余口；及时发现异常工况耗电 2700 余井次，自动间抽“躲峰填谷”运行油井 1700 余口，及时制止偷盗电 600 余次；预见性洗井 3700 余井次，年实现节电量 2500104kWh 以上。通过聚类、关联分析、离群点检测技术9，开展同类型油井耗电情况可视化比对，暴露高耗电油井和显著异常耗电井；通过规划求解法，形成最佳冲次设定方案，实现产液量与耗电量、电费 3 个变量的优化配置；应用大数据可视化技术，实现油气生产关键核心数据的抽取、浏览、下载10；针对性开展井况治理、集群间抽、躲峰填谷运行等专项提质提效工程，实际应用中可实时找到问题、指出问题解决方向、监控运行状态、检验实施效果。6开发智能化技术，降低人员工作强度物联网系统应用初期，监控人员工作量很大，油田以智能辅助诊断为重点，立足现有自主研发产品的可扩展性和二次开发能力，不增加硬件投入，从云端智能化和边缘端智能化两个方向，开发智能应用软件。6.1云端智能化吉林油田依托统一的云平台，开发了各类智能化算法 60 余项，实现油井工况智能诊断，促使监控人员工作量降低 85%，工作效率提高 5 倍以上。开发了抽油机井电参数计量油井产量软件，在大老爷府油田试点应用 312 口油井，电参数计量平均误差为 14.3%，目前正在推广应用。通过对集输注水管网历史运行数据的挖掘，开发注水管网泄漏识别算法，运用智能报警功能，实现管线泄漏精准识别。6.2边缘端智能化吉林油田加强边缘端智能化建设，2021 年实现井场电子眼 AI 识别功能，可实时识别人员闯入并具备报警联动功能。2022 年深入发掘电参数大数据资源，进一步简化优化云端算法，形成满足ARM 环境下应用的智能化算法，实现缺相、皮带断、杆断、严重机械障碍、井况显著变化等 10 种典型工况的实时自动识别报警和保护停机，油井具备了离线智能运行的能力。通过云端和边缘端智能化应用的结合，监控人员劳动强度显著降低，异常工况发现及时率显著提高，系统应用逐步由“人找异常向异常找人”转变11。7通过数据应用闭环，实现过程闭环管理吉林油田推动管理创新，通过一体化软件平台将数据产生、利用、考核等流程固化下来，实现管理过程规范化、标准化，提高了数据的利用效果。以数据思维再造管理流程是物联网管理创新的关键12。按照基于数据应用全生命周期闭环管理和最大限度缩短数据应用链条的原则13，摸索最佳运行模式，在监控指挥运维一体化运行模式的基础上，逐步向数据应用中心过渡。采油厂取消了采油队分散监控，厂级集中监控减少了相关岗位用工。例如，新民采油厂 4 个人集中管理全厂 1200 多口油井。物联网监控中心由信息部门主管转变为由地质所、工艺所主管，业务主导成为共识。对工作流2023 年第 3 期7 1程的数字思维再造，带来了数据利用效率的提高、管理链条的缩短和工作效率的提升。8结束语吉林油田在低成本物联网的技术与应用方面进行了积极探索和实践，积累了可复制、可推广的成功经验。低成本物联网是在低油价背景下产生的，创新驱动是低成本物联网的动力源泉，贴近实际是低成本物联网的前提，全员参与是低成本物联网成功的根本保障，坚持数字思维是实施管理变革的核心。通过站场数字化、自动化改造，依托大数据、人工智能技术，生产运行决策更加科学有效。通过逐步实现集中监控、少人值守和无人值守，将进一步降低生产运行成本，提高油田综合效益。在中国石油加快推进“两化”转型的大背景下，吉林油田下一步将深入开展电参数计产、智能工况诊断、智能间抽和边缘计算等方面应用研究，持续加快智能站场物联网建设节奏，更快更好地完成剩余站场物联网建设工作，为我国老油田物联网建设提供有益的借鉴和参考。【参考文献】1 聂志锋,吴鼎,陶源,等.基于资源池及其应用云化的运维能力提升研究 J.信息通信,2019(9):244-245.Nie Zhifeng,Wu Ding,Tao Yuan,et al.Research on improvement of operational and maintenance abilities on basis of resource pond and its application 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