母 丹

（中國石油天然氣股份有限公司新疆油田重油開發(fā)公司，新疆 克拉瑪依 834000）

0 前言

當(dāng)前，信息數(shù)字化技術(shù)引領(lǐng)的新一輪科技革命正以前所未有的方式對社會變革的方向起著決定性作用。黨的十九大報告提出要推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟(jì)深度融合，建設(shè)數(shù)字中國、智慧社會。油田數(shù)字化管理是油田高效開發(fā)、減少消耗、安全生產(chǎn)，降低員工勞動強(qiáng)度，提高工作效率和管理水平的有效手段，也是對傳統(tǒng)地面工藝技術(shù)的一次深刻革命。

1 稠油數(shù)字化油田技術(shù)的應(yīng)用意義

1.1 簡化地面系統(tǒng)

受到工藝技術(shù)的限制，早期稠油開采項目普遍采取三級布站模式來建造計量接轉(zhuǎn)站，采取計量分離器玻璃管量油的計量方式，由生產(chǎn)人員在站內(nèi)計量間完成摻液分配作業(yè)，這類項目的地面系統(tǒng)極其復(fù)雜，有著操作流程煩瑣、設(shè)備管線密集分布、不易開展維護(hù)保養(yǎng)作業(yè)、重復(fù)處理與運行能耗過大等局限性。以某采油廠于1993 年建設(shè)的5-7#計量接轉(zhuǎn)站為例，其最初采取三級布站模式，后期雖然調(diào)整為大二級布站模式，但地面管網(wǎng)長度仍舊高達(dá)40 km。

此時，對數(shù)字化油田技術(shù)的應(yīng)用可以在保證油田穩(wěn)產(chǎn)的前提下，去除計量分離器、計量摻液閥組件等裝置設(shè)備，簡化地面系統(tǒng)，減少管網(wǎng)長度與設(shè)備數(shù)量，降低作業(yè)難度，控制稠油建站費用。例如，依托數(shù)字化油田技術(shù)對事故罐、增壓撬等設(shè)備進(jìn)行升級改造，在事故罐控制系統(tǒng)中增設(shè)液位監(jiān)控程序、自動報警程序與啟?？刂瞥绦?，作業(yè)人員遠(yuǎn)程檢測事故罐運行狀態(tài)，遠(yuǎn)程下達(dá)控制指令，及時發(fā)現(xiàn)故障問題；在增壓撬前端部位增加井組計量裝置，使其具備事故罐單量功能。

1.2 實現(xiàn)油井自動化管理

早期稠油開采項目普遍采取信息數(shù)據(jù)人工抄錄、現(xiàn)場檢查的方式，由生產(chǎn)人員實時抄錄油井系統(tǒng)運行期間產(chǎn)生的各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理后編制成圖表與工作日志，以此掌握油井生產(chǎn)情況，并通過目視檢查與儀表檢查方式判斷是否出現(xiàn)異常運行與故障問題，從而采取相應(yīng)措施。從項目運作情況來看，人工抄錄方式在初期具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，但隨著吞吐輪次的增加，井筒管理、原油外輸及油井計產(chǎn)等方面的工作量明顯增加，產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)信息有待處理，對工作效率提出更高的要求。同時，受人為因素影響，時常出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤抄錄、漏算、重復(fù)計算與錯算的問題，產(chǎn)生較大的累積誤差，由此引發(fā)一系列連鎖問題。在這種情況下，應(yīng)用智能分層注水等數(shù)字化油田技術(shù)，由自動生產(chǎn)、自動控制系統(tǒng)替代人工完成大量的基礎(chǔ)性任務(wù)，如自動完成數(shù)據(jù)采集、匯總整理、篩選重復(fù)數(shù)據(jù)、全新數(shù)據(jù)覆蓋歷史數(shù)據(jù)等任務(wù)，將處理后的數(shù)據(jù)以三維可視化模型、電子地圖和圖表形式在系統(tǒng)界面顯示，徹底解決用工總量大、數(shù)據(jù)處理時效性差的問題，有助于實現(xiàn)“少人值守”目標(biāo)，僅在計量接轉(zhuǎn)站派遣少量生產(chǎn)管理人員，即可維持油井生產(chǎn)。與此同時，自動控制、人工智能等新型技術(shù)仍處于高速發(fā)展階段，技術(shù)體系日趨完善，在未來一段時間，有望在真正意義上實現(xiàn)“無人值守”目標(biāo)。

1.3 提高生產(chǎn)效率與決策水平

在項目運作期間，部分任務(wù)需要生產(chǎn)人員制定決策，決策水平高低直接影響到原油開采效率。以分層注水決策為例，其要求生產(chǎn)人員根據(jù)已掌握的信息與自身工作經(jīng)驗來計算、分配各層注水量，但實際注水量與儲層地質(zhì)配注需求存在出入，且工作效率較低。在這一背景下，可應(yīng)用反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯推理等算法建立數(shù)學(xué)分析模型，在模型中預(yù)先設(shè)定規(guī)則與導(dǎo)入實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，快速獲取輸出值，根據(jù)輸出結(jié)果來科學(xué)調(diào)節(jié)分層注水量。簡單來講，就是憑借數(shù)字化油田技術(shù)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和運算分析能力，幫助人工在短時間內(nèi)獲得最優(yōu)解，起到提高生產(chǎn)效率、輔助決策的作用。

2 稠油數(shù)字化油田的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用情況

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在互聯(lián)網(wǎng)、無線通信與遠(yuǎn)程操控等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展演化形成的一項全新技術(shù)手段，依托通信網(wǎng)絡(luò)、信息傳感器與終端控制單元，建立起人與物、物與物之間的泛在聯(lián)系，做到對稠油項目現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施運行過程、實時狀態(tài)的智能化感知與全面掌握，由作業(yè)人員遠(yuǎn)程下達(dá)控制指令，或憑借操作系統(tǒng)自身強(qiáng)大的環(huán)境自適應(yīng)能力進(jìn)行決策分析，下達(dá)正確操作指令，這對減輕人員工作負(fù)擔(dān)、提高決策精度、有效應(yīng)對突發(fā)問題有重要意義。與此同時，依托物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的數(shù)字化油田還具有跨區(qū)域開展協(xié)同工作的基礎(chǔ)條件，將各稠油項目操作系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施均納入物聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍，構(gòu)建起若干數(shù)量的局域物聯(lián)網(wǎng)，在局域物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)協(xié)同開展多項稠油項目的開采、管理等工作，并將各項目運作期間收集、產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)提交至局域物聯(lián)網(wǎng)動態(tài)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行集中處理，實現(xiàn)信息資源共享共用的目標(biāo)。

從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實際應(yīng)用情況來看，其是實現(xiàn)可視化智能生產(chǎn)、個性化生產(chǎn)與精細(xì)化生產(chǎn)目標(biāo)的重要手段。例如，在某稠油開采項目中，在兩處井注蒸汽站區(qū)域內(nèi)共計160 口油井應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在油井抽油機(jī)等設(shè)備上安裝信息傳感裝置；在現(xiàn)場安裝地面或地下控制器；在控制系統(tǒng)中開發(fā)抽油機(jī)工況自診斷功能，組合應(yīng)用人機(jī)交互、現(xiàn)場/遠(yuǎn)程通信、嵌入式互聯(lián)、傳感器測量與變頻調(diào)速等多項外圍技術(shù)。在項目運作和系統(tǒng)運行期間，系統(tǒng)基于程序運行準(zhǔn)則來實時收集、整理與分析抽油機(jī)運行數(shù)據(jù)。信息傳感裝置將所采集信息發(fā)送至地上/地下控制單元進(jìn)行決策分析，判斷抽油機(jī)工況與預(yù)期要求是否一致，在二者偏差程度超過允許范圍時，由系統(tǒng)執(zhí)行特殊功能指令，改變抽油機(jī)工況與運行參數(shù)，起到預(yù)防故障損失、減少無效操作、控制材料耗用量與延長設(shè)備使用壽命等多重作用。最終，通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，160 口油井每年可節(jié)省100 余萬元電費，并實現(xiàn)增產(chǎn)增效目標(biāo)。與此同時，該項目依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建精細(xì)化注蒸汽控制系統(tǒng)，由智能控制方式取代傳統(tǒng)的人工注蒸汽操作方式，現(xiàn)場控制單元根據(jù)數(shù)據(jù)采集、分析結(jié)果來判斷地面管網(wǎng)工況，向網(wǎng)關(guān)設(shè)備下達(dá)控制指令，實時調(diào)節(jié)蒸汽注入量、吞吐輪次數(shù)、吞吐周期等參數(shù)，避免蒸汽注入量過多或過少、燜井時間過短等問題出現(xiàn)，以取得理想的蒸汽吞吐效果。

2.2 通信技術(shù)

在早期稠油開采項目中，受到技術(shù)水平的限制，企業(yè)普遍采取電話上報的落后通信方式，由現(xiàn)場值守人員通過固定電話定期匯報現(xiàn)場情況，及時匯報突發(fā)情況，將問題逐級向上反饋。同時，部分稠油項目逐漸采取通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS）網(wǎng)絡(luò)傳輸與微波傳輸?shù)刃乱淮ㄐ欧绞?，但實際應(yīng)用期間面臨一些新的問題。例如，部分稠油項目選址偏僻，周邊未建設(shè)通信基站，GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定性差，時常出現(xiàn)信號中斷、信息傳輸滯后的問題。微波通信技術(shù)雖然有著超大帶寬容量、低時延、快速部署等優(yōu)勢，但微波在空中傳送時易受到周邊環(huán)境干擾，也無法使用同一微波電路在相同方向發(fā)射相同頻率的微波，應(yīng)用條件較為嚴(yán)格，通信穩(wěn)定性缺乏保障。

因此，數(shù)字化油田建設(shè)期間，需要應(yīng)用到穩(wěn)定性強(qiáng)，又能滿足實際工作要求的通信技術(shù)，包括光纖通信技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)制與編碼（Adaptive Modulation and Coding，AMC）技術(shù)、ZigBee 無線通信技術(shù)。其中，光纖通信技術(shù)是指在站場和調(diào)度中心間隔處敷設(shè)光纖線纜與光纖設(shè)備，將所發(fā)送信息自發(fā)送端導(dǎo)入發(fā)送機(jī)，對信息進(jìn)行疊加、調(diào)制處理后，以載波作為信號載體，沿光纖線纜發(fā)送至遠(yuǎn)處接收端，經(jīng)接收機(jī)調(diào)解處理后還原最初信息內(nèi)容。此項技術(shù)有著保密性強(qiáng)、傳輸容量大、可連接多種建筑物與構(gòu)筑物的優(yōu)勢。AMC 技術(shù)在微波通信技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展形成，對無線鏈路傳輸調(diào)制方式以及編碼速率進(jìn)行調(diào)整，遵循“按需分配”原則，根據(jù)數(shù)字化油田通信網(wǎng)絡(luò)的實際運行情況來針對性設(shè)定編碼速率與調(diào)制指數(shù)，如在信道質(zhì)量指示（Channel Quality Indicator，CQI）值低于10 時采取1/3 編碼方式，在CQI 值超過20 時采取3/4 編碼方式。

由于稠油采油廠井?dāng)?shù)多，覆蓋面積廣，需找到合適的組網(wǎng)技術(shù)，讓無線儀表組網(wǎng)并完成數(shù)據(jù)的傳輸。將藍(lán)牙、LoRa、NB-IOT、ZigBee 等通信技術(shù)的優(yōu)劣性逐一列出，進(jìn)行對比，具體情況如表1 所示。

表1 通信技術(shù)對比情況

從表1 中可以看出，藍(lán)牙傳輸距離最短，需要大量購買中繼設(shè)備才能實現(xiàn)儀表組網(wǎng)；LoRa 通信距離遠(yuǎn)，但設(shè)備部署不斷增多，相互之間會出現(xiàn)一定的頻譜干擾，且負(fù)載率小，有字節(jié)限制；NB-IOT 功耗低，傳輸數(shù)據(jù)少；ZigBee 具有低功耗、低時延、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點，更重要的是無線儀表更改安裝位置后仍可實現(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)，缺點是傳輸距離短，ZigBee 網(wǎng)關(guān)和光纖搭配使用，可在低成本下實現(xiàn)通信效率最大化。

2.3 數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制

首先，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，由數(shù)字化油田系統(tǒng)替代人工完成與數(shù)據(jù)采集相關(guān)的操作任務(wù)，需要應(yīng)用功圖法在線計產(chǎn)技術(shù)，在現(xiàn)場安裝若干數(shù)量的無線示功圖傳感器，由傳感器持續(xù)采集位移量、油井載荷等現(xiàn)場參數(shù)，將現(xiàn)場監(jiān)測信號發(fā)送至系統(tǒng)后臺，對現(xiàn)場信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化、分類整理、關(guān)聯(lián)分析等操作，在處理結(jié)果的基礎(chǔ)上建立三維振動數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確描述桿柱、油管等部位的實時工況，并顯示出砂情況、泵掛深度、油氣比等信息，生成井下泵功圖。例如，在油井產(chǎn)液量計算方面，在計算公式中導(dǎo)入沖程、生產(chǎn)氣液比、桿柱組合、泵徑與井液黏度等信息，即可獲取準(zhǔn)確結(jié)果。

其次，為實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，可選擇應(yīng)用可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術(shù)和開發(fā)通信模塊，在站內(nèi)系統(tǒng)中安裝PLC，由通信模塊持續(xù)將終端感知層采集的現(xiàn)場監(jiān)測信號發(fā)送至PLC裝置，由PLC 裝置執(zhí)行輸入狀態(tài)數(shù)據(jù)讀取、梯形圖掃描識別、執(zhí)行特殊功能指令、輸出刷新操作，按照I/O映像區(qū)內(nèi)對應(yīng)數(shù)據(jù)狀態(tài)來刷新輸出鎖存電路，驅(qū)動外接設(shè)備執(zhí)行控制指令，如自動執(zhí)行電機(jī)開啟、關(guān)閉命令。同時，生產(chǎn)人員可以在操作系統(tǒng)界面進(jìn)入功能欄與按下按鍵，采取手動方式，遠(yuǎn)程向站內(nèi)設(shè)備實時發(fā)送控制指令。

2.4 智能預(yù)警

在數(shù)字化油田系統(tǒng)中開發(fā)智能預(yù)警功能，布設(shè)大量自檢信號，由生產(chǎn)人員根據(jù)工作經(jīng)驗預(yù)先在系統(tǒng)中設(shè)定警戒值。如此，在系統(tǒng)運行期間，一方面可通過自檢信號來觀察硬件設(shè)備與軟件程序是否出現(xiàn)異常情況與故障問題，在接收到自檢信號后，自動發(fā)送報警信號，鎖定故障點，初步判斷故障類型與分析問題成因。另一方面，在稠油開采生產(chǎn)活動中，對比現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的警戒值，包括位移量、壓力、電流、單井產(chǎn)量、井液黏度等，如果實時監(jiān)測數(shù)據(jù)超過警戒上限值或低于警戒下限值，系統(tǒng)也將自動發(fā)送報警信號，并以曲線圖表等形式顯示各單位生產(chǎn)情況，便于后續(xù)事件調(diào)查、檢修維護(hù)工作的開展。

3 結(jié)語

在現(xiàn)代稠油開采項目中，數(shù)字化油田技術(shù)的應(yīng)用可以全面提高生產(chǎn)效率、管理水平與油井時率，這對我國石油開采行業(yè)健康、穩(wěn)步發(fā)展有著極為重要的現(xiàn)實意義。石油企業(yè)必須高度重視數(shù)字化油田技術(shù)，對智能預(yù)警、物聯(lián)網(wǎng)等新型技術(shù)做到落地應(yīng)用，使數(shù)字化油田技術(shù)在稠油開采生產(chǎn)活動中發(fā)揮出應(yīng)有的功能效用。