摘要：本文基于混合控制系統(tǒng)（GCS）在油田開(kāi)釆行業(yè)“數(shù)字油田”成功應(yīng)用的背景.分析了油田數(shù)字化過(guò)程中的用戶需求和層級(jí)劃分,詳鈿介紹了（GCS）的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信以及系統(tǒng)安裝等特征，并在此基礎(chǔ)上提出整體油田現(xiàn)場(chǎng)解決方案，對(duì)提升油田的安全生產(chǎn)和自動(dòng)化水平具有重要意義。
　　
　　關(guān)鍵詞：GCS數(shù)字油田無(wú)線通信
　　
　　1引言
　　
　　根據(jù)地底層油壓不同，油田原油采集一般分為兩種方式：一種依靠油藏本身壓力，使原油噴到地面，同時(shí)還伴隨著伴生天然氣的產(chǎn)生，叫做自噴采油，這類油井稱為自噴油井；第二種是當(dāng)?shù)氐子蛯訅毫Σ粔颍杞柚饨缌α繉⒃筒杉降孛娴姆绞剑凶鋈斯づe升采油或機(jī)械采油。
　　
　　目前在我國(guó)，大多是天然能量不足的油田，本身不具備自噴能力，部分即使有自噴能力，但自噴期限短，幾年后油藏壓力減小，就無(wú)法持續(xù)自噴采油：但一個(gè)油田的生產(chǎn)年限往往要延續(xù)二三十年，因此目前絕大多數(shù)原油采集是靠人工舉升方式。人工舉升采油包括氣舉采油、抽油機(jī)有桿泵采油、螺桿泵采油等。由于抽油機(jī)有桿泵采油占據(jù)著目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)陸地采油井的采油方法比例，因此對(duì)抽油機(jī)有桿泵井的自動(dòng)化改造成為數(shù)宇化油田改造的基礎(chǔ)。[1]
　　
　　目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)抽油井并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，油田運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控主要依靠人工巡檢實(shí)現(xiàn)。由于地形結(jié)構(gòu)的特殊性，作業(yè)區(qū)抽油井分布地廣井稀，人工巡檢的方式效率低下，信息獲取周期長(zhǎng)、巡檢費(fèi)用高，更不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油井的即時(shí)工況調(diào)整和產(chǎn)量預(yù)測(cè)分析。通過(guò)數(shù)宇化改造,建立專業(yè)的數(shù)字化油田網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)油田（主要指抽油機(jī)有桿泵采油井）的監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)采集，提供生產(chǎn)所需的數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表等功能，對(duì)油氣田的安全生產(chǎn)有著重要意義。
　　
　　本文重點(diǎn)對(duì)油田自動(dòng)化過(guò)程中的需求和油田整體架構(gòu)進(jìn)行分析介紹，并在此基礎(chǔ)上提出基于GCS的整體油田現(xiàn)場(chǎng)解決方案，重點(diǎn)針對(duì)國(guó)內(nèi)分布廣、數(shù)量多的抽油井以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)改進(jìn),達(dá)到很好的預(yù)期效果。
　　
　　2數(shù)字化改造分析
　　
　　數(shù)字化油田的整體改造涵蓋油田全線，包括對(duì)抽油井、注水井、水源井、計(jì)量間及聯(lián)合站油水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制系統(tǒng)改造。采集的數(shù)據(jù)通過(guò)工業(yè)有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到作業(yè)區(qū)監(jiān)控室及油田公司的上層調(diào)控中心，完成對(duì)井口設(shè)備的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制功能；同時(shí)通過(guò)電子巡檢和集成視頻監(jiān)視系統(tǒng),嚴(yán)格關(guān)注各抽油井裝置工況和生產(chǎn)情況，進(jìn)行相關(guān)的管理和調(diào)度優(yōu)化工作，zui終實(shí)現(xiàn)在正常情況下油田全線工藝站點(diǎn)無(wú)人值守的自動(dòng)化水平。
　　
　　本文重點(diǎn)以抽油井的改造為基礎(chǔ),針對(duì)數(shù)宇化油田的三個(gè)部分進(jìn)行介紹。
　　
　　2.1調(diào)控中心
　　
　　整個(gè)油田測(cè)控系統(tǒng)從功能上可分為調(diào)控中心、通信網(wǎng)絡(luò)及井口測(cè)控三部分。調(diào)控中心是數(shù)字化油田的核心，負(fù)責(zé)完成對(duì)抽油井和庫(kù)區(qū)的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、調(diào)度和運(yùn)營(yíng)分析等。調(diào)控中心根據(jù)職能可分為監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)良好的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)油田裝置如抽油機(jī)、聯(lián)合站以及注水站的遠(yuǎn)程參數(shù)采集和常規(guī)控制功能，同時(shí)提供報(bào)警接口，確保現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的故障和異常能夠得到及時(shí)處理，避免危險(xiǎn)事故發(fā)生。生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)則重點(diǎn)解決油田生產(chǎn)優(yōu)化、井況分析以及產(chǎn)量規(guī)劃與預(yù)測(cè)等功能。
　　
　　2.2井口測(cè)控改造
　　
　　井口的數(shù)據(jù)測(cè)量是油田數(shù)字化的基礎(chǔ)，井口自動(dòng)檢測(cè)主要包含以下幾部分：原油及管線的狀態(tài)（油溫、油壓套壓等），抽油機(jī)本身的工作狀態(tài)（載荷、位移），工作電機(jī)的狀態(tài)（電量、電流等信息）以及抽油機(jī)控制部分信號(hào)等。具體內(nèi)容如下：
　　
　　•數(shù)據(jù)采集部分：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)儀表監(jiān)測(cè)壓力、溫度、抽油機(jī)啟停狀態(tài)參數(shù),通過(guò)載荷和位移傳感器、電流傳感器定時(shí)或?qū)崟r(shí)測(cè)取示功圖和電流圖。
　　
　　•控制：實(shí)現(xiàn)負(fù)荷高于設(shè)定上限和下限的超限停機(jī)控制、時(shí)間定點(diǎn)啟停控制、遠(yuǎn)程啟停處理等。
　　
　　•遠(yuǎn)程通信：抽油機(jī)分布較廣，抽油機(jī)數(shù)據(jù)主要通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)、GPRS等無(wú)線方式與中控室主站電臺(tái)進(jìn)行通信。
　　
　　•報(bào)警：考慮到現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人值守狀態(tài)，判斷抽油井工作是否正常，給出報(bào)警信息，同時(shí)根據(jù)預(yù)先的設(shè)定采取不同的動(dòng)作。
　　
　　•啟抽報(bào)警：具有抽油機(jī)啟抽報(bào)警功能,保證現(xiàn)場(chǎng)工作人員安全。同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)為無(wú)人值守狀態(tài),對(duì)RTU箱體進(jìn)行防護(hù)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)箱報(bào)警。
　　
　　•自檢：抽油機(jī)測(cè)控系統(tǒng)硬件故障自檢。
　　
　　•自保護(hù)：實(shí)現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、缺相的自動(dòng)停機(jī)保護(hù)。
　　
　　2.3通信系統(tǒng)
　　
　　數(shù)據(jù)通信是油田監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。從現(xiàn)有通信方式看，可選擇有線和無(wú)線兩種，有線方式包括光纖專線、如ADSL等，無(wú)線方式包括數(shù)傳電臺(tái)、CDMA等。這些方式應(yīng)用于油田監(jiān)控系統(tǒng)中，各有優(yōu)缺點(diǎn)。如表1所列各種通信方式在覆蓋范圍、費(fèi)用、可靠性等方面的比較。
　　
　　在項(xiàng)目中，用戶可以根據(jù)自己的油田規(guī)模、投資規(guī)模、地理分布等情況，綜合考慮選擇合適的遠(yuǎn)程組網(wǎng)方式。
　　
　　一般而言，北方油田井口距離和監(jiān)控中心都不太遠(yuǎn)，同時(shí)以平原農(nóng)田為主，地域空曠，在綜合比較數(shù)據(jù)帶寬和成本后，擬選擇WIFI網(wǎng)橋進(jìn)行通信。WIFI網(wǎng)橋通信帶寬大，同時(shí)還可與井口視頻監(jiān)控共用網(wǎng)絡(luò)。雖然在網(wǎng)絡(luò)架設(shè)初期有一定的調(diào)試和安裝工作量，但后期支出較少,總體性價(jià)比較髙。[2]
　　　　3控制系統(tǒng)方案
　　
　　3.1GCS-G3簡(jiǎn)介
　　
　　WebFieldGCS平臺(tái)是中控技術(shù)股份公司面向SmartWorld推出的自動(dòng)化系統(tǒng)，其中包括適用于中大型混合控制場(chǎng)合的G5系列產(chǎn)品和適用于分布式測(cè)控場(chǎng)合的G3系列產(chǎn)品。WebFieldGCS控制系統(tǒng)集成了多種控制技術(shù)、可視化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)，為各種應(yīng)用提供全集成化的解決方案，適用于離散控制、運(yùn)動(dòng)控制、批處理、安全控制和驅(qū)動(dòng)控制等應(yīng)用場(chǎng)合，在油田中主要應(yīng)用的是沉GCS-G3系列產(chǎn)品。
　　
　　GCS-G3系列產(chǎn)品是中控實(shí)現(xiàn)低成本遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案，產(chǎn)品支持工業(yè)級(jí)環(huán)境適應(yīng)能力和靈活的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)適應(yīng)能力，可廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)分布式的遠(yuǎn)程控制，如油田、長(zhǎng)輸管線、城市熱網(wǎng)等領(lǐng)域。系統(tǒng)支持多種有線/無(wú)線工業(yè)通信方案實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。GCS-G3系列產(chǎn)品中的GCU341產(chǎn)品為中控井口智能終端，部件支持油田示功圖數(shù)據(jù)、電量數(shù)據(jù)以及原油相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)（如油溫油壓等）的測(cè)量和本地存儲(chǔ)，同時(shí)提供遠(yuǎn)程啟停井和相關(guān)的聯(lián)鎖保護(hù)功能。
　　
　　3.2解決方案
　　
　　根據(jù)需求，井口部分?jǐn)?shù)據(jù)采集可采取如下方案實(shí)施：在抽油機(jī)附近設(shè)罝密閉式戶外立式箱體，內(nèi)安裝基于GCS-G3系列產(chǎn)品的GCU341、電量測(cè)控模塊以及其他相應(yīng)的電源空開(kāi)等設(shè)備。箱體內(nèi)安裝語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)，在遠(yuǎn)程啟停的時(shí)候，及時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警，保證現(xiàn)場(chǎng)安全。同時(shí)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守，增加開(kāi)箱蜂鳴報(bào)警并提醒監(jiān)控室功能，保證財(cái)產(chǎn)安全。
　　
　　對(duì)于油田zui終要的示功圖數(shù)據(jù)，GCU341不僅可通過(guò)組態(tài)設(shè)置在單沖程內(nèi)采集載荷、位移的具體數(shù)量，并打上時(shí)間戳。示功圖數(shù)據(jù)支持本地存儲(chǔ)功能，本地zui長(zhǎng)可保持15天的示功圖數(shù)據(jù)供上位機(jī)讀取或查詢。
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)還布罝視頻監(jiān)控?cái)z像頭，通過(guò)統(tǒng)一的WIFI網(wǎng)絡(luò)傳送至油田調(diào)控中心，集成到統(tǒng)一監(jiān)控的SCADA軟件界面中（GPRS由于帶寬受限，不適合和視頻監(jiān)控共用網(wǎng)絡(luò)）。　　本地儀表信號(hào)的接入考慮到北方的環(huán)境和氣候因素，分為有線和無(wú)線兩種接入方式。其中載荷和位移傳感器由于一直處于垂直運(yùn)動(dòng)軌跡的運(yùn)動(dòng)中，傳統(tǒng)的信號(hào)線纜在北方低溫環(huán)境下容易脆斷，宜采用無(wú)線的方式接入；其他如油溫、油壓、套壓電量測(cè)控等，可采用有線的方式接入。
　　
　　聯(lián)合計(jì)量站和注水站相對(duì)于抽油井口，點(diǎn)數(shù)多且集中，可采用集中安裝機(jī)柜的方式進(jìn)行布置。
　　
　　通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示，可根據(jù)裔要選擇CDMA/WIFI以及有線光纖環(huán)網(wǎng)等方案，以節(jié)約施工和可靠通信為準(zhǔn)，GCU341與WIFI通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)總線連接（GCU341本身提供2個(gè)冗余的以太網(wǎng)接口）。監(jiān)控中心提供2個(gè)通信接口，支持各種通信部件的連接，實(shí)現(xiàn)和井口平臺(tái)、計(jì)量站以及注水站的數(shù)據(jù)交互；另一端口則通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電纜和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，上位機(jī)選用中控技術(shù)股份公司VxSCADA軟件產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)整體的監(jiān)控和處理。　　4結(jié)束語(yǔ)
　　
　　油田的數(shù)字化改造不僅可以減少相關(guān)的管理維護(hù)人員和費(fèi)用，提高現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)效率和管理水平：同時(shí)通過(guò)后續(xù)數(shù)據(jù)歸納分析，為油田上層領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行整體戰(zhàn)略決策提供數(shù)據(jù)參考。
　　
　　和同類產(chǎn)品相比較，GCS-G3系列產(chǎn)品不僅體積小、安裝靈活，在控制程序?qū)崿F(xiàn)上也*具備現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用要求。在實(shí)際使用中，針對(duì)井口開(kāi)發(fā)的計(jì)量和聯(lián)鎖報(bào)警模塊,提高采油的效率和安全性，同時(shí)系統(tǒng)還提供開(kāi)放性的OPC、ODBC等數(shù)據(jù)接口，具備很強(qiáng)的擴(kuò)展特性。
　　
　　GCS-G3系列產(chǎn)品配套VxSCADA軟件能充分滿足對(duì)于油田開(kāi)采方向的系統(tǒng)控制要求；同時(shí)結(jié)合無(wú)線設(shè)備提供無(wú)線系統(tǒng)的整體解決方案，解決采油方向的現(xiàn)場(chǎng)分布散、距離遠(yuǎn)、范圍大的系統(tǒng)監(jiān)控問(wèn)題，在油田開(kāi)采行業(yè)具備良好的應(yīng)用前景。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　
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