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　　摘要：本文基于混合控制系統(tǒng)（GCS）在油田開釆行業(yè)“數(shù)字油田”成功應(yīng)用的背景.分析了油田數(shù)字化過程中的用戶需求和層級劃分,詳鈿介紹了（GCS）的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、無線網(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)場解決方案，對提升油田的安全生產(chǎn)和自動化水平具有重要意義。
　　
　　關(guān)鍵詞：GCS數(shù)字油田無線通信
　　
　　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?，叫做人工舉升采油或機(jī)械采油。
　　
　　目前在我國，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，就無法持續(xù)自噴采油：但一個油田的生產(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)著目前國內(nèi)絕大多數(shù)陸地采油井的采油方法比例，因此對抽油機(jī)有桿泵井的自動化改造成為數(shù)宇化油田改造的基礎(chǔ)。[1]
　　
　　目前國內(nèi)大多數(shù)抽油井并沒有實現(xiàn)自動化，油田運行狀態(tài)的監(jiān)控主要依靠人工巡檢實現(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、巡檢費用高，更不可能實現(xiàn)對抽油井的即時工況調(diào)整和產(chǎn)量預(yù)測分析。通過數(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、報表等功能，對油氣田的安全生產(chǎn)有著重要意義。
　　
　　本文重點對油田自動化過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)場解決方案，重點針對國內(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，包括對抽油井、注水井、水源井、計量間及聯(lián)合站油水系統(tǒng)進(jìn)行自動化控制系統(tǒng)改造。采集的數(shù)據(jù)通過工業(yè)有線/無線網(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，完成對井口設(shè)備的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制功能；同時通過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終實現(xiàn)在正常情況下油田全線工藝站點無人值守的自動化水平。
　　
　　本文重點以抽油井的改造為基礎(chǔ),針對數(shù)宇化油田的三個部分進(jìn)行介紹。
　　
　　2.1調(diào)控中心
　　
　　整個油田測控系統(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)完成對抽油井和庫區(qū)的數(shù)據(jù)處理、存儲、調(diào)度和運營分析等。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)通過良好的人機(jī)界面實現(xiàn)對油田裝置如抽油機(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，同時提供報警接口，確?，F(xiàn)場產(chǎn)生的故障和異常能夠得到及時處理，避免危險事故發(fā)生。生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)則重點解決油田生產(chǎn)優(yōu)化、井況分析以及產(chǎn)量規(guī)劃與預(yù)測等功能。
　　
　　2.2井口測控改造
　　
　　井口的數(shù)據(jù)測量是油田數(shù)字化的基礎(chǔ)，井口自動檢測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)控制部分信號等。具體內(nèi)容如下：
　　
　　•數(shù)據(jù)采集部分：通過現(xiàn)場儀表監(jiān)測壓力、溫度、抽油機(jī)啟停狀態(tài)參數(shù),通過載荷和位移傳感器、電流傳感器定時或?qū)崟r測取示功圖和電流圖。
　　
　　•控制：實現(xiàn)負(fù)荷高于設(shè)定上限和下限的超限停機(jī)控制、時間定點啟?？刂啤⑦h(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)主要通過數(shù)傳電臺、GPRS等無線方式與中控室主站電臺進(jìn)行通信。
　　
　　•報警：考慮到現(xiàn)場的無人值守狀態(tài)，判斷抽油井工作是否正常，給出報警信息，同時根據(jù)預(yù)先的設(shè)定采取不同的動作。
　　
　　•啟抽報警：具有抽油機(jī)啟抽報警功能,保證現(xiàn)場工作人員安全。同時考慮到現(xiàn)場為無人值守狀態(tài),對RTU箱體進(jìn)行防護(hù)，實現(xiàn)開箱報警。
　　
　　•自檢：抽油機(jī)測控系統(tǒng)硬件故障自檢。
　　
　　•自保護(hù)：實現(xiàn)過流、過壓、欠壓、缺相的自動停機(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)的一個重要環(huán)節(jié)。從現(xiàn)有通信方式看，可選擇有線和無線兩種，有線方式包括光纖專線、如ADSL等，無線方式包括數(shù)傳電臺、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。如表1所列各種通信方式在覆蓋范圍、費用、可靠性等方面的比較。
　　
　　在項目中，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,總體性價比較髙。[2]
　　　　3控制系統(tǒng)方案
　　
　　3.1GCS-G3簡介
　　
　　WebFieldGCS平臺是中控技術(shù)股份公司面向SmartWorld推出的自動化系統(tǒng)，其中包括適用于中大型混合控制場合的G5系列產(chǎn)品和適用于分布式測控場合的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、運動控制、批處理、安全控制和驅(qū)動控制等應(yīng)用場合，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)級環(huán)境適應(yīng)能力和靈活的現(xiàn)場信號適應(yīng)能力，可廣泛應(yīng)用于國內(nèi)分布式的遠(yuǎn)程控制，如油田、長輸管線、城市熱網(wǎng)等領(lǐng)域。系統(tǒng)支持多種有線/無線工業(yè)通信方案實現(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)測量數(shù)據(jù)（如油溫油壓等）的測量和本地存儲，同時提供遠(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、電量測控模塊以及其他相應(yīng)的電源空開等設(shè)備。箱體內(nèi)安裝語音報警系統(tǒng)，在遠(yuǎn)程啟停的時候，及時進(jìn)行語音報警，保證現(xiàn)場安全。同時，考慮到現(xiàn)場無人值守，增加開箱蜂鳴報警并提醒監(jiān)控室功能，保證財產(chǎn)安全。
　　
　　對于油田zui終要的示功圖數(shù)據(jù)，GCU341不僅可通過組態(tài)設(shè)置在單沖程內(nèi)采集載荷、位移的具體數(shù)量，并打上時間戳。示功圖數(shù)據(jù)支持本地存儲功能，本地zui長可保持15天的示功圖數(shù)據(jù)供上位機(jī)讀取或查詢。
　　
　　現(xiàn)場還布罝視頻監(jiān)控攝像頭，通過統(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)）。　　本地儀表信號的接入考慮到北方的環(huán)境和氣候因素，分為有線和無線兩種接入方式。其中載荷和位移傳感器由于一直處于垂直運動軌跡的運動中，傳統(tǒng)的信號線纜在北方低溫環(huán)境下容易脆斷，宜采用無線的方式接入；其他如油溫、油壓、套壓電量測控等，可采用有線的方式接入。
　　
　　聯(lián)合計量站和注水站相對于抽油井口，點數(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通過工業(yè)以太網(wǎng)總線連接（GCU341本身提供2個冗余的以太網(wǎng)接口）。監(jiān)控中心提供2個通信接口，支持各種通信部件的連接，實現(xiàn)和井口平臺、計量站以及注水站的數(shù)據(jù)交互；另一端口則通過標(biāo)準(zhǔn)電纜和上位機(jī)實現(xiàn)通信，上位機(jī)選用中控技術(shù)股份公司VxSCADA軟件產(chǎn)品，實現(xiàn)對系統(tǒng)整體的監(jiān)控和處理。　　4結(jié)束語
　　
　　油田的數(shù)字化改造不僅可以減少相關(guān)的管理維護(hù)人員和費用，提高現(xiàn)場生產(chǎn)效率和管理水平：同時通過后續(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)場的應(yīng)用要求。在實際使用中，針對井口開發(fā)的計量和聯(lián)鎖報警模塊,提高采油的效率和安全性，同時系統(tǒng)還提供開放性的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軟件能充分滿足對于油田開采方向的系統(tǒng)控制要求；同時結(jié)合無線設(shè)備提供無線系統(tǒng)的整體解決方案，解決采油方向的現(xiàn)場分布散、距離遠(yuǎn)、范圍大的系統(tǒng)監(jiān)控問題，在油田開采行業(yè)具備良好的應(yīng)用前景。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　
　　【1】潘崢嶸^基于GPRS的油田抽油機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]丨工業(yè)儀表與自動化裝置，2008，2.
　　
　　【2】蔡衛(wèi)峰.無線通信SCADA系統(tǒng)的實現(xiàn)與應(yīng)用[J]；電子技術(shù)應(yīng)用，2002，8.
　　
　　【3】文波.基于嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程抽油機(jī)示功儀的設(shè)計[d].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.