基于物联网的油田生产综合管控系统设计研究

油田生产综合管控中心系统是运用物联网、传感器技术、计算机技术、自动控制技术、嵌入式开发技术、通信技术、组态技术、音视频监控技术、GIS、GPS、软件工程理论和软件编程方法等技术或方法来解决油田生产管理中的生产信息监测与控制，建立从生产现场，经中转输送至后台生产综合监控中心的三级实时监测调度管控系统，并对采集回的数据进行分析、分类和处理，从而为油田生产调度提供实时的一手数据，实现油田厂、矿、站生产数据的实时同步及控制；结合油田现有的办公管理系统软件，建立油田安全生产智能管控和辅助决策系统，并实现对油田安全生产中的突发事件按相应的应急预案有序处置。

1、项目的提出背景

随着我国国民经济的不断发展，各行各业都在提升管理水平、改进管理方式，作为油田企业急需引进各个生产环节的现代化管理手段，传统的油田采油管理方法是人工巡视法，仅靠人工查看、记录机器的运行情况，由于油井数量多和分布广，致使每日查看的次数有限，数据反馈不及时，而且劳动强度大，同时存在人工填报或抄报数据报表时人为错误等问题。这些问题带来的后果是对抽油机的工作异常发现得不及时，维修和调度存在时滞，造成无功损耗大、漏油、丢油发现不及时，环境污染严重等后果，这直接降低了原油的产量。加之各行各业竞争日趋激烈，原油的竞争已经国际化，如何利用高科技的专业技术，开发出适合油田行业的采油生产综合管理系统？为油田企业安全生产、降低产油成本、提高办公效率。为解决上述问题我们协同大庆油田研究设计并分步设计和实施了基于物联网的油田生产综合管控系统。

本系统针对提高生产效率、降低劳动强度、规范管理流程、数据采集准确实时、工作稳定可靠，进而提高油田企业经济效益和提高油田管理水平，提供了可靠的技术保障。

2、系统设计目标

油田信息管控系统是加强油田企业管理的主要措施之一。是针对油田的采油井数量的不断增加，采用传统手段管理油井已经十分困难，不能满足现代化管理的要求，而提出的一种借助新的管理方式、管理理念的现代化管理系统。针对提高生产效率、降低劳动强度、规范管理流程、精确数据采集、全面系统分析，进而提高经济效益和提高油田管理水平，提供了现代化的管理手段。

油田信息管控系统的建设目标为：

1) 随时掌握油井工况，提高工作效率，提高原油产量。

传统的油井管理方法是人工巡视法，仅靠人工查看、记录机器的运行情况，由于油井数量多和分布广，致使每日查看的次数有限，而且劳动强度大。这些问题带来的后果是对抽油机的工作异常发现得不及时，造成无功损耗大，漏油、丢油，环境污染严重，降低了原油的产量。本系统的建设，通过物联网组网可以随时掌握现场机器或设备的运行情况，及时发现异常，及时处理，提高维修、维护的及时率。

2) 远程监控，降低劳动强度，提升管控水平。

油田传统的人工巡视方法的弊端是记录数据的人为误差大，没有连续性，劳动强度大，并且不及时，不论是寒冷的冬天，还是炎热的夏季，工人们都要不断地在野外巡视。本系统的建设，通过无线传感器网络和远程视频监测，可以从根本上改变劳动强度大、工作效率低、记录数据不准确、数据间隔时间长，不科学的现状，更有利于科学决策组织生产。

3) 规范工作流程、精确管理数据。

本系统通过自动的数据采集，确保了各种监测数据（水、气、油）的精确性和实时性，同时经计算机分析和存储，按时段自动打印报表。通过计算机记录的数据，可以准确分析故障原因，监督故障处理是否及时，界定工作班组的责任关系，量化工作指标。

4) 通过物联网定位技术，清楚指示故障油井的地理位置。

通过对各油井设定不同的IP地址并与通用的地理信息系统相结合的方式，在电子地图上清楚地显示个油井的精确位置。必要时检修工人可及时准确地就位。

5) 提高可利用资源信息的综合分析能力。

实现物联网的网络组织和优化，为决策和经营部门提供定量的分析手段。将油井的实时数据直接传送到企业信息化管理系统内，为企业领导监督采油进度、了解油井状况，提供第一手资料。

3、系统拓扑结构设计

该系统拓扑结构如图1所示，由节点控制站（由流量传感器、压力传感器、多种电量传感器及其控制柜组成）、转油站和油田管理监控中心形成三级分布式计算机控制系统。级间控制采用ZigBee和3G相结合的无线远程传输方式。

监控中心上位机作为管理计算机操作站，主要完成遥控、遥测、数据存储、技术分析、数据检索、系统维护、地理信息显示和报表打印等功能。转油站主要完成通信接力、必要的控制和显示功能；节点站下位机为前置控制机，可完成压力、流量、电源、报警等检测数据的实时采集和控制。

图2 系统拓扑结构示意图

4、系统组成设计

   油田生产综合管控系统的开发设计是实现油田管理数字化，实现数字油田和智慧油田的重要手段。该系统包括4类服务器组群和8个应用子系统组成。其前端以大屏幕辅之电视墙或拼接墙作为显示终端，由应用服务器、通信服务器、WEB服务器和数据库服务器构建监控中心服务器群，建立包括通信调度指挥子系统、生产现场视频监控子系统、信息共享接口子系统、生产规划辅助决策子系统、油田安全生产质量评价子系统、网络办公子系统、地理信息应用子系统和采油设备智能调度与监控子系统等的8大子系统，如图2所示，具体设计功能如下：

A通信调度指挥子系统：由无线移动通信单元、有线通信网单元、自主专网通信单元和信息安全单元组成，完成该系统的从生产现场、中转站、联合站和监控中心间安全的通信及通信组网，是各级各种相关信息的传输和交互的安全通道。

B、生产现场监控子系统：由油井信息单元、中转站信息单元、联合站信息单元和储运站信息单元组成，完成对油田生产各环节中的生产数据、设备参数、现场音视频的监测和采集，并自动控制相应的数据参数。

C、信息共享接口子系统：由上级主系统单元、下级分系统单元和预留其他信息接口单元组成，完成该系统与上级管理主系统、下级分系统的信息、数据共享，相互调用等功能，并预留其他功能共享的拓展接口。

D、生产规划辅助决策子系统：由提供数据及数学模型单元和模拟决策及检查效果单元组成，通过对采集到的各种数据信息的分析和挖掘，建立数学模型，为相关生产和管理决策者提供决策参考。

E、油田安全生产质量评价子系统：由指标体系模型单元、生产质量评价单元和发展策略调整单元组成，结合生产规划辅助决策子系统，建立安全生产指标体系模型，对生产质量进行跟踪和评价，进而对油田生产的发展策略进行必要的调整。

F、网络办公子系统：即内网办公系统，完成相关公文、人力资源、财务、生产、市场和研发系统的规范化办公流转，实现无纸化办公。

G、地理信息应用子系统：包括属性检索分析单元、GIS评估分析单元、管网覆盖分析、道路规划辅助分析单元和其他地理信息应用单元组成，该系统完成基于油田电子地图的开发和管理应用，通过对各图层的分类标注，可从全局掌控油田生产相关的各种设备、设施、管网和道路等信息的详细分布，便于生产管控。

H、 采油设备智能调度与监控子系统：由车辆定位监控单元、信息统计分析、应急调度指挥单元和信息广播或查询单元组成，该系统完成对油田所属各种车辆位置及油耗的GPS跟踪定位，对生产及运输车辆基于物流层的查询、广播通知、调度和指挥，提升车辆的管理和调度水平，节能降耗，进而科学提升油田安全生产效率。

5、系统建设的意义

建设该系统具有重要的经济和社会意义。

（1）经济效益：

国内油田的绝大多数油井都远离市区，地处旷野，自动数据采集措施基本没有，上级部门只能通过定期巡检的采油工人了解情况，而且没有准确的数据。有时现场故障几天后才能被发现，极大的降低了原油生产产量及增加了维修费用，有的还因故障发现不及时，损坏了采油机井，有时甚至不能保证巡井工人的人身安全。油田信息管控系统即是针对上述落后的管理方式而提出的一种对油井数据进行自动采集、无线传输，并对数据进行全面分析、自动报警等一系列流程的智能化管理，能及时地为油田管理部门提供实时、准确、高效的管理手段，有利于科学决策、安全生产，该系统将提升油田企业的管理水平，提高企业的经济效益，并对推动油田企业的进一步发展具有重要意义。

（2）社会效益：

该系统在油田推广应用后，油田企业不但可以进一步实现科学管理和安全生产，还可以改革创新传统的管理模式和生产方式，进一步降低油田工人的劳动强度，减少或避免污染物的排放等，达到油田可持续发展的目标，并能促进油田人民物质文化和生活环境的改善和提高，还可以促进民族工业的进步，推进相关产业的发展，而且对构建和谐社会，全面落实科学发展观具有重要的社会意义。