运用物联网技术构建数字化油田

　　引 言 

　　随着传感器、RFID、通信网络、云计算等新技术的成熟和日益普及，物联网技术的应用越来越广泛，并逐渐在数字化油田、数字化医疗、智能电网、智能交通等多个领域中应用。它能够实现人类社会与物理系统的"智能"整合，实现工业化和信息化的融合，被认为是继计算机和互联网之后的"第三次IT浪潮"。目前，国家大力推进信息化与工业化的融合，以信息技术改造传统产业，政府和企业对物联网技术的应用需求日益显现。石油行业是一个跨学科、多专业相互配合的技术高度密集型行业。石油行业的信息化一直伴随着行业的发展，并发挥着巨大的作用。数字化油田是油田信息化的高级阶段，是油田信息化达到网络化、数字化、模型化和科学化的全新标志。通过应用驱动和技术研发创新引领的互动式发展，基于物联网技术的数字化油田建设，在油田数据采集、远程监测、物资管理以及地面全面信息化等领域有非常广阔的应用前景。 

　　物联网概述 

　　物联网（InternetofThings，简称IOT），顾名思义就是"物物相连的互联网"，它是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的本质内涵是3C(Computation,Communication,Control)融合，是基于计算进程与物理进程深度融合的新计算模式，是计算、通信、控制与物理等多学科的交叉与融合。物联网的功能特征是全面感知信息、可靠传递信息和智能处理信息，以实现对物体实施智能化的控制与管理。 

　　物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的"InternetofThings"。在这个网络中，物品（商品）能够彼此进行"交流"，而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别（RFID）技术，通过计算机互联网实现物品（商品）的自动识别和信息的互联与共享。物联网可分为三层：一是感知层，即物联网的皮肤和五官识别物体，采集信息；二是网络层，即物联网的神经中枢和大脑信息传递和处理；三是应用层，即物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化。 

　　近年来，物联网技术发展迅速，并取得了许多令人瞩目的研究成果，其中较具影响力的包括国际电信联盟发布的《ITU互联网报告2005：物联网》、欧洲信息社会与媒体委员会发布的《2020年的物联网：未来之路》、IBM的"智慧地球"项目。据相关分析报告，全球物联网市场规模将出现快速增长，2007年全球市场规模达到700亿美元，2008年达到780亿美元，到2012年将超过1400亿美元，年增长率接近20%。 

　　运用物联网技术构建数字化油田 

　　数字化油田是实际油田的虚拟表示，能够汇集该油田的自然和人文信息，人们可以对该虚拟体进行探查和互动。油田生产信息和地理信息息息相关，通过信息、基础建设，提高企业对外部各种关键信息及时获取、快速反应的能力，同时，通过企业信息化和数字化油田的建设，改善区域内部信息沟通、数据整合能力。数字化油田的核心是为石油企业建立数据和信息资产的共享机制和管理体系，在信息共享的基础上，面向石油勘探、开发、地面建设、储运销售以及企业管理等各生产环节，建立多专业的综合数据体系，并与各专业的应用系统进行高度融合。在建立油田生产和管理流程优化应用模型的基础上，利用虚拟现实技术对数据实现可视化和多维表达，并且通过智能化分析模型，为企业的经营管理提供良好的信息支撑环境。基于物联网技术的数字化油田是针对油田勘探开发信息化管理而专门开发的，以满足油田日常生产运行、生产管理、生产监控、设备管理、成果展示的需求，是一套集石油勘探开发生产信息的采集、传输、存储、处理、分析、发布、管理和应用于一体，规范、统一、安全、高效的全新现代化生产经营综合数据于一体的管理应用平台。 

　　在物联网技术支持下的"数字化油田"是把地震区、井场、站库等油田生产制造现场为数据采集源点；采用自动化数据采集设备（比如传感器），通过局域光纤网、GPRS/CDMA、微波通讯网等传输手段，将地震数据、井下测量的地层和井筒数据、井口测量的设备运行和流体属性数据等海量数据实时采集进入信息管理中心的数据仓库；按照科学的过程如数据模型进行数据的组织与管理，在此基础上通过大量的业务模型进行知识集成，通过应用智能识别、数据融合、移动计算、云计算等技术，进而支持石油地质综合研究、油藏分析等科学研究和在线模拟，完成生产实时诊断，科学研究的成果支持油田生产的综合决策，决策信息反馈到生产制造现场进而完成环境监测、单元整合、过程模拟、参数优化和控制。运用物联网技术构建数字化油田，不仅可以实现跨地域协同工作，紧密连接生产经营的各个环节，还可以实现油田业务与技术的整合、油田数据集成、油田状态自动监测以及地面建设全面信息化。同时，还可以建立虚拟的数字地质模型，实现油藏描述的可视化和互动性。 
物联网应用实例--油水井生产远程监控分析优化系统  

　　油井生产远程监控分析优化系统通过网络远程采集油井的功图、压力、温度、电流、功率、扭矩等数据，实现油井生产工况实时诊断；远程实时产液量计量；用电消耗计量及能耗分析；应用扭矩法、电能法、功率曲线法等计算和调节抽油机平衡；基于诊断基础上的油井工作参数优化设计；基于诊断、优化设计结果的专家解决方案发布；基于油井工况诊断和工艺参数设计结果，远程实时实现对油井的"大闭环"智能控制，如图1所示。注水井生产远程监控分析优化系统通过网络远程采集注水井的压力、流量等数据，根据注水井配水要求，进行当前流量和配注量的比对，利用PID算法自动调节阀门开度。同时将即时流量数据和累计流量数据以及各种压力数据，传送到RTU，利用CDMA\GPRS网络将数据传回到油田企业内部网计算服务器。工况分析优化服务器将现场监控终端采集的数据进行超限报警、注水量计算、报表、曲线、图示等数据统计；工况分析；参数优化设计等。Web发布系统根据系统设定的权限和管理范围，对管理的水井进行定制查询和统计、展示等。该系统使得注水设备具有物联网的"计算、网络通信、精确控制、远程协作和自治"五大功能，如图2所示。 

图1 油井生产实时分析设计专家系统架构

图 2 注水井生产实时分析优化专家系统架构

　　自2005年开始，大港油田通过试验、示范、全面推广，截至2009年底共实施2000多口油水井生产远程监控分析优化系统，实现了油水井生产实时采集、实时计算、实时诊断、实时优化、实时发布、实时控制，有力地推动了油田的自动化、信息化、数字化的发展，2007年被确立为"港西模式"。"港西模式"为石油物联网新项目的建设提供样板。"港西模式"的核心技术是一套基于自动化技术、计算机技术、网络技术、系统工程技术以及油气田开发专业技术，以提高油田数字化水平、油井产量、系统效率、简化地面流程为目的，集数据采集、数据管理、生产动态预测、工程分析、远程计量、油井故障诊断、系统效率及损耗构成、优化设计、措施方案发布、智能控制等于一体的专家系统。该技术符合物联网的定义，广义上讲，就是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个物理实体。

　　大港油田港西油田简化模式，让计量站、配水间和传统的三级布站模式退出历史舞台，摆脱"地面工艺调整围着已建场站转"的思想束缚，形成以满足油藏开发需要为标准的地面工程建设新理念，实现信息化、网络化与油气田地面集输系统成功对接，属于物联网技术的典型应用案例，开辟了油气生产的新途径。"港西模式"对于创建节约型企业，实现老油田高效开发具有重要指导意义。 

　　应用前景与展望 

　　在我国信息产业科技发展"十一五"规划和2020年中长期规划纲要等重要发展规划中，宽带无线移动通信网络与互联网络、物联网络之间的连接和融合是最重要的发展方向，这将创造新的产业链与商业模式，促进我国经济与社会的可持续发展，是我国信息化和工业化的快速融合的有力武器。石油行业是一个跨学科、多专业相互配合的技术高度密集型行业。石油行业的信息化一直伴随着石油行业的发展，并发挥着巨大的作用。

　　石油物联网作为一项新技术也将逐渐应用到油田生产实践中。基于物联网技术的数字化油田建设，在油田数据采集、远程监测、物资管理以及地面全面信息化等领域有非常广阔的应用前景，不仅可以实现跨地域协同工作，紧密连接生产的各个环节，还可以实现油田业务与技术的整合，进一步优化油田生产经营管理，拓宽油田勘探开发业务。运用物联网技术构建数字化油田，是油田信息化建设的有效途径。随着油田勘探开发的进一步深入、信息采集与智能计算技术的迅速发展、互联网与移动通信网的广泛应用以及与传感网结合的不断深入，油田大规模运用物联网的时机日趋成熟。