中控混合控制系統在油田開采行業中的應用

　　摘要：本文基于混合控制系統（GCS）在油田開釆行業“數字油田”成功應用的背景.分析了油田數字化過程中的用戶需求和層級劃分,詳鈿介紹了（GCS）的系統結構、無線網絡通信以及系統安裝等特征，并在此基礎上提出整體油田現場解決方案，對提升油田的安全生產和自動化水平具有重要意義。
　　
　　關鍵詞：GCS數字油田無線通信
　　
　　1引言
　　
　　根據地底層油壓不同，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生，叫做自噴采油，這類油井稱為自噴油井；第二種是當地底油層壓力不夠，需借助外界力量將原油采集到地面的方式，叫做人工舉升采油或機械采油。
　　
　　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，就無法持續自噴采油：但一個油田的生產年限往往要延續二三十年，因此目前絕大多數原油采集是靠人工舉升方式。人工舉升采油包括氣舉采油、抽油機有桿泵采油、螺桿泵采油等。由于抽油機有桿泵采油占據著目前國內絕大多數陸地采油井的采油方法比例，因此對抽油機有桿泵井的自動化改造成為數宇化油田改造的基礎。[1]
　　
　　目前國內大多數抽油井并沒有實現自動化，油田運行狀態的監控主要依靠人工巡檢實現。由于地形結構的特殊性，作業區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，更不可能實現對抽油井的即時工況調整和產量預測分析。通過數宇化改造,建立專業的數字化油田網絡，完成對油田（主要指抽油機有桿泵采油井）的監視、控制和數據采集，提供生產所需的數據查詢、報表等功能，對油氣田的安全生產有著重要意義。
　　
　　本文重點對油田自動化過程中的需求和油田整體架構進行分析介紹，并在此基礎上提出基于GCS的整體油田現場解決方案，重點針對國內分布廣、數量多的抽油井以及相應的網絡進行方案設計改進,達到很好的預期效果。
　　
　　2數字化改造分析
　　
　　數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、計量間及聯合站油水系統進行自動化控制系統改造。采集的數據通過工業有線/無線網絡傳送到作業區監控室及油田公司的上層調控中心，完成對井口設備的遠程數據采集和控制功能；同時通過電子巡檢和集成視頻監視系統,嚴格關注各抽油井裝置工況和生產情況，進行相關的管理和調度優化工作，zui終實現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,針對數宇化油田的三個部分進行介紹。
　　
　　2.1調控中心
　　
　　整個油田測控系統從功能上可分為調控中心、通信網絡及井口測控三部分。調控中心是數字化油田的核心，負責完成對抽油井和庫區的數據處理、存儲、調度和運營分析等。調控中心根據職能可分為監控系統和生產數據處理系統。監控系統通過良好的人機界面實現對油田裝置如抽油機、聯合站以及注水站的遠程參數采集和常規控制功能，同時提供報警接口，確保現場產生的故障和異常能夠得到及時處理，避免危險事故發生。生產數據處理系統則重點解決油田生產優化、井況分析以及產量規劃與預測等功能。
　　
　　2.2井口測控改造
　　
　　井口的數據測量是油田數字化的基礎，井口自動檢測主要包含以下幾部分：原油及管線的狀態（油溫、油壓套壓等），抽油機本身的工作狀態（載荷、位移），工作電機的狀態（電量、電流等信息）以及抽油機控制部分信號等。具體內容如下：
　　
　　•數據采集部分：通過現場儀表監測壓力、溫度、抽油機啟停狀態參數,通過載荷和位移傳感器、電流傳感器定時或實時測取示功圖和電流圖。
　　
　　•控制：實現負荷高于設定上限和下限的超限停機控制、時間定點啟停控制、遠程啟停處理等。
　　
　　•遠程通信：抽油機分布較廣，抽油機數據主要通過數傳電臺、GPRS等無線方式與中控室主站電臺進行通信。
　　
　　•報警：考慮到現場的無人值守狀態，判斷抽油井工作是否正常，給出報警信息，同時根據預先的設定采取不同的動作。
　　
　　•啟抽報警：具有抽油機啟抽報警功能,保證現場工作人員安全。同時考慮到現場為無人值守狀態,對RTU箱體進行防護，實現開箱報警。
　　
　　•自檢：抽油機測控系統硬件故障自檢。
　　
　　•自保護：實現過流、過壓、欠壓、缺相的自動停機保護。
　　
　　2.3通信系統
　　
　　數據通信是油田監控系統的一個重要環節。從現有通信方式看，可選擇有線和無線兩種，有線方式包括光纖專線、如ADSL等，無線方式包括數傳電臺、CDMA等。這些方式應用于油田監控系統中，各有優缺點。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，用戶可以根據自己的油田規模、投資規模、地理分布等情況，綜合考慮選擇合適的遠程組網方式。
　　
　　一般而言，北方油田井口距離和監控中心都不太遠，同時以平原農田為主，地域空曠，在綜合比較數據帶寬和成本后，擬選擇WIFI網橋進行通信。WIFI網橋通信帶寬大，同時還可與井口視頻監控共用網絡。雖然在網絡架設初期有一定的調試和安裝工作量，但后期支出較少,總體性價比較髙。[2]
　　　　3控制系統方案
　　
　　3.1GCS-G3簡介
　　
　　WebFieldGCS平臺是中控技術股份公司面向SmartWorld推出的自動化系統，其中包括適用于中大型混合控制場合的G5系列產品和適用于分布式測控場合的G3系列產品。WebFieldGCS控制系統集成了多種控制技術、可視化技術、網絡技術和信息技術，為各種應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、安全控制和驅動控制等應用場合，在油田中主要應用的是沉GCS-G3系列產品。
　　
　　GCS-G3系列產品是中控實現低成本遠程監控系統的解決方案，產品支持工業級環境適應能力和靈活的現場信號適應能力，可廣泛應用于國內分布式的遠程控制，如油田、長輸管線、城市熱網等領域。系統支持多種有線/無線工業通信方案實現遠距離通信。GCS-G3系列產品中的GCU341產品為中控井口智能終端，部件支持油田示功圖數據、電量數據以及原油相關測量數據（如油溫油壓等）的測量和本地存儲，同時提供遠程啟停井和相關的聯鎖保護功能。
　　
　　3.2解決方案
　　
　　根據需求，井口部分數據采集可采取如下方案實施：在抽油機附近設罝密閉式戶外立式箱體，內安裝基于GCS-G3系列產品的GCU341、電量測控模塊以及其他相應的電源空開等設備。箱體內安裝語音報警系統，在遠程啟停的時候，及時進行語音報警，保證現場安全。同時，考慮到現場無人值守，增加開箱蜂鳴報警并提醒監控室功能，保證財產安全。
　　
　　對于油田zui終要的示功圖數據，GCU341不僅可通過組態設置在單沖程內采集載荷、位移的具體數量，并打上時間戳。示功圖數據支持本地存儲功能，本地zui長可保持15天的示功圖數據供上位機讀取或查詢。
　　
　　現場還布罝視頻監控攝像頭，通過統一的WIFI網絡傳送至油田調控中心，集成到統一監控的SCADA軟件界面中（GPRS由于帶寬受限，不適合和視頻監控共用網絡）。　　本地儀表信號的接入考慮到北方的環境和氣候因素，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，傳統的信號線纜在北方低溫環境下容易脆斷，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。
　　
　　聯合計量站和注水站相對于抽油井口，點數多且集中，可采用集中安裝機柜的方式進行布置。
　　
　　通信網絡拓撲圖如圖2所示，可根據裔要選擇CDMA/WIFI以及有線光纖環網等方案，以節約施工和可靠通信為準，GCU341與WIFI通過工業以太網總線連接（GCU341本身提供2個冗余的以太網接口）。監控中心提供2個通信接口，支持各種通信部件的連接，實現和井口平臺、計量站以及注水站的數據交互；另一端口則通過標準電纜和上位機實現通信，上位機選用中控技術股份公司VxSCADA軟件產品，實現對系統整體的監控和處理。　　4結束語
　　
　　油田的數字化改造不僅可以減少相關的管理維護人員和費用，提高現場生產效率和管理水平：同時通過后續數據歸納分析，為油田上層領導進行整體戰略決策提供數據參考。
　　
　　和同類產品相比較，GCS-G3系列產品不僅體積小、安裝靈活，在控制程序實現上也*具備現場的應用要求。在實際使用中，針對井口開發的計量和聯鎖報警模塊,提高采油的效率和安全性，同時系統還提供開放性的OPC、ODBC等數據接口，具備很強的擴展特性。
　　
　　GCS-G3系列產品配套VxSCADA軟件能充分滿足對于油田開采方向的系統控制要求；同時結合無線設備提供無線系統的整體解決方案，解決采油方向的現場分布散、距離遠、范圍大的系統監控問題，在油田開采行業具備良好的應用前景。
　　
　　參考文獻：
　　
　　【1】潘崢嶸^基于GPRS的油田抽油機遠程在線監控系統的設計與實現[J]丨工業儀表與自動化裝置，2008，2.
　　
　　【2】蔡衛峰.無線通信SCADA系統的實現與應用[J]；電子技術應用，2002，8.
　　
　　【3】文波.基于嵌入式系統的遠程抽油機示功儀的設計[d].武漢：武漢理工大學，2006.