物联网在数字油田的应用

专题：物联网技术与应用

物联网在数字油田的应用

曾韬（中国电信股份有限公司上海研究院上海２００１２２）

物联网在数字油田的核心应用是油井生产远程监控系统，该系统包括油井生产数据远程采集传输系统、油井生产远程分析管理系统、油井生产远程控制系统三个子系统。系统通过传感器、摄像头等设备对油气井生产数据进行采集．通过ＣＤＭＡ传输终端把信息发送至生产管理部门，以便其对信息进行分析管理，以掌握油井生产状况，并进行必要的远程控制。油井生产远程监控系统为油田高效开发、降低消耗、安全生产、减轻员工劳动强度、提高工作效率和管理水平提供了可靠的保障。关键谣数字油田；物联网；漕并生产监控

１数字油田概述

１．１数字油田概念

数字油田（ｄｉｇｉｔａｌｏｉｌｆｉｅｌｄ，ＤＯＦ）来源于“数字地球

（ｄｉｇｉｔａｌｅａｒｔｈ）”。所谓“数字地球”，是指在全球范围内按地理坐标和空间位置将所有的信息对应地组织存储起来，构

造成一个统一的信息模型．并提供一种直观的、方便的、有

效的、快速的、交互的检索方式、显示方式和使用方式，为全人类服务。

数字油田的概念最早可追朔到１９９１年，在当时的（Ｏｉｌ

＆Ｇａｓ》杂志上就出现了智能油田（ｓｍａｒｔｆｉｅｌｄ）词汇和论

述。但是．当时数字油田的确还是一个较为模糊的概念，尚处于构想阶段，然而，其基本思想却立即得到了普遍认可。

国外通常引用的是美国剑桥能源研究协会（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ

ｅｎｅｒｇｙｒｅｓｅａｒｃｈａｓｓｏｃｉａｔｅｓ．ＣＥＲＡ）的数字油田概念：数字油

田的愿景是不同地域的操作者、伙伴或服务公司通过使用

改进的数据、知识管理、强大的分析工具、实时系统和更有

效的业务流程（ｂｕｓｉｎｅｓｓｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）等而受益。１９９９年，中国石油大庆油田有限责任公司（简称大庆油田）在国内首次提出数字油田的概念．并将数字油田作为企业发展的一个

战略目标。

１．２数字油田产生及发展过程油田信息化的高级阶段——数字油田产生及发展过

程大概可分为以下阶段。

・准备阶段．即在２０世纪９０年代前。油田企业向机械化、电气化、自动化、信息化、数字化、可视化、智

能化、集成化方向发展，为数字油田的出现奠定了

技术和应用基础及提供了迫切的需求。・萌芽阶段．即２０世纪９０年代至２１世纪之交。勘探

开发一体化、可视化和虚拟现实、智能井（ｓｍａｒｔ

ｗｅｌｌ）技术日趋成熟，ＥＲＰ、电子商务的应用进入石

油业，信息集成、数据挖掘等技术推进了数据资产化和数字油田理念产生的进程。

・起步阶段，即世纪之交至２００５年底。其标志是２０００年２月ＣＥＲＡ召开的题为“数字油田——新一代油藏

管理技术”的大会。２００３年２月，ＣＥＲＡ又以“将

萎Ｖ２翳薹

万方数据圈

专题：物联朗技术与应用

来的数字油田”为题发表报告，倡导利用Ｉｒｒ技术，

广泛地实现油田勘探、开发、生产的集成化、效率

化、最优化和实时化。而且预言，由于利用数字油田技术。今后５。ｌＯ年。可以新增石油储量ｌ２５０亿

桶。还指出今后发展的５项新技术，即以４Ｄ地震为

代表的远程测量传感（ｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ）／支Ａｔ，使复杂数据一元化表示的可视化（ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）技术，智能

钻井、完井（ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ）技，自动化（ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）技术和信息集成（ｄａｔａｉｍｅ舯ｔｉｏｎ）技术。尽管数字油田的观点、认识、概念

很多，产品、方案也开始出现，但成熟的成功应用实践还不多。

发展阶段，即从２００５年底起至今。以２００５年１０月

在美国达拉斯举行的石油工程师协会（ｓｏｃｉｅｔｙｏｆ

ｐｌａｓｔｉｃｓｅｎｇｉｎｅｅｒｓ．ＳＰＥ）年会为标志，会上发表了Ｓｅｌｌ、Ｃｈｅｖｒｏｎ等数字油田的应用实践案例。现在，已有２５个不同的“ＳｍａｒｔＦｉｅｌｄ”项目在世界各地实施。Ｓｅｌｌ公司．从２０００—２００４年已经完成２００口智能

井．之后三年计划完成６６０口智能井。Ｔ０ｔａｌ公司装备了目前世界上最先进、大容量、高速的虚拟现实

系统，可处理２ＰＢ的数据。ＩＤＣ的２００６年石油工业

１０大技术预测中．将数字油田排在了第６位。１．３数字油田的内涵和技术

关于数字油田的定义有众多版本，本文只列出三种有

代表性的定义。

（１）以大庆油田为代表的国内石油公司定义“数字油气田”是以油气田为研究对象。以石油气的整

个生产流程为线索，建立勘探、开发、地面建设、储运销售

以及企业管理等多专业的综合数据体系．并将各专业的数据和应用系统进行高度融合，在建立油气田生产和管理流

程优化应用模型的基础上，利用可视化技术和模拟仿真以

及虚拟现实等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．为企业经营管理提供辅助决策信息。进一步挖掘生产和管理环节的潜力．使信息化建设更好地

服务于企业生产和管理．为油气田企业的发展创造良好的

信息支撑环境。

（２）ＢＰ公司ｅ．Ｆｉｅｌｄ定义数字油田是技术和业务流程的集合．它们对油田的所

有资产，从油藏到销售终端，实时地获取、监视和分析油田

数据，提供实时的、连续的、远程的监控和管理．可以频繁

黧冀默地获取油藏图像：快速地浏览集成的油藏、井筒和设备单

元的记录：使用门户等可视化工具方便地访问数据，并对其解释和模拟。基于对地表和地下预测模型技术的数字决

策支持系统（ｄｉｇｉｔａｔｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｓｕｐｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍ）被用于分析实时数据和直接或间接地控制开发生产环境。

（３）Ｓｈｅｌｌ的ＳｍａｒｔＦｉｅｌｄｓ的定义

一个贯穿整个设备资产生命周期（ｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔｔｈｅａｓｓｅｔｌｉｆｅｃｙｃｌｅ）的由“测量一模拟一控制（ｍｅａｓｕｒｅ．ｍｏｄｅｌ．ｃｏｎｔｒ０１）”到“测量一监控一决策一执行（ｍｅ鹤ｕｒｅ．ｍｏｎｉｔｏｒ－ｄｅｃｉｄｅ．

ｅｘｅｃｕｔｅ）过程的转变。其核心思想和技术是闭环（ｃｌｏｓｅ）、优

化（ｏｐｔｉｍｉｓｅ）和集成（ｉｎｔｅｇｒａｔｅ）。数字油田可以说就是油田信息化和自动化的代名词。是全面地应用信息技术、计算机技术、通信技术、自动控制

技术、石油勘探开发技术、现代管理思想、方法和技术等，对

传统产业进行武装、提升和改造．在决策管理层、执行层和

过程控制层以及企业内部和外部，全面提升生产技术能力、经营管理能力和市场应变力。它是企业发展战略的关键环

节，是企业现代化的基本标志。是提高企业核心竞争力的重要手段．是走新型工业化道路的必然选择，是体制创新、管

理创新和加强企业管理的重要途径．是科技进步的重要表

现和组成部分，是带动各项工作提高水平的突破口，是企业

求生存、图发展的必由之路。总之，数字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，是油田信息化的宏观目标，是油田信息

化的重要里程碑，也是油田信息化的鲜明旗帜。图１是数字油田的示意图。

图１数字油田示意图

２物联网在数字油田的应用

２．１物联网概念

物联网是指通过射频识别（ＲＦＩＤ）、传感器、ＧＰＳ等信

息获取设备，把任何物品与互联网相连接。进行信息交换

万方数据电信科学２０约年第毒鬟

和通信．以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一

种网络概念。物联网的延伸概念：将电子化、信息化渗透到各行各业的愿景。在机器之间、机器与人之间、人与现实环

境之间实现高效的信息交互方式，并通过新的服务模式使

各种信息技术融入社会行为．是信息化在人类社会综合应用中达到的更高境界。

２．２物联网与数字油田

石油行业是物联网应用的重要行业．尤其是石油生产环节的数字油田的应用推广给全球物联网应用带来

千载难逢的契机。中国电信作为国内最主要的物联网应

用商之一．及时把握机会，对石油行业客户的物联网应用需求进行了一年多广泛而深入的调研．于２００９年成功

研发并推出服务于数字油田的物联网应用产品“基于

ＣＤＭＡ通信网络的油井生产远程监控系统”（以下简称

“油井生产远程监控系统”）。作为数字油田的重要应用

系统，油井生产远程监控系统通过对油井生产过程的自动化监测。实时地获取、监视和分析生产数据。提供实时

的、连续的、远程的监控和管理。系统可以归纳为３个环

节：数据采集一数据传输一远程监控，该系统属于典型

的物联网应用。２．３油井生产远程监控系统

２．３．１系统概述油井生产远程监控系统包括３个子系统：油井生产

数据远程采集传输系统、油井生产远程分析管理系统、

油井生产远程控制系统。油井生产远程监控系统实现了以生产基地中控室为中心的油田生产运行模式。中控室

通过实时监测发现问题并发出远程控制指令。只有在远

程系统无法解决的情况下．才需要技术人员到现场解决

问题。这种模式不仅使职工的工作条件有了根本改善，也使现场工作效率大幅度提高。油田生产远程监控系统

是数字油田的重要基础。随着信息技术和自动化工艺的

不断发展，生产远程监控系统在油田生产中的应用越来越广。为油田高效开发、降低消耗、安全生产、减轻员工

劳动强度、提高工作效率和管理水平提供了可靠的保

障。系统通过传感器、视频摄像头等对油气井生产情况

进行定期数据采集．通过ＣＤＭＡ终端把数据发送至前线中控室对数据进行分析管理．以掌握油井生产状况，并

进行必要的远程控制：同时将数据传输至油田生产基地

中控室．试点生产基地可以同步了解到油井生产情况，图２为该系统的架构示意图。

图２油井远程监控系统架构

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２．３．２油井生产数据自动采集传输系统

油井生产远程监控系统的前端系统是油井生产数据

自动采集传输系统。油井生产状况采集传输系统分为三种类型：第一种是一体化示功仪系统，第二种是全无线系统．

第三种是丛式井系统。

（１）一体化示功仪系统系统主要设备是ＣＤＭＡ一体化示功仪。是以１６位微

处理器为核心．集采集、存储、２．４Ｇｂｉｔ／ｓＺｉｇＢｅｅ微功率无线模块和ＣＤＭＡ模块于一体的高精度功图采集终端，其结

构如图３所示。示功仪安装在抽油机的抽油杆上，内置加速度传感器、载荷传感器、ＣＤＭＡ模块和电池．可实现油井

核心数据采油机功图的自动采集、传输。一体化示功仪内

的ＲＴＵ模块将载荷传感器和加速度传感器采集来的数据

进行滤波、计算处理，形成示功图，通过ＣＤＭＡ模块远程传输到生产基地服务器。系统系统也可以扩展采集油温、油

压、电量等生产数据，传感器数据通过ＺｉｇＢｅｅ模块无线发送至一体化示功仪上，而示功仪通过加装ＺｉｇＢｅｅ接收模块。可获取传感器数据。

整个系统具有安装简单、维护方便、可靠性高、性价比高等特点．具体如下。

・系统体积小，安装维护方便。把载荷传感器、加速度

传感器和无线数据传输模块集成到一个小装置内。

直接安装到抽油机井口的悬绳器上，无需其他任何接线。抽油机井上只需安装一台示功仪即可实现油

井地面功图的远传。系统采用加速度测量位移，避

免了拉线法的体积大、机械部件多、加工复杂、使用中卡线断线等许多缺点。

・本地存储，远程终端单元可以存储１２０个示功图．

在网络掉线的情况下能够保证数据不丢失。

・模块化设计，便于调试和更换元器件，方便维护，节约成本。

耋嚣量图３一体化示功仪结构・电子手抄器设置参数，使用手抄器以无线方式设置

通信参数，无需开盖。

・电量自动报警。・远程升级，ＲｒＩｔＵ和Ｄ１．Ｕ内的嵌入式程序均可以通

过ＣＤＭＡ网络进行远程升级。

・功能扩展：能够远程采集温度、压力．一体化示功仪通过无线模块接收温度和压力信号，再通过ＣＤＭＡ

模块把信号远程传输到上位机服务器。