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油田生产管理过程中数字化关键技术的研究与应用

作者:朱文涛2015.09.07阅读 1883

  一、油田数字化建设现状
  1.1长庆油田数字化建设简介
  长庆油田属于典型的低渗、低压、低丰度的"三低"油气藏CONTROL ENGINEERING China版权所有,隐蔽性、非均质性强,地质条件复杂,单井产量低。面对三低油气多井低产的现实,生产运行成本和建设投资控制压力大。同时由于工作区域分布广泛,生产设施分散,按照原有的人工巡井、井站驻守,用工控制难度大。为了适应长庆油田低成本发展以及提高企业现代化管理水平的要求,保持油田持续、有效、协调的发展,长庆油田实事求是,大胆创新,全面推进油田数字化管理,将员工从分散的驻地向生产基地相对集中,改善一线员工生产、生活和条件的条件,开创了生产新局面。
  长庆油田在新油田投产、老油田改造中开展了一系列数字化生产管理系统建设,利用自动控制技术、计算机网络技术、油藏管理技术、油(气)开采工艺技术、地面工艺技术、数据整合技术、数据共享与交换技术,视频和数据智能分析技术,实现了电子巡井,分析判断、精确定位,减少了劳动强度、提高了生产效率。
  目前根据长庆油田数字化建设标准主要在井场、站点、应用平台配套了以下技术:
  (1)井场:功图量油、抽油机远程启停、稳流配水、自动投球、视频监控、数据采集。
  (2)站点、撬装集成增压装置:数据实时采集、视频监控、自动变频连续输油、报表自动生成。
  (3)数字化平台:利用数据库技术对井站数据进行界面显示。
  1.2数字化建设的优势及不足
  采油三厂按照长庆油田公司的标准进行数字化建设,已初具规模,综合覆盖率已达到92.1%,为中端数据应用提供了必要支撑。然而目前的建设现状无法满足日趋精细化的管理要求,对于生产管理的过程控制,数据采集后的深度挖掘还需进一步建设完善,从而真正实现提高生产管理效率,降低安全环保风险,提升分析决策能力,满足精细化管理要求。
  (1)数字化建设未全面覆盖。
  油田公司数字化设计标准中包含了常规井场、站点的建设要求,未涉及边远井场和撬装增压站的数字化建设标准,影响中端应用系统对数据的全面采集。
  (2)智能化不够,缺乏现场设备的智能闭环控制。
  撬装设备相对常规站点而言,具备了先天的自动化控制技术,但未接入数字化系统,不能
  ①朱文涛:1983年11月出生,2007年毕业于西安培华学院,计算机科学与技术,现为长庆油田采油三厂数字化建设项目组科员。
  实现远程控制,不具备无人值守的条件。
  (3)前端采集数据的综合利用率低
  前端采集数据停留于生产单元的应用,数据间没有展开横向的比对分析,造成中端系统应用水平低。
  1.3数字化关键技术配套的必要性
  1.3.1数字化关键技术配套为油田创新管理提供技术保障
  随着长庆油田数字化建设规模的不断扩大,数字化技术的发展是日新月异的,越来越多的新思路被提出、新技术被应用到现场。采油三厂根据油田公司要求进行数字化配套建设和应用中的过程中发现,建设初期没有或不成熟的新技术以逐步被完善,价格较高的仪表逐渐平民化,设计中未涉及的井场加热等新技术日趋成熟。随着油田发展对数字化要求的不断提高,一线生迫切需要更多的新技术来服务生产。
  1.3.2数字化关键技术配套是提高安全生产管理水平的前提
  数字化管理的重点是将后端的支持系统向生产前端的过程延伸。核心是将优化生产工艺的基础将数字化与劳动组织架构相结合,实现生产组织方式和劳动组织架构的深刻变革最大限度减轻岗位员工的劳动强度,提高工作效率和安全生产管理水平。
  1.3.3数字化关键技术配套是实现稳产、高产的重要手段
  产量是采油厂永远的主题,由于传统的生产管理由于技术手段局限性,在管理效率和执行力方面存在诸多弊端,有效利用大量的数字化前端数据,实现油井自动分类管理,使技术人员抛开统计分类,而专注于研究分析、制定对策,为今后采油厂实现稳产、高产提供高效的技术手段和可靠的数据来源。
  二、数字化关键技术配套研究与应用
  2.1井场数字化关键技术配套
  2.1.1边远井场数据采集
  常规井场数字化建设为网桥(光纤)+功图采集设备+视频服务器+摄像机方式建设,对于建设分散,地处黄土高塬,沟谷纵横、梁峁交错的山区井场而言,存在投资大、实施周期长、后期维护成本高等不利因素。鉴于此,结合采油三厂靖安油田实际,提出功图采集设备+串口摄像机+GPRS通讯的的技术方案。对于姬塬油田,地势较为平坦,但井位分布较散,采用2.4G免费无线频段通信,可以组成点对点、点对多点的无线通信系统采集井场数据。以此替代常规的数字化井场建设方案,清扫数字化建设盲点,达到降低投资,施工高效,功能实用的目的。
  (1)基于GPRS通信的井场数据采集。
  边远井场数据传输放弃光纤或者无线网桥方案,改用公共数据网络GPRS或者CDMA进行传输;主要采集数据包括油井功图、三相电参、启停状态。更新主RTU及井口采集器软硬件、将原2.4GHz无线通信方式改为RS485通信方式,并传输至GPRS通信模块;受网络带宽限制,井场视频采集将变为井场图像采集,更新摄像机为串口摄像机,接收监控平台定时发送的照相指令,将JPEG格式的照片通过GPRS方式传输到监控平台。
  (2)基于ZigBee通信的井场数据采集。
  Zigbee网络是在2.4G通讯基础之上的网络协议,最大的优点在于远距离、低成本、低功耗、自组织路由等优点,在工业现场中已经得到大量的运用。采用ZigBee组网、路由功能一方面可以延伸通讯距离,另一方面可以实现网络冗余功能,增强通信可靠性。在井场具体实施时,将井场内中间的某一口或几口抽油井的井口采集单元安装带有ZigBee路由功能的无线模块,其他设备作为ZigBee的端点设备,这个带路由功能的井口采集单元作为ZigBee信号的接力设备进行组网,其他的无线仪表或井口采集单元会自动搜索路由,并自动选择一个最佳路径与井场主RTU进行通信。
  2.1.2井场无人值守技术配套
  目前井场应用到的数字化技术主要有功图自动采集、抽油机三项电参采集、启停控制、自动投球、视频监控、稳流配水等。工作方式是通过有线或无线载荷传感器采集油井实时功图,将数据传至井口RTU或井口数据采集单元,井口RTU或数据采集单元将数据处理后传至井场主RTU并通过网络将数据上传至站点和各类平台服务器。
  将数字化所实现功能与井场日常工作业务比较,要实现无人值守我们还需解决井组加药和水煮炉的加温、补水这两项工作。
  (1)伴生气自动点火控制装置
  在五里湾第一采油作业区柳84-39井场、五里湾第二采油作业区南十一增、柳85-57井场分别进行了伴生气自动点火控制装置现场试验。该装置是针对油田伴生气等含杂质较多的燃气而设计的一种自动点火控制器。
  (2)多井井口自控加药装置
  采油三厂购置2套多井井口自控加药装置在五里湾二区柳86-46和柳77-59两个井场试验,实现了井场多井自动加药,并接入站控平台进行监控。
  (3)无气井场电加热配套
  在桐寨作业区11座无气井场安装HY系列采油加温器和热管电加热器,运行中加温效果明显,井场外输出口温度可达到60-70度,降低了燃煤使用和员工的工作强度。
  (4)凝析油自动排放配套
  为解决凝析油自动排放,实现数字化井场无人值守,我厂在五里湾一区、五里湾二区凝析油排量较高的11口油井进行了凝析油自动排放试验。运行效果良好,满足应用需求。


  图1 凝析油自动排放装置安装前后效果比对

  (5)井场防盗技术配套
  面对油区复杂的外部环境,采油三厂研制出了井口取样器、多功能排放阀、压力表阀、阀门执行器、罐车防盗装置、油罐防盗装置等七大技术八套装置。解决了无人值守井场综合治理和日常运行难题。


  图2 井场防盗装置配套

  2.2站点数字化关键技术配套
  在数字化建设中处于基本生产单元数据采集核心地位的增压/接转站/降回压撬是目前数字化采油作业区全面实现无人值守管理的重点,因此,对作业区所辖各类集输站点进行必要的数字化改造,使其具备一定的自动控制能力,同时对加热炉这类重点设备进行监控,以实现站点的无人值守管理。
  作业区集输站点主要包括以下类型:常规数字化增压/接转站以及降回压撬装站点,因此根据站点设备以及结构的不同主要包括以下三种改造方式:
  2.2.1增压/接转站:
  在站内集输流程总进口增加一个三通阀实现来油正常处理流程和事故应急流程的切换,总出口增加一个电动调节阀实现输油排量的控制以及紧急切断功能。


  图3 增压/接转站数字化工艺改造流程图

  设备共分为2个控制级别:就地柜手动、上位机控制。
  (1)现场设备在PLC控制柜就地控制,分别控制对应的输油程序。当采用这一控制方式的时候,阀门的开关以及泵的启停不受上位机的制约。调试期间、上位机出现故障时采用这一控制方式。
  (2)上位机控制级:当选择开关置自动状态,并有相应的指示灯点亮。位于中控室的控制系统远端控制现场设备的启、停及流程切换。设备经调试正常后最终的运行状态采用此方式。
  2.2.2降回压撬:
  通过对数字化降回压撬加装电动阀并进行简单的功能完善实现无人值守管理,主要加装包括如图所示的1#电动阀、2#、3#电动三通阀,完善控制柜配套的人机界面,同时增加网络通讯、模拟量输入模块,通过在控制柜上的触摸屏操作,可实现自动输油、远程倒泵、远程启停等功能,亦可通过调控中心远程操作实现上位机对撬的远程数据采集和控制。


  图4 降回压撬数字化工艺改造流程图

  2.2.3数字化增压撬:
  数字化增压撬仅实现本地控制,不能完全满足无人值守要求,主要存在问题如下:
  >>  应急流程切换功能不完善;
  >>  磁翻板液位计冬季运行不稳定,易卡堵;
  >>  控制柜无就地流程控制按钮;
  >>  未集成采集外输流量计。
  针对以上存在问题,改进数字化增压撬监控功能:
  (1)远程应急流程切换功能:来油管线安装三通电动阀,可通过远程控制切换来油至事故罐,实现远程应急流程控制。
  (2)双液位连续监测:缓冲罐顶部安装磁致伸缩物位计CONTROL ENGINEERING China版权所有,保留原有磁翻板液位计,利用双液位监测实现自动控制功能,防止单一液位卡死造成控制功能失效,出现输油泵无法启停的现象。
  (3)就地"手动/自动"控制切换:在原有PLC控制柜上增加"手动/自动"切换按钮及流程切换按钮,预防工控机故障时,可切换为手动就地控制,通过流程切换按钮实现橇的运行控制。
  (4)外输流量计数据采集:集成外输流量计至撬装设备,并采集外输流量数据。
  2.2.4站点其它辅助配套
  (1)控制方式:
  控制方式为各站数据全部通过PLC独立采集处理,在调控中心建立SCADA系统,完善作业区调控中心功能,实现调控中心集中远程控制。


  图5 数据采集及控制结构图

  (2)辅助监控:
  站点实现无人值守,依靠目前站内数字化改造安装的一个普通摄像机无法全面监控站内设备运行情况,依据站点规模在增压接转站内增加一至两个高清摄像机、对站点进行全面监控。
  (3)加热炉监控:
  实现站内各类加热炉设备受控是站点无人值守管理的重要因素,因此对站内加热炉进行重点监控,对大型接转站的真空加热炉安装加热炉远程控制器进行运行状态监控以及远程启停炉操作,对增压站立式水套炉安装子母火嘴以及电磁阀,通过PLC实现火焰熄灭及时切断气源的联锁控制,确保巡检人员安全。
  2.3联合站上游集输控制系统技术配套
  为了降低站点同时输油时管线压力,实现联合站上游站点集输系统的平稳输油,我厂结合现场实际工艺流程,在SCADA系统中设计了一套联动输油控制程序。
  2.3.1集输控制方式
  依据联合站上游集输流程模式,分单站外输管线,双站插输及多站插输干线,配套不同控制技术。
  (1)单点输油控制:对于通过自身控制就能实现连续输油且不影响管线、联合站运行的站点采取站点独立控制方式。
  (2)双站连锁输油控制:对于两座站点共用一条外输管线的情况,采用连锁输油控制方式,在不影响站内安全运行的前提下,通过两站液位的判断,站间交替输油,解决输油矛盾。
  (3)分组连锁输油控制:对于多站点共用一条外输管线的情况,采用分组连锁输油控制,结合生产实际,将输油站点划分为外输液量相近的两组,通过组内液位和的判断,组间交替输油,解决输油矛盾。
  2.3.2运行效果
  目前在红井子作业区姬九联上游6座站点的两条外输干线分别进行运行测试:
  (1)2座站点插输干线:通过双站连锁输油控制,可有效降低两站同时输油矛盾,管线压力由同时输油的4MP降低为目前单站输油的2.2MP。
  (2)4座站点插输干线:通过分组连锁输油控制,将4座站点划分两组,避免大液量站点同时输油,实现了外输管线以及联合站的平稳运行。
  2.4油井分类管理技术配套
  为满足油井差异化管理要
求,需要推进管理方式方法的创新,来支撑油田精细化管理。业务部门提出对油井产量进行自动分类的要求,实现油井分类管理。
  2.4.1系统建设现状:
  油井功图、工况、产液量均可在生产指挥系统中查看,通过完善生产指挥系统,拓展产量筛选功能,可满足业务部门的油井分类管理需求。
  2.4.2功能配套:
  (1)油井筛选
  将油井产量t≥5.0万吨、3.0≤t<5.0万吨、1.0≤t<3.0万吨、t<1.0万吨的油井分为A、B、C、D四类。
  (2)工作安排落实及查询
  增加油井处理任务,管理人可进行工作安排,制定落实期限,并进行任务分发;落实人进行任务跟踪,填写落实结果;管理人可进行结果查询。
  (3)管理权限划分
  厂级、作业区经理可对A、B、C、D四类油井分别筛查和管理,生产副经理可对A类油井进行筛查管理,开发副经理可对B类油井进行筛查管理,作业区技术管理室可对C、D类油井进行筛查管理。
  实现油井在系统中的自动分类,可大幅提升技术管理效率,为管理人员开展针对性的技术政策提供快速、准确的依据,创新了管理手段,提升了分析决策能力。
  2.5安全预警分类管理技术配套
  安全预警管理是油田生产安全的重要管理手段之一,在实际应用中,一方面由于报警数据量大,人为处理工作量大,易造成员工视觉疲劳和抵触心理,一方面对于重点报警参数掺杂在报警信息中,处理不及时,存在安全隐患,需完善安全预警系统功能,优化报警机制。
  2.5.1系统建设现状:
  数字化安全预警系统集中了各站点的可燃气体浓度、温度、压力、液位、流量等数据,报警多,处理任务重,监控难度大。
  2.5.2功能配套:
  (1)报警参数设置
  在技术管理上,由业务部门规范报警参数点,屏蔽无关紧要的参数报警,只针对生产环节中的重点参数进行报警上下限设置。
  (2)报警参数升级
  按照经理、调控中心主任、调控中心调度员、站长、值班员工的管理级别划分,将报警分"A、B、C、D、E"五级,当出现报警时,每延时30分钟处理,报警级别自动升级,并以短信方式告知相应负责人,直至报警处理结束。


  图6 报警机制图

  通过精简报警参数,减少报警处理劳动强度,提升报警质量,在此基础上,通过报警参数升级的功能配套,从系统应用上优化了报警机制,报警的升级将作为责任追溯依据,强化了生产安全管理。
  2.6综合治理防盗管理技术配套
  油区综合治理形式日趋严峻,从技防角度,数字化配套了一系列监控系统,虽然监控手段多,但原油拉运,油区可疑车辆监控仅停留于点,缺乏过程监控,应用效率还有待于进一步提高。
  2.6.1系统建设现状:
  数字化建设配套了井站视频监控,电子路卡系统,生产运行科配套了车辆管理信息系统,安全科配套了GPS监控系统,系统数据相对独立,未达到数据共享,不利于数据的综合利用。
  2.6.2综合治理防盗管理系统
  综合现有系统资源,开发一套综合治理防盗管理系统,实现原油拉运的过程监控和油区可疑车辆的自动预警功能。
  (1)统一数据源
  将井站视频监控,电子路卡等视频信息与车辆管理信息系统、GPS监控系统融合,以便综合治理防盗管理系统对数据的综合调用。
  (2)功能配套
  可疑车辆智能预警:在电子路卡系统基础上,增加自定义可疑轨迹分析功能,当车辆按照可疑轨迹行驶后,对该车辆进行报警提示,实现可疑车辆自动报警功能。
  拉油罐车监控:
  >>  装油监控:从拉油罐车进入井场开始调用井场视频进行监控控制工程网版权所有,在系统中登记车辆及装油信息。
  >>  拉油监控:轨迹错误报警,通过电子路卡监控点定义该段拉油正确行驶轨迹www.cechina.cn,由GPS定位划出真实行驶轨迹,当轨迹不同时,系统自动报警;超时报警,定义正常拉运时间范围,推算出经过电子路卡时间范围,若超时,系统自动报警;重量报警,系统通过装油信息自动核算车辆重量范围,在通过电子路卡时,通过传感器对拉油车辆进行测重,侧重值超出系统核算范围时,系统自动报警。
  >>  卸油监控:拉油罐车进入卸油台,可调用视频进行监控,在系统中登记车辆及卸油信息。
  三、存在问题及改进措施
  3.1井场数字化关键技术配套存在问题及改进措施
  3.1.1边远井场数据采集存在问题及改进措施
  基于GPRS及ZigBee两种边远井场数据通信方式,可基本满足建设需求,但两者均存在缺点,在未覆盖公共网络的山区,无法采用GPRS通信方式进行建设,而ZigBee通信方式受带宽限制无法实现井场视频监控功能,在建设中需结合实际情况,可采用与光缆相结合的方式完善边远井场的数字化建设。
  3.1.2井场无人值守技术配套存在问题及改进措施
  井组水套炉的加温可采用自动点火控制装置来实现,补水工作由生产单元定期用水罐车给井组集中补水完成,井口加药可采用井口自控加药装置来实现。但配套相应设备的同时,大面积推广各类设备反而会增加员工对井场的设备维护工作量,因此,通过功图采集、视频监控等功能,改原有井场住人为井场无人值守控制工程网版权所有,定期巡检看护的管理方式更为可行。
  3.2站点数字化关键技术配套存在问题及改进措施
  目前采油三厂共有各类集输站点311座,包括联合站14座,接转站60座,计量转油站27座,增压点190座。由于站点数量众多,全面升级站点自动化水平,成本高;其次,对于老工艺模式的站点而言,管线及设备老化,流程相对复杂,配套自动化后,非但不能解决现场问题,反而增加员工工作量。
  站点的数字化配套应建立在工艺流程优化简化的基础上,因此,站点自动化配套应从新工艺模式着手配套,先行完善撬装站点的自动化配套,并在油田维护改造的基础上,结合数字化配套,逐步推进站点的自动化升级。
  四、结论与展望
  在生产管理中,按照以用促建的原则,不断改进完善数字化建设,探索出了适用于不同环境,不同生产流程的数字化配套技术,为数字化的全面覆盖提供了技术保障。在地面工艺流程优化、简化的基础上,配套适用于生产环节的自动化技术,必将提高生产管理水平,减少员工劳动强度、提高安全生产水平。不断完善前端数据采集,为中端系统的综合利用提供了数据支撑。油井分类管理,安全预警分类分级管理,综合治理防盗管理是挖掘数据价值的重要体现,为生产、安全、安防的精细管理提供了分析决策手段,是实现精细化管理的技术创新。
  结合生产实际的自动化配套
  井站无人值守技术的配套可改善员工的工作生活环境,体现以人为本的理念。通过系统自动采集、传输和应用,将员工从传统劳动组织模式下的驻井看护、生活单调转变为相对集中工作、集体生活,有利于构建和谐的工作生活氛围,降低员工劳动强度,提高员工生活质量。
  结合生产安全的中端系统应用
  油井分类管理中端系统的应用,为油井的科学管理提供可靠依据。在结合含水、动液面及油压等基础资料,进一步优化油井生产参数和后期跟踪调整,确保充分发挥每口油井的产能。安全预警分类分级管理,通过对安全风险分级预警、分类管理、分别处置,可有效提升安全生产管理水平。
  结合油区安防的中端系统应用
  综合治理防盗监控是数字化条件下新型油区治安巡护方式,有效利用视频监控、电子路卡、行车记录等技防手段,提高防偷打到力度,改善油区治安环境。

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