油井远程监控系统的应用及展望

　　摘要：作为采油井综合管理的核心技术－远端测控单元（RTU）和监视控制和数据采集系统（SCADA），在现代传感技术、无线传输与计算机网络控制技术的有力支撑下，越来越得到有识之士的亲睐。本文在系统地概述了油井远程监控系统（RTU/SCADA）的发展和应用现状的基础上，分析了油井远程监控系统的特点、存在问题及应用前景。
　　
　　1 前言
　　 RTU（Remote Terminal Unit）是一种远端测控单元装置，负载对现场信号、工业设备的监测和控制。SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，即监视控制和数据采集系统[1]，特别是基于现代传感、数据处理及远程通讯的分布式SCADA系统，集中了PLC系统的现场测控功能和DCS系统的信息共享和组网通信能力的两大优点, 其突出特点是信道配置为无线通信系统, 性能价格比很高, 是适应于地域广阔的应用环境的无线通信系统。
　　在我国陆上油田无论是水网、沙漠还是高原、严寒地区，油井的数据采集基本上靠人工完成，无论盛夏酷暑还是冰雪旱天，采油工都必须到现场采集油井示功图、平衡度、油套压、油温及产液量等井口生产数据，工人劳动强度大，且数据的准确可靠性完全依赖于采油工人的工作责任心。海上油田的生产管理则更加困难，常常要借助于庞大的集输管线及增加采油平台来降低现场管理难度，采油井的生产参数经常受到天气变化和交通工具的影响无法正常获得，严重影响了油井的自动化管理。应用油井远程监控系统（RUT/SCADA）对于实现油井管理的自动化、提高工作效率、保证数据采集的准确性及加强现场事故应急处理等都具有非常重要的意义。
　　
　　2 当前采油井管理及数据采集存在的问题
　　（1）油井一般都很分散，分布范围广，地区偏远。对油井出现的异常情况不能及时发现、及时采取措施，从而导致原油产量降低，设备使用寿命减短，能耗增加，有时甚至会造成严重的经济损失，降低了经济效益。
　　（2）油井管理中的大量生产数据全靠人工采集，耗费大量的人力和物力，而数据的准确性则因数据采集人员的工作责任心而异。部分油井无法实现正常的井口资料的采集及井下泵况的测试，影响油井的动态分析和日常管理，不能及时有效地对油井的工作情况进行分析和管理，影响油井的正常工作。
　　（3）油井采集的数据为非连续性数据，因而对油井的真实工作状况无法准确地掌握，导致对油井的诊断时间拖得很长，而降低生产效率，增加了采油成本。
　　（4）不能对抽油机进行远程控制，无法做到对采油井的现代化网络管理。
　　
　　3 油井远程监控系统（SCADA）的发展及应用现状
　　3.1 国内油井远程监控系统的发展
　　早在上世纪六十年代，我国即开始了对抽油机远程监控系统的研究和开发，国内先后有数百家企业涉足过此类系统的研究工作，有不少油田的一些区块安装过远程测控系统，但在实际应用中由于种种技术问题也遇到过许多问题，抽油机远程测控系统的研究开发工作一度曾陷入绝境。国内油井现场数据的采集及抽油机工作状态的控制长期维持在传统的人工采集及干预的状况。究其实质，制约抽油机监测系统发展的主要因素有以下几个方面：
　　（1）抽油机的工作环境恶劣。油井远程监控系统一般安装在露天的环境下，其密封，屏蔽、防震、散热等技术指标难以达到实用要求，传感器的使用性能指标无法满足现场使用要求。
　　（2）功能不全。以前所开发的油井监控系统在监测抽油机工作状态、数据采集、远程控制等方面不能兼顾，特别是网络化的功能太弱，也限制了它的大范围推广应用。
　　（3）盗窃、破坏严重。系统维护功能不强，安装分散，加之许多油区的治安状况较差，系统设备极易被盗和破坏。
　　（4）科技含量低，产品化系列化程度差。抽油机监测设备的开发是一项复杂的系统工程，涉及计算机、通讯、传感、网络、工程等多种学科和技术，早期开发的系统，其功能和产品化程度远远不能满足实际应用的需要。
　　（5）性价比不高。以前开发的系统性能差而价格高，用户不太容易接受。
　　到二十世纪九十年代后期，由于传感器、计算机、网络数据传输技术的迅猛发展，特别是油井的现代化管理的强有力要求促进了抽油机远程监控系统的研究和发展，国内华盛信息技术有限公司、济南吉纳公司、北京华讯通信电子技术公司、安控科技开发有限公司等开发商在油井无线远程监控研究方面做出了可喜的成绩。
　　
　　3.2 应用现状
　　3.2.1.华讯抽油机井群自动化系统
　　该系统将华讯通讯公司的全数字无线数据采集（SCADA）、传输电台（MDS）与安控公司生产的抽油机控制器（RTU）集成为一个系统，一期工程实现了吐哈油田200多口抽油井监控的自动化。
　　

　　
　　图1是系统中心站与一个油井终端进行自动化控制的示意图。它可以通过一路RS-232串行通讯实现对抽油井进行一系列操作：空抽控制、定时启停控制、负荷超限停机控制、连喷带抽控制、远程启停控制等。
　　全数字无线数据采集、传输电台在本系统中构建了完全无线的数据采集和传输网络，即系统监控中心与200多口远端油井之间的通讯由电台独立完成，该电台采用DSP技术，其透明传输支持多种控制协议，具有收发转换时间短，极高的温、湿度适应性和指标稳定性的特点，使得整套系统在吐哈油田这种环境恶劣，温差很大的条件下，运转自如。
　　目前，北京安控科技发展有限公司与北京华讯通信电子技术公司强强联手，应用油田专用的RTU和世界领先的美国MDS技术，已经涉足新疆、长庆、青海、吐哈等国内大油田及水力、电力等行业的远程数据监控系统，开创了国内远程测控终端（RTU/SCADA）系统的新局面。
　　
　　3.2.2.吉纳远程监控系统
　　本系统是一套由计算机管理的油田远程监控设备。由于石油开采的主要设备大量分布在边远地区，维护管理费时费力。此远程监控系统解决了采油设备的遥测、遥控等问题。
　　系统集先进、成熟的计算机、通信、数据采集及传感器技术于一体，通过高精度的数据采集器，获取安装在油井、联合站、接转站、注水站、计量站、配水间等采油设备上的电流、电压、温度、压力、液位、流量、含水等数据，用多种通信接口将其传输到测控中心，并可通过微波、光缆等高速网络将数据及流程图上传至油田的局域网上，实现对采油过程的全面监控，系统流程如图2所示。
　　系统具有数据检测、数据共享、数据显示、辅助分析、报警、权限设置等功能。该系统在中原油田、胜利油田、辽河油田及大庆油田得到部分应用。
　　

　　
　　
　　3.2.3.华盛井网信息控制系统
　　华盛井网信息控制系统是应用于石油开采行业的一种集遥控遥测、故障应急处理、数据自动采集与存贮、分析诊断、自动计量、反馈控制、Intranet查询服务以及生产管理服务于一体的SCADA系统，系统采用当前最先进的计算机技术、现代控制理论和计算机网络通讯技术成果，如专用RTU技术、协议转换技术和监控软件技术等。
　　系统以计算机网络、无线数字通讯和工控技术作支撑，采用三级控制结构，上级站即中心控制室运行《Wellsnet2000井网信息控制系统》软件，根据监测点多少，软件既可运行在多台计算机上，也可运行在一台计算机上；主要提供全局范围内各要素的登记、数据的自动采集与存贮、实时监控、轮询监测、数据查询、采油生产分析、故障诊断服务、数据库管理服务以及数据网络发布等功能；中间层是底层各类RTU与上级站进行信息交换的通讯纽带，具有协议转换功能，它将通用的Modbus现场总线协议转换为TCP/IP以太网协议，实现上级站与底层智能控制设备的信息互通；底层为监控计量间、油井、配水间、水井的各类智能终端，完成现场动态数据的在线录取、应急处理、数据传送、状态反馈功能，它们既可独立工作，又能接受上层的测控命令，为系统可靠运行提供硬件支撑。通讯采用高速率的微波扩频跳频通讯技术，有效地解决了大量数据传输的瓶颈问题，数据吞吐量大，采集信息多，实时性好，如图3。
　　

　　
　　此系统能实现：示功图、电流图、凡尔漏失图的测取与存储；电机电流的监测及过电流欠电流的保护，电流断相的监测及保护；抽油杆断脱、抽油杆卡死的监测与保护；井口控制箱防盗报警；油压、套压的监测及油压过高保护；井口温度的监测；电网电压的监测及过、欠电压保护；抽油机皮带打滑的监测等。
　　抽油机有多种运行模式：自动按设定的时间表实现间抽；遥控开、关机；在手动模式下实现数据的监测与保护等。抽油机智能终端在上位机关闭的情况下，仍可按已有指令独立运行并存贮数据，上位机恢复运行后，仍可取回RTU存贮器的数据，保持数据的连续性。
　　此系统在新疆北三台油田、吐哈油田、江苏油田采油二厂的高集油田、新疆油田的部分油井获得应用，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。
　　此外，大庆、胜利、华北、河南等油田设计院以及中国石油天然气总公司规划设计院组成了我国油田自动化项目的主要设计队伍，承接了西部多项自动化任务及科威特集油站自动化的总体任务。
　　
　　4 油井远程监控的特点
　　使用现代化电子设备对抽油机进行远程监控对于及时、准确、全面地掌握石油生产情况，进行科学决策有着十分重要的意义。
　　 (1) 可降低工人劳动强度，提高生产率
　　传统的数据采集方法，工作量大而繁重，费用高，特别在雨雪天气，有些井无法采集，严重影响生产，采用远程监测，数据采集只需室内进行，大大降低工人的劳动强度，同时可减少冗余人员，利于降本增效。
　　 (2) 便于及时掌握生产情况，利于科学管理
　　传统的数据采集方法，通常以人工的方式用报表反映采油情况，难以及时、准确、全面直观、高效、连续地反映生产动态。实现油井的远程监控，管理人员在办公室或各个测点上就可以直观地看到所有抽油机的工作情况。随着无线通讯网的发展，各级管理部门可随时掌握一线的生产情况，真正做到运筹帷幄之中，决胜千里之外。
　　 (3) 便于采集生产数据，利于科学决策
　　人工采集数据，每口井一般每天只测一次工作参数，为了诊断井下工作情况，一般每口井一到两周要停机测试一次井下功图及液面，费时费力。由于数据量小，很难做数据的统计分析。实现远程监控可快速测试并长期保存大量工作数据，并以此为依据进行科学的生产分析，为决策提供可靠论据。
　　 (4) 便于及时发现问题，提高工作效率
　　实现抽油机的远程监控，可以及时发现油井停电、不正常停机、油管泄漏、凡尔泄漏、液面过低、配重不平衡等情况，从而有效地防止设备损坏，减少停机时间。抽油机运行过程中，油井的机电设备难免会出现一些不正常情况，如缺相、井下受卡等，有些情况如能及时发现并处理，就可以减少或避免油井故障，减少经济损失。
　　
　　5 系统评价及应用前景展望
　　进入二十世纪九十年代，我国油田远程监控系统取得了突破性的进展，东部老油田的改造，联合站的自控系统，尤其在西部八五期间新油田建设中实施了自动化工程，油田的自动化进入了一个重要的发展阶段。
　　目前，油田远程监控系统已摆脱了传统的监控模式，由早期的仪表监测进入以微电子学为基础，集微电子技术、电力电子技术、网络通讯技术于一体的新一代远程监控系统，也就是进入了大量应用PLC、DCS和SDACA系统的时期，国内新疆的彩南油田从美国BAKER CAC公司引进的远程监控系统，采用一级现场终端，二级作业区中心控制室和三级基地数据中心的三级数传网络，通过抽油机示功图在线连续测量和永久式井下压力计的井底流量测量，能准确反映油井生产状况，并将现场录取的实时数据，远程传输至数据中心，经油藏数值模拟分析，再将其结果反馈至油田现场，指导油田稳定合理开发，该远程监控系统投资6486万元，取得了突出的综合经济效益，但该系统也存在着系统引进软件加密问题，加大了系统升级及故障排除的难度。
　　华讯、华盛、吉纳、金时开发的几种系统在国内当属油井监控方面比较领先的系统。油井区块采用远程控制系统，信息采集准确、快捷，提高了资料录取的准确率，极大地提高了油田动态分析的效率和质量；为油田开发科学决策、优化生产管理和日常生产的正常运行提供了保障；确保了安全生产，减少了事故隐患和损失；同时也为生产管理人员及早发现、解决生产故障，降低能耗，减少设备的磨损以及提高劳动生产率提供了保障；提高区块的整体效益和水平。由于计算机、无线通讯、网络等技术的应用，使现在的系统较之以前开发的系统有了较大进步，采用工业级或军品级的电器元件，使系统的可靠性也得到了提高，通信能够全兼容有线、无线、微波、光缆等通信系统和高速、低速通信方式，使数据采集和传输的综合能力变得十分强大，以能够适用于油田的复杂数据的处理和传输。
　　同时由于系统的操作界面基于window操作系统，不仅稳定性好，而且全中文操作，界面美观友好，系统的数据查询在直观的界面上用鼠标或触摸屏操作，非常简便。系统具有管理方便、自诊断等强大功能，并可降低劳动强度，为节能增效提供了科学保障，便于油田的生产自动化。
　　但所有国内开发的系统目前仍无法对油井的动液面监测；有的系统主板、放大板、液位计和计量终端故障较多，系统稳定性还有待进一步提高；有的系统兼容性扩展性较差，不利于区块滚动开发时扩容，另外系统的价格较高，影响了系统的推广应用，系统在远程监控的自动化控制程度上还有待于进一步提高。
　　邦讯朗博公司研发的无线远程监控系统，在传输方式上做了有益尝试，区别于其它无线监控系统，其资料的传输采用GSM无线网络，不需建中继站，无线移动通讯设备即可作为终端，便于管理人员及时掌握油井生产信息，且系统的单井投资相对较低，在理念上引领了油井无线监控的新潮流，此系统的可靠性还待现场应用的检验。
　　
　　6 结束语
　　总之，采油井应用远程测控终端（RTU/SCADA）后，可以极大地提高生产运行管理的安全性能和可靠程度，减少不必要的人工浪费和提高数据采集的准确性，提高生产效率，通过生产过程的集中控制和管理还可极大地提高企业整体效率的竞争能力，提高预测突发事件的能力和紧急情况下快速反应能力，带来潜在的社会和经济效益。特别是国内近几年来的油井远程监控系统开发及应用得到了飞速的发展，形成了多处样板油田和成功应用案例，极大地方便了现场油井管理，提高了生产效率。但从总体而言，目前的油井远程监控系统，在性能和售后服务上还有许多期待完善之处。我们应该看到，我国远程监控系统的研究虽然已有几十年的历史，但真正意义上的远程监控系统的研究还刚起步，同时国内的石油生产成本与国外大公司相比存在较大差距，利用现代自动化技术对采油井的生产管理进行远程监控，是提高石油开采业的全员生产率，降低石油开采成本的有效方法之一。相信随着科学技术的不断进步，系统的不断升级和完善，油井远程监控系统（RTU/SCADA）必将得到更大范围地推广和应用。
　　
　　
　　参考文献：
　　孙明春,金敏. ＳＣＡＤＡ系统及其应用. 自动化博览:2000(4)：12~14
　　
　　注：部分图表文字摘自厂家产品说明。
　　
　　
　　

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