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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2023）11-076-03中圖分類號(hào)：TP29

★韓宏志，張雅楠，陳冰，劉淼，郭新冬（中國(guó)石油昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司北京102206）

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；原油產(chǎn)量；在線檢測(cè)；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用；降本增效

生產(chǎn)計(jì)量是油氣田生產(chǎn)的基礎(chǔ)性工作，直接影響著油田勘探開發(fā)及生產(chǎn)運(yùn)行，對(duì)油氣生產(chǎn)管理具有重要的意義。油氣生產(chǎn)計(jì)量的數(shù)字化升級(jí)，可簡(jiǎn)化地面工藝、優(yōu)化生產(chǎn)管理模式、提高油田決策及時(shí)性和準(zhǔn)確性，是企業(yè)管理提升的重要需求^[1-3]。此外，隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能能力的大幅提升和深度融合，非分離多相流計(jì)量技術(shù)正在向智能化、低成本方向發(fā)展，油氣生產(chǎn)計(jì)量技術(shù)已經(jīng)由氣液分離+人工化驗(yàn)的傳統(tǒng)方法向非分離自動(dòng)計(jì)量方向過(guò)渡，無(wú)人值守的人工智能檢測(cè)系統(tǒng)將逐漸成為主流^[4-6]。

隨著中國(guó)石油數(shù)字化建設(shè)的加速，多數(shù)油田已經(jīng)實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、精準(zhǔn)調(diào)控，但我們也要看到，傳統(tǒng)的油氣生產(chǎn)計(jì)量依然缺乏可靠的數(shù)字化計(jì)量手段。油氣多相計(jì)量作為計(jì)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，是集團(tuán)公司油氣田地面建設(shè)的核心攻關(guān)技術(shù)之一。該技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用將成為集團(tuán)公司油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的重要補(bǔ)充，能夠進(jìn)一步升級(jí)、完善油氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)字化程度，助力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

1　實(shí)時(shí)在線三相流量計(jì)

為實(shí)現(xiàn)單井、區(qū)塊的油、氣、水產(chǎn)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集，優(yōu)化油氣田企業(yè)地面工藝流程，項(xiàng)目組針對(duì)三相流量計(jì)量產(chǎn)品開展了聯(lián)合研發(fā)工作。經(jīng)過(guò)三年的不懈攻關(guān)，項(xiàng)目組取得了技術(shù)突破，形成了一套智能化、小型化、非輻射、低成本的第一代三相流量計(jì)產(chǎn)品，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)低成本、不分離三相流在線計(jì)量的技術(shù)空白。

實(shí)時(shí)在線三相流量計(jì)基于文丘里效應(yīng)及虛高理論，使用特殊的文丘里結(jié)構(gòu)配合高可靠性的差壓傳感器，可實(shí)現(xiàn)寬流量范圍、多種井況下的高精度氣液兩相流量計(jì)量。該測(cè)量模塊能夠秒級(jí)的輸出結(jié)果，對(duì)微小的井況波動(dòng)和流型變化都能夠及時(shí)做出反饋；它基于高低雙通道高頻微波技術(shù)，可以獲取液相中的含水率^[7-8]。

2　油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于第一代實(shí)時(shí)在線三相流量計(jì)的研發(fā)思路，項(xiàng)目組開發(fā)集成了RTU功能的實(shí)時(shí)在線三相流量計(jì)（V2.0），同時(shí)配備相應(yīng)的倒井控制柜。控制柜與流量計(jì)采用Modbus/TCP協(xié)議進(jìn)行通信，組成了油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)采集計(jì)量站內(nèi)的管匯壓力、溫度、產(chǎn)量數(shù)據(jù)和控制站內(nèi)的計(jì)量啟停、倒井順序，以及數(shù)據(jù)反饋超限后的報(bào)警功能。將倒井控制與產(chǎn)量數(shù)據(jù)查詢的功能集成在系統(tǒng)中的倒井控制柜上，地面投資成本將進(jìn)一步降低。

該系統(tǒng)是在項(xiàng)目組充分理解油氣生產(chǎn)數(shù)字化實(shí)際需求的基礎(chǔ)上被設(shè)計(jì)出來(lái)的高度集成化產(chǎn)品，其硬件設(shè)計(jì)基于工業(yè)級(jí)高性能ARM硬件平臺(tái)，軟件設(shè)計(jì)搭載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具備豐富的數(shù)據(jù)通信協(xié)議支持，可支持MOBUS RTU、A11 GRM等工業(yè)通信協(xié)議。該系統(tǒng)提供二次編程接口，可支持IEC61131編程功能和有線設(shè)備的自定義數(shù)據(jù)采集，以及完整的數(shù)據(jù)映射。該系統(tǒng)內(nèi)置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可支持代碼在線升級(jí)、遠(yuǎn)程升級(jí)、參數(shù)遠(yuǎn)程配置和數(shù)據(jù)本地顯示。

圖1 油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1　應(yīng)用背景

新疆油田Y采油廠的管轄區(qū)塊主要分布在準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，南北長(zhǎng)約25km，東西寬8.25km。

因生產(chǎn)的自然環(huán)境限制，Y采油廠建設(shè)初期即采用包含計(jì)量站的三站層級(jí)管理和人工巡檢相結(jié)合的生產(chǎn)管理模式，在自動(dòng)計(jì)量方面大量采用計(jì)量站單井量油作為獲取單井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的主要依據(jù)。

隨著油田管理模式和生產(chǎn)工藝模式的升級(jí)，利用計(jì)量站獲取單井生產(chǎn)數(shù)據(jù)已經(jīng)無(wú)法滿足油田精細(xì)化管理和持續(xù)降本增效的要求，這就對(duì)單井油、氣、水產(chǎn)量的數(shù)據(jù)獲取方式的優(yōu)選提出了更高的挑戰(zhàn)。

3.2　油田工藝現(xiàn)狀

新疆油田傳統(tǒng)的原油計(jì)量工藝為“雙容積式倒井計(jì)量”，其依托于現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量站內(nèi)安裝的多通閥將計(jì)量站周圍的多口采油井以管道形式連接至雙容積計(jì)量容器，并通過(guò)多通閥控制柜控制多通閥選井。使用容器上安裝的液位計(jì)、氣體流量計(jì)和含水儀對(duì)來(lái)液的油、氣、水的單次計(jì)量產(chǎn)量進(jìn)行測(cè)量，再將測(cè)量結(jié)果傳輸至計(jì)量控制器進(jìn)行日產(chǎn)量計(jì)算。這種傳統(tǒng)的計(jì)量控制系統(tǒng)環(huán)節(jié)多，操作繁瑣，操作和維護(hù)工作量大。

3.3　工藝改造方案

針對(duì)上述技術(shù)痛點(diǎn)，項(xiàng)目組利用現(xiàn)有計(jì)量站倒井計(jì)量流程，用基于三相流量計(jì)的油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的計(jì)量系統(tǒng)，在滿足流量計(jì)測(cè)算液量、氣量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)倒井邏輯，并通過(guò)倒井控制柜控制倒井，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控中心。現(xiàn)場(chǎng)整體計(jì)量流程得到了簡(jiǎn)化，設(shè)備運(yùn)維的難度進(jìn)一步降低；同時(shí)實(shí)現(xiàn)計(jì)量井的自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)倒井和數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集上傳，大幅減少了含水取樣化驗(yàn)次數(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了計(jì)量間無(wú)人值守，檢測(cè)相關(guān)操作費(fèi)用也將大幅度下降。

3.4　設(shè)備升級(jí)改造

Y采油廠某作業(yè)區(qū)的J計(jì)量站閥室配備倒井多通閥，控制11口井的閥位切換；計(jì)量間裝有雙容積式壓力容器以及液位計(jì)等各類計(jì)量?jī)x表，負(fù)責(zé)產(chǎn)量測(cè)量；儀控間配套控制倒井柜，計(jì)量控制柜負(fù)責(zé)控制多通閥啟停和日產(chǎn)量計(jì)算。

項(xiàng)目組首先對(duì)J計(jì)量站進(jìn)行工藝改造，利用三相流量計(jì)計(jì)量平臺(tái)替換傳統(tǒng)的雙容積式計(jì)量?jī)x器，并拆除儀控間的倒井控制柜和計(jì)量控制柜，換裝一體化倒井控制柜。

圖2 升級(jí)后計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

與改造前的傳統(tǒng)計(jì)量系統(tǒng)相比，基于實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)儀控間內(nèi)的多通閥控制箱和計(jì)量控制箱集成為一體化控制箱，簡(jiǎn)化了控制流程，提高了系統(tǒng)集成的程度，降低了設(shè)備采購(gòu)的成本。將計(jì)量間內(nèi)的雙容積式計(jì)量容器，以及匹配于容器的液位計(jì)、電動(dòng)閥、溫度變送器、壓力變送器、氣體流量計(jì)、含水分析儀等設(shè)備替換為三相流量計(jì)計(jì)量平臺(tái)，極大程度地提高了計(jì)量?jī)x器的統(tǒng)一性，降低了設(shè)備維護(hù)的難度以及維護(hù)成本。

圖3 系統(tǒng)優(yōu)化后流程對(duì)比

與傳統(tǒng)的先分離后計(jì)量方式相比，基于實(shí)時(shí)在線三相流量計(jì)的油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠提供產(chǎn)氣、產(chǎn)液變化趨勢(shì)，相關(guān)指標(biāo)全部基于24小時(shí)真實(shí)計(jì)量數(shù)據(jù)獲得。三相流量計(jì)具有實(shí)時(shí)在線輸出秒級(jí)氣、液及液相含水率三相計(jì)量數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，可以讓油氣田用戶發(fā)現(xiàn)非常規(guī)生產(chǎn)事件以及直觀地觀察到油氣井生產(chǎn)特征。

3.5　應(yīng)用效果

基于三相流量計(jì)的油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上線后，實(shí)現(xiàn)了單井來(lái)液的油氣水三相實(shí)時(shí)計(jì)量、控制倒井以及歷史產(chǎn)量查詢的功能，并能將計(jì)量數(shù)據(jù)以A11_GRM協(xié)議規(guī)定的地址傳輸至Y采油廠的數(shù)據(jù)中心。

系統(tǒng)已平穩(wěn)運(yùn)行近18個(gè)月，成功實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)11口油井按排序自動(dòng)計(jì)量、實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量結(jié)果、自動(dòng)入庫(kù)保存以及網(wǎng)絡(luò)共享。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)頁(yè)面可以查看油相、氣相、液相的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)，同時(shí)也可查看實(shí)時(shí)溫度壓力數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了歷史產(chǎn)量數(shù)據(jù)查詢以及日產(chǎn)量數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)計(jì)量參數(shù)以秒級(jí)的傳輸頻率回傳至數(shù)據(jù)中心，如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)示意圖

以油田作業(yè)區(qū)為計(jì)算樣本，每年對(duì)產(chǎn)量計(jì)量?jī)x器的維護(hù)需花費(fèi)100萬(wàn)元以上。基于實(shí)時(shí)在線三相流量計(jì)的油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上線后，每年可節(jié)約各類設(shè)備維護(hù)費(fèi)用30萬(wàn)元，減少儀器維護(hù)更換費(fèi)用20萬(wàn)元，綜合經(jīng)濟(jì)效益近50萬(wàn)元/年，相關(guān)成本下降近50%。

4　總結(jié)

（1）基于三相流量計(jì)的油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在油田得到了較好應(yīng)用。與傳統(tǒng)的先分離后計(jì)量方式相比，三相流量計(jì)能夠模擬預(yù)測(cè)油、氣、水產(chǎn)量變化趨勢(shì)，相關(guān)指標(biāo)全部基于24小時(shí)真實(shí)計(jì)量數(shù)據(jù)獲得。

（2）新系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守；此外，本地生產(chǎn)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示，異常報(bào)警；倒井計(jì)量制度支持定制，實(shí)現(xiàn)智能倒井控制和遠(yuǎn)程啟停管理，極大地提高了現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量的自動(dòng)化程度。

（3）利用一體化倒井控制柜替換傳統(tǒng)的倒井控制柜和計(jì)量控制柜，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量流程的簡(jiǎn)化，提高了設(shè)備運(yùn)維的便利性，降低了設(shè)備投資成本，桶油操作費(fèi)用進(jìn)一步降低，為油田公司創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

作者簡(jiǎn)介：

韓宏志（1982-），男，黑龍江人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于中國(guó)石油昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，主要從事石油行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型咨詢及項(xiàng)目管理工作。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年11月刊