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      降低電磁流量計系統建設和維護成本分析

      來源:作者:發表時間:2020-11-03 15:32:30

           [摘 要]隨著流量計技術的日益成熟,國內大型油氣生產集團都在大力開展油氣生產流量計系統的建設,并且取得顯著的 效果和良好的經濟效益。 但同時也存在著明顯的問題,那就是流量計系統建設費用巨大,成本高昂,如何降低其建設成本具有重要的意義。 本文從油田中數量最多的抽油井出發,分析抽油機流量計系統系統結構,從減少傳感器和采用適宜的傳輸技 術等方面,提出了降低其流量計系統建設和維護成本的方法。

          引 言
          流量計技術是近些年新興的信息技術, 在油田的生產管理 中起到了重要的作用,提高了工作效率,優化了勞動組織結構, 減少了一線用工量,為油田生產的精細化管理提供了手段,達到 “增產、增效、不增員,節能、節約、降成本”的目的。

          國內的大型石油公司高度重視油氣生產流量計系統建設, 提出了要深入推進數字化、可視化、自動化、智能化發展,實現生產運行從人工值守向人機結合和無人值守轉變, 要實現這種轉 變,就需要建設流量計系統。 在大型石油司里,擁有眾多的油氣田,各種油水井數量巨大,從幾萬口到幾十萬口,還擁有眾多的 配水間、轉油站和油氣處理站等大中小型站場,整個系統建設費用巨大,動輒需要數億元,甚至幾十億元,后期的維護費用也非 常龐大,如何降低流量計系統的建設和維護費用就非常有意義。

           經過統計,在油田的油井、氣井和水井中,電磁流量計包括稀油電磁流量計和稠油生產井(也是電磁流量計),在油田的總井數中 占了 80%以上,是油田的生產主力,其流量計系統的建設費用在 整個費用占了很大的比重, 如何降低這三類井的流量計建設成 本成為流量計系統建設研究的重要方向。

          1 電磁流量計系統構成
          主 要 組 成 單 元 :遠 程 控 制 單 元 (RTU),載 荷 傳 感 器 (示 功 儀),油壓變送器,套壓變送器,溫度變送器,攝像頭。 傳感器數據 傳輸有兩種方式:有線或無線(ZigBee、4G、LoRaWAN 或 BN-IOT等)。 如圖 1 所示。 數據上傳方式:有線傳輸(光纜)或者無線傳輸(網橋、WIFI、4G、LoRaWAN 或 BN-IOT 等)。

          主要實現功能:遠程電子巡井,遠程操控實現不正常井及時發現,節能優化輔助判斷。 電磁流量計系統技術成本主要由傳感器和數據上傳網 絡兩部分部分構成, 只要能降低這兩部分的成本就可以有效地降低電磁流量計的流量計建設成本, 進而達到降低油氣生產物聯 網系統的建設成本。

       

      抽油機井物聯網系統

          2 降低成本的方法分析
          2.1 數據上傳網絡選擇
          兩種方式:自建網絡和公用網絡(電信運營商網絡)。
          自建網絡:①國內油田的油區有很多都位于沙漠、戈壁或高 原,人煙稀少,沒有社會依托,只能自行建設。 ②電信運營商網絡 無法滿足油區內大數量、高并發的數據業務。 ③數據保密和工業網絡安全的需要。 自建網絡建設難度大,但可控性好,能夠滿足數據保密和工業網絡安全的需要,但建設成本高,運行和維護成本高。

          電信運營商網絡:在有社會網絡環境依托條件下的油區,可 以采用。 租用運營商成熟穩定覆蓋面廣的傳輸網絡,建設資金中 基本沒有網絡建設費用, 油氣生產流量計建設可以集中在前端 采集方面,同時建設難度隨之降低,同時降低傳輸網絡運維費用 和維護人員數量。 在今后的流量計系統建設中,在保障安全的基礎上,大量采 用電信運營商網絡是必然的趨勢。

          2.2 減少傳感器數量
          2.2.1 合理選擇采集參數
          隨著油田開發階段不同,生產井的工況也不同,采集參數選擇也有區別。 每個油田按照地質條件、區塊、開采方式合理選 擇采集參數,降低傳感器數量,也就降低了建設成本,同時也降 低了后期運行維護費用。 例如,現在很多油田都實現了井口常溫 輸送,就可以不采集井口的出液溫度,減少溫度傳感器。

           2.2.2 制定合理的采集周期 目前各個油田前端采集數據的采集周期按照生產要求和現場工況制定,通常設定為溫度和壓力每三分鐘采集一次,功圖數 據每 30 分鐘采集一次。 國內的油田很多處于開發后期,含水很 高,但單井工況很穩定,只要仔細地研究和分析,完全可以進一 步優化采集周期,比如:溫度和壓力每 10 分鐘或者 15 分鐘采集 一次。 對于無線儀表來說,降低采集頻次意味著延長電池的使用 壽命。 電池在流量計運維中占有一定的工作量和更換費用,同 時,也影響現場數據采集,制定合理的采集頻次可以延長儀表的 在用時間,也避免重復提取數據。

          2.2.3 傳感器集成 電參模塊+抽油機啟停模塊:將啟停模塊和電參模塊進行集 成,在施工費、材料費減少的同時,也能滿足監控油井狀態。 溫度+壓力傳感器:溫壓一體傳感器,一個傳感器實現兩個 傳感器的功能。 監控功能前移: 傳感器的高低限值通常是有生產監控系統 實現,現在,也可以直接在傳感器的電路中實現,如:設定溫度的 上下限,溫度波動在上下限內,就不上傳數據,這樣就可以大大減少數據的上傳,有利于降低無線傳感器的功耗,延長電池的使 用壽命,從而降低維護成本。這樣的技術在單井的使用,實現了流量計系統的功能,減少 了傳感器的數量,明顯降低了建設成本。

          2.2.4 電工圖解算功圖 電參數作為電磁流量計的基本運行參數, 是數字化的必裝傳 感器,具有采集成本低、數據采集頻率高及數據穩定等特點。 采 用人工智能技術對海量的電參數據進行深入分析和挖掘, 可以解算出電磁流量計的示功圖,通過不斷的學習,可以實現電參解算出的示功圖精度,達到示功儀的精度,滿足判斷電磁流量計泵工作是否正常、判斷抽油機是否平衡及工況診斷等生產應用的要求。 此項技術已經研究了很多年,目前已經取得了很大的進展。 在油田上目前已經開始試點, 此技術的使用可以大量減少示功 儀的安裝使用,能夠顯著降低電磁流量計的流量計建設成本。

          2.2.5 網絡傳輸技術結合傳感器技術
          結合無線傳感器技術和無線傳輸技術, 傳感器數據不經過RTU,直接透傳到無線網關。 這種方法就取消了 RTU,是一個費 用較高的設備,沒有了它,就可以有效地降低電磁流量計的單井造 價。 這種技術已經在油田得到了應用。 主要由兩種方式:NB-IOT和 LORAWAN 技術。NB-IOT 網絡由電信運營商負責建設,具有如下特點:

          (1)強鏈接:在同一基站的情況下,NB-IOT 可以比現有無線技術提供 50-100 倍的接入數。 一個扇區能夠支持 10 萬個連接, 支持低延時敏感度、低設備功耗和優化的網絡架構。

          (2)覆蓋廣。 NB-IOT 室內、地下室覆蓋能力強,相比 LTE 提 升 20dB 增益,相當于提升了 100 倍覆蓋區域能力。 不僅可以滿 足農村這樣的廣覆蓋需求,對于廠區、地下車庫、井蓋這類對深 度覆蓋有要求的應用同樣適用。 以井蓋監測為例,過去 GPRS 的 方式需要伸出一根天線,容易被來往車輛損壞,而 NB-I0T 只要 部署得當,就可以很好地解決這一難題。 眾山科技在智能井蓋監 測方面為多個城市提供設備和解決方案。

          (3)低功耗。 低功耗特點是流量計應用一項重要指標要求, 特別是對于一些不能經常更換電池的設備及場合, 比如安置于 高山荒野偏遠地區中的各類傳感監測設備和電力電壓監測設 備,它們不可能像智能手機一天一充電,因此長達幾年的電池使 用壽命是最本質的需求。 NB-IOT 聚焦小數據量、小速率應用,因 此 NB-IOT 設備功耗可以做到非常小, 設備續航工作時間可以
      從過去的幾個月大幅提升到幾年。

          (4)低成本。 NB-IOT 不需要重新建網,射頻和天線基本上都 是復用的。 以中國移動為例子,900MHz 里面有一個比較寬的頻 帶, 只需要清出來一部分 2G 的頻段, 就可以直接進行 LTE 和NB-IOT 的同時部署。 低速率、低功耗、低帶寬同樣給 NB-IOT 芯 片以及模塊帶來低成本優勢。

       

      NB-LOT的結構圖

          圖 2 是 NB-IOT 的結構圖, 從圖中看到相對于傳統流量計 組網方式,網絡部署減少了所有中間環節,成本低、可靠性高,低 功耗保證了電池使用壽命,運營商網絡支撐保證終端實時在線。LoRaWAN 技術和網絡具有和 NB-IOT 類似的優點,不同之 處在于,國內主要由企業自己組網和維護。 其架構圖如圖 3 所示。

       

      LORaWAN技術架構圖

          相對于傳統流量計組網方式,減少了 RTU(CPE,基站等),成本低、可靠性高,低功耗保證了電池使用壽命,有效地降低了 流量計系統的建設和維護成本。

          3 結 語
          綜合以上的分析可以得出, 通過多種方法是可以有效地降低電磁流量計系統建設成本, 并且在未來還有繼續改進的余地,隨著新的傳輸技術和新的傳感器技術的發展和發明,還可以進一步降低成本。

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