基于戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的油田生產(chǎn)信息自動(dòng)化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高云

摘 要： 傳統(tǒng)油田生產(chǎn)采用的人工巡檢方式早已不能滿足新時(shí)期戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的需求，因此現(xiàn)代油田生產(chǎn)管理正逐步向自動(dòng)化、信息化和智能化的管理模式轉(zhuǎn)變。根據(jù)江蘇油田的具體生產(chǎn)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種生產(chǎn)信息自動(dòng)化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以油田現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備抽油機(jī)井為數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控對(duì)象，通過(guò)無(wú)線示功儀獲取示功圖相關(guān)信息，并最終通過(guò)B/S模式對(duì)外發(fā)布，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化。

關(guān)鍵字： 戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型； 油田生產(chǎn)信息； 自動(dòng)化管理系統(tǒng)； 示功儀

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）14?0064?04

Design of automation management system for oil field production information

based on strategic transformation

GAO Yun

（Business School of Hohai University， Nanjing 211100， China）

Abstract：Manual inspection method used in traditional oil field production already cannot satisfy the needs of strategic transformation in the new period， so the modern oil field production management has changed gradually to automation， informatization and intelligent management mode. According to the specific production status quo of Jiangsu Oil Field， an automation management system of production information was designed. Taking the oil field production equipment， well pumping unit as the object of data acquisition and monitoring， the relevant information on indicator diagram is got with a wireless indicator instrument of the system， and released in B/S mode to realize automation of the whole process.

Keywords： strategic transformation； oil field production information； automation management system； indicator instrument

0 引 言

在當(dāng)今中國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型時(shí)期，對(duì)那些在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著支柱性作用的傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行戰(zhàn)略變革的呼聲日益高漲。由于全球石油消耗的加劇和國(guó)內(nèi)外地下儲(chǔ)油資源的不斷開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致了石油的開(kāi)采難度逐漸增大，這對(duì)石油的生產(chǎn)管理提出了更高的要求。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化領(lǐng)域的日趨成熟，為石油的生產(chǎn)管理提供了新的機(jī)遇。在此背景下，針對(duì)石油的生產(chǎn)管理，能夠設(shè)計(jì)一套對(duì)生產(chǎn)狀況進(jìn)行高效、精確的計(jì)量，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的自動(dòng)化管理系統(tǒng)則極具重要性和必要性。江蘇油田是一個(gè)典型的復(fù)雜小斷塊油田，由于地殼曾出現(xiàn)多次的坳陷和斷陷[1]，油井分布較散，同時(shí)油田開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)變化大、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)變化快，一直以來(lái)自動(dòng)化程度較低。

基于江蘇油田的具體生產(chǎn)現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種生產(chǎn)信息自動(dòng)化管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成概述

整個(gè)生產(chǎn)信息自動(dòng)化管理系統(tǒng)由以下三部分組成：

（1） 數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集分為底層的硬件設(shè)備采集和上位機(jī)的軟件數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)傳輸方式分為有線和無(wú)線兩種：當(dāng)設(shè)備離中控室較近時(shí)，采用有線形式的PLC和485/232來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；站外由于油井分布較散、地理位置偏僻等環(huán)境因素的制約，有線數(shù)據(jù)傳輸實(shí)施難度大、成本高，則采用無(wú)線傳輸形式。無(wú)線傳輸多使用433電臺(tái)、GPRS、藍(lán)牙等方式。上位機(jī)把采集來(lái)的數(shù)據(jù)存入本地的服務(wù)器。

（2） 診斷量油。主要利用人工智能，包括相應(yīng)的數(shù)學(xué)理論知識(shí)和圖形學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)出的一套診斷量油算法。本文在設(shè)計(jì)時(shí)，選用示功圖量油算法，通過(guò)這種診斷量油算法，油田用戶能夠知道油井的工作狀態(tài)，比如工作正常、上碰泵、供液不足、油管漏失等，還能獲得該油井的單井產(chǎn)量。

（3） Web發(fā)布。Web后臺(tái)程序可以把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、單井產(chǎn)量以及油井的工作狀況通過(guò)網(wǎng)頁(yè)的形式發(fā)布。Web程序還提供了歷史數(shù)據(jù)查詢、油井的參數(shù)配置和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能，每天自動(dòng)生成報(bào)表，方便系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理。油田中控室的工作人員只需要打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)，就可以實(shí)時(shí)地了解站外油井和站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀況，同時(shí)通過(guò)內(nèi)部局域網(wǎng)，內(nèi)部用戶可以根據(jù)自己的權(quán)限登錄到網(wǎng)頁(yè)查詢自己所需要的數(shù)據(jù)，提高了工作效率。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的油田自動(dòng)化管理系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 油田自動(dòng)化管理系統(tǒng)架構(gòu)

從上面的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖，可以看出系統(tǒng)硬件主要包括：終端節(jié)點(diǎn)、無(wú)線接收端、站外平臺(tái)、中控室以及小隊(duì)值守平臺(tái)的通信接線布置。中控室還包括了數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和Web服務(wù)器等。油田生產(chǎn)信息系統(tǒng)的軟件部分包括上位機(jī)數(shù)據(jù)采集、診斷量油專家系統(tǒng)和Web后臺(tái)發(fā)布。由于使用了B/S模式，更容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)，操作簡(jiǎn)單方便[2]。

3 系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)

從圖1可以看出，整個(gè)自動(dòng)化管理系統(tǒng)分為硬件模塊和軟件模塊兩部分。下面闡述每一部分模塊的功能：

3.1 硬件模塊

在油田生產(chǎn)信息自動(dòng)化管理系統(tǒng)中，硬件模塊是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心部分。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)都是來(lái)自于此，這個(gè)模塊肩負(fù)了數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送功能，所以硬件設(shè)備是系統(tǒng)得以運(yùn)行的基本保障。江蘇油田生產(chǎn)信息自動(dòng)化管理系統(tǒng)中需要運(yùn)用的硬件設(shè)備包括：

（1） 無(wú)線示功儀。無(wú)線示功儀主要負(fù)責(zé)采集油井的功圖數(shù)據(jù)，其中包括了油井的沖程、沖次、是否停機(jī)等信息。

（2） 無(wú)線溫壓儀。無(wú)線溫壓儀主要負(fù)責(zé)采集輸油管線的溫度和壓力數(shù)據(jù)，該設(shè)備的量程范圍是：溫度在0～100 ℃，壓力范圍是0～3.5 MPa。

（3） 無(wú)線電測(cè)儀。無(wú)線電測(cè)儀主要負(fù)責(zé)采集抽油機(jī)井的電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)，包括抽油機(jī)沖程周期內(nèi)的電流大小、上下沖程中電流的最大值和最小值、電動(dòng)機(jī)的電壓大小、有功功率、無(wú)功功率等。

（4） 無(wú)線雙壓儀。無(wú)線雙壓儀主要負(fù)責(zé)采集注水井井口上油管的壓力和套管的壓力數(shù)據(jù)，二者的壓力范圍均為0～40 MPa。

3.2 軟件模塊

油田生產(chǎn)信息自動(dòng)化管理系統(tǒng)的軟件功能主要有：能夠?qū)崿F(xiàn)油井單井產(chǎn)量的計(jì)算、故障診斷與報(bào)警、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控、歷史信息的分析以及報(bào)表的生成、可以完成對(duì)用戶的管理和配置。軟件模塊主要包括：

（1） 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集是屬于軟件系統(tǒng)模塊中的核心模塊，前文所述的硬件模塊的信息都是要通過(guò)這個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)存入到上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中去。該模塊部分代碼如下：

/**數(shù)據(jù)采集模塊*/

public class Massure{

float[] arr； //示功儀采集到的點(diǎn)

float s； //功圖面積

get_wellList（）{}； //讀取油井列表

public float area_calc（float[] arr）{...return s；} //計(jì)算功圖面積s

public double get_theory_v{float s}{... return v；}

//計(jì)算理論排量v

public do_measure（）{...} //計(jì)算實(shí)際產(chǎn)量

public re_to_DB（）{...} //把計(jì)量結(jié)果放進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)

}

（2） 功圖診斷模塊和量油模塊

該模塊主要是運(yùn)用采集回來(lái)的功圖信息，對(duì)油井的工作狀況進(jìn)行分析。下面的章節(jié)會(huì)詳細(xì)的分析如何用功圖診斷模塊對(duì)油井進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。功圖數(shù)據(jù)不僅僅可以用來(lái)診斷油井的工況，還可以用來(lái)分析油井的量油產(chǎn)量，量油模塊的作用便是如此。診斷模塊功能部分偽代碼如下：

/**診斷模塊*/

public class diag{

public get_wellList（）{...}； //讀取油井列表

public get_data_from_DB（）{...}；

//從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取油井信息，包括產(chǎn)量和示功圖等

public update_welltime（）{...}； //更新油井?dāng)?shù)據(jù)時(shí)間

public do_diag（）{...} //量油診斷程序

public data_to_DB（）{...} //把結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫(kù)

}

量油模塊的算法流程如圖2所示。

圖2 量油模塊的算法流程圖

（3） 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和Web發(fā)布模塊。

該模塊主要是用來(lái)存儲(chǔ)上位機(jī)處理后的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)Web發(fā)布模塊來(lái)顯示給用戶，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示等功能。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)使用C和C++編寫，并使用了多種編譯器進(jìn)行測(cè)試，保證源代碼的可移植性；且支持AIX，F(xiàn)reeBSD，Windows等多種操作系統(tǒng)，支持多線程，并為多種編程語(yǔ)言提供了API。

4 功圖模塊詳解

目前最新的油田量油技術(shù)是基于地面示功圖和泵示功圖以及故障診斷技術(shù)發(fā)展而來(lái)的功圖量油法來(lái)獲取油井產(chǎn)量并進(jìn)行油井工況分析。通過(guò)功圖量油法和計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)油井遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、液量自動(dòng)計(jì)量及分析，提高油田自動(dòng)化管理水平，降低產(chǎn)能建設(shè)投入和運(yùn)行成本，并最終達(dá)成提高油井系統(tǒng)生產(chǎn)效率的目的。功圖量油模塊是本文信息自動(dòng)化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)靜載示功圖如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)靜載示功圖

功圖計(jì)量的原理如下：將油井有桿泵抽油系統(tǒng)視為一個(gè)包含抽油桿，油管和井液三個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)在內(nèi)的復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，在一定邊界條件和一定的初始條件下，對(duì)外部激勵(lì)（地面示功圖）產(chǎn)生響應(yīng)（泵示功圖）。通過(guò)建立油井有桿泵抽油系統(tǒng)的力學(xué)數(shù)學(xué)模型[3?5]（波動(dòng)方程），計(jì)算出給定系統(tǒng)在不同井口示功圖激勵(lì)下的泵功圖響應(yīng)，然后對(duì)此泵示功圖進(jìn)行定量分析，判斷游動(dòng)閥、固定閥開(kāi)閉點(diǎn)的位置，確定泵的有效沖程，充滿系數(shù)，氣體影響等參數(shù)，計(jì)算泵的排液量，進(jìn)而求出地面折算的有效排量。油田自動(dòng)化診斷流程圖如圖4所示[6]。

圖4 功圖診斷基本流程

在油田的生產(chǎn)中，由于油井工作狀態(tài)和工作環(huán)境的不同，示功圖也會(huì)顯示不同的形狀，根據(jù)示功圖的形狀不同，通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別，便可以實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)狀況的診斷和監(jiān)控。

圖5是常見(jiàn)的功圖形狀及對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)狀況?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際功圖可以按照?qǐng)D中所示形狀通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行匹配和識(shí)別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)診斷和量油。

圖5 常見(jiàn)功圖類型

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與總結(jié)

油田生產(chǎn)信息自動(dòng)化管理系統(tǒng)在油田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，并獲得了良好的效果。采集的一些現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖如圖6和圖7所示。

圖6 系統(tǒng)主界面

在產(chǎn)量計(jì)量方面，不僅擺脫了傳統(tǒng)計(jì)量站量油基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本高的困境，并且提高了計(jì)量精度；在生產(chǎn)信息管理方面，通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合的方式，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的工作強(qiáng)度，有助于提高油田生產(chǎn)效率，同時(shí)受到了工作人員的良好評(píng)價(jià)。

圖7 流程圖界面

6 結(jié) 語(yǔ)

隨著信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展和時(shí)代的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型要求，信息數(shù)字化概念開(kāi)始在國(guó)內(nèi)能源行業(yè)領(lǐng)域被廣泛接受[7]，油田生產(chǎn)管理正逐漸朝向更高自動(dòng)化要求的方向發(fā)展。本文所設(shè)計(jì)的油田生產(chǎn)信息自動(dòng)化管理系統(tǒng)亦需要不斷地完善和更新，以適應(yīng)不斷提高的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱平.江蘇油田油氣藏基本特征及其分類[J].斷塊油氣田，2001（5）：12?15.

[2] 何玉發(fā)，趙正文，劉清友，等.基于B/S模式的有桿抽油泵故障診斷系統(tǒng)研制[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005（21）：144?146.

[3] GIBBS S G. Predicting the behavior of sucker?rod pumping systems [J]. Journal of Petroleum Technology， 1963， 15（7）： 769?778.

[4] GIBBS S G， NEELY A B. Computer diagnosis of down?hole conditions in sucker rod pumping wells [J]. Journal of Petroleum Technology， 1966， 18（1）： 91?98.

[5] GIBBS S G. Method of determining sucker rod pump performance： US， 3343409 [P]. 1967?9?26.

[6] 劉中華，盛賽斌.故障特征提取的方法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2004，30（11）：19?21.

[7] 劉棟，趙晶.基于移動(dòng)通信網(wǎng)的油田監(jiān)控管理系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（11）：36?39.

圖5是常見(jiàn)的功圖形狀及對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)狀況?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際功圖可以按照?qǐng)D中所示形狀通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行匹配和識(shí)別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)診斷和量油。

圖5 常見(jiàn)功圖類型

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與總結(jié)

油田生產(chǎn)信息自動(dòng)化管理系統(tǒng)在油田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，并獲得了良好的效果。采集的一些現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖如圖6和圖7所示。

圖6 系統(tǒng)主界面

在產(chǎn)量計(jì)量方面，不僅擺脫了傳統(tǒng)計(jì)量站量油基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本高的困境，并且提高了計(jì)量精度；在生產(chǎn)信息管理方面，通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合的方式，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的工作強(qiáng)度，有助于提高油田生產(chǎn)效率，同時(shí)受到了工作人員的良好評(píng)價(jià)。

圖7 流程圖界面

6 結(jié) 語(yǔ)

隨著信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展和時(shí)代的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型要求，信息數(shù)字化概念開(kāi)始在國(guó)內(nèi)能源行業(yè)領(lǐng)域被廣泛接受[7]，油田生產(chǎn)管理正逐漸朝向更高自動(dòng)化要求的方向發(fā)展。本文所設(shè)計(jì)的油田生產(chǎn)信息自動(dòng)化管理系統(tǒng)亦需要不斷地完善和更新，以適應(yīng)不斷提高的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱平.江蘇油田油氣藏基本特征及其分類[J].斷塊油氣田，2001（5）：12?15.

[2] 何玉發(fā)，趙正文，劉清友，等.基于B/S模式的有桿抽油泵故障診斷系統(tǒng)研制[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005（21）：144?146.

[3] GIBBS S G. Predicting the behavior of sucker?rod pumping systems [J]. Journal of Petroleum Technology， 1963， 15（7）： 769?778.

[4] GIBBS S G， NEELY A B. Computer diagnosis of down?hole conditions in sucker rod pumping wells [J]. Journal of Petroleum Technology， 1966， 18（1）： 91?98.

[5] GIBBS S G. Method of determining sucker rod pump performance： US， 3343409 [P]. 1967?9?26.

[6] 劉中華，盛賽斌.故障特征提取的方法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2004，30（11）：19?21.

[7] 劉棟，趙晶.基于移動(dòng)通信網(wǎng)的油田監(jiān)控管理系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（11）：36?39.

圖5是常見(jiàn)的功圖形狀及對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)狀況?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際功圖可以按照?qǐng)D中所示形狀通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行匹配和識(shí)別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)診斷和量油。

圖5 常見(jiàn)功圖類型

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與總結(jié)

油田生產(chǎn)信息自動(dòng)化管理系統(tǒng)在油田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，并獲得了良好的效果。采集的一些現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖如圖6和圖7所示。

圖6 系統(tǒng)主界面

在產(chǎn)量計(jì)量方面，不僅擺脫了傳統(tǒng)計(jì)量站量油基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本高的困境，并且提高了計(jì)量精度；在生產(chǎn)信息管理方面，通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合的方式，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的工作強(qiáng)度，有助于提高油田生產(chǎn)效率，同時(shí)受到了工作人員的良好評(píng)價(jià)。

圖7 流程圖界面

6 結(jié) 語(yǔ)

隨著信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展和時(shí)代的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型要求，信息數(shù)字化概念開(kāi)始在國(guó)內(nèi)能源行業(yè)領(lǐng)域被廣泛接受[7]，油田生產(chǎn)管理正逐漸朝向更高自動(dòng)化要求的方向發(fā)展。本文所設(shè)計(jì)的油田生產(chǎn)信息自動(dòng)化管理系統(tǒng)亦需要不斷地完善和更新，以適應(yīng)不斷提高的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱平.江蘇油田油氣藏基本特征及其分類[J].斷塊油氣田，2001（5）：12?15.

[2] 何玉發(fā)，趙正文，劉清友，等.基于B/S模式的有桿抽油泵故障診斷系統(tǒng)研制[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005（21）：144?146.

[3] GIBBS S G. Predicting the behavior of sucker?rod pumping systems [J]. Journal of Petroleum Technology， 1963， 15（7）： 769?778.

[4] GIBBS S G， NEELY A B. Computer diagnosis of down?hole conditions in sucker rod pumping wells [J]. Journal of Petroleum Technology， 1966， 18（1）： 91?98.

[5] GIBBS S G. Method of determining sucker rod pump performance： US， 3343409 [P]. 1967?9?26.

[6] 劉中華，盛賽斌.故障特征提取的方法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2004，30（11）：19?21.

[7] 劉棟，趙晶.基于移動(dòng)通信網(wǎng)的油田監(jiān)控管理系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（11）：36?39.