基于云計(jì)算的油井智能間抽控制系統(tǒng)

閆 瑩，杜 森，李來富，何 渡，張鈺哲

（1.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.延長(zhǎng)油田股份有限公司 靖邊采油廠，陜西 靖邊 718500；3.延長(zhǎng)油田股份有限公司 定邊采油廠，陜西 榆林 718600；4.西安海聯(lián)石化科技有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

隨著油田開發(fā)進(jìn)入中后期，受地層能量降低等因素影響，油井容易出現(xiàn)供液不足現(xiàn)象，經(jīng)常會(huì)因?yàn)橐后w不足而出現(xiàn)液擊甚至空抽現(xiàn)象，油井無效運(yùn)行不僅能耗高，更導(dǎo)致設(shè)備磨損加劇，造成資源浪費(fèi)[1]。對(duì)于典型的低滲透、低壓、低豐度“三低”特征油田，通過周期性停井待動(dòng)液面恢復(fù)到一定位置后再開井的間歇方式生產(chǎn)，在確保產(chǎn)量的同時(shí)大幅降低了生產(chǎn)能耗[2]。目前，國(guó)內(nèi)油田以勝利油田、華北油田、大慶油田、長(zhǎng)慶油田為代表，在快速發(fā)展和研究各具特色的間抽技術(shù)，形成了電參間抽、電參+功圖間抽、電參+功圖+動(dòng)液面間抽、不停機(jī)間抽（電參+功圖+變頻）、定時(shí)間抽、邊緣計(jì)算間抽等多種間抽模式[3]。間抽制度以經(jīng)驗(yàn)為主，間開周期相對(duì)固定，管理粗放、液面波動(dòng)大，影響穩(wěn)產(chǎn)和節(jié)能降耗效果。

無論是人工間抽模式，還是電參、功圖、液面智能控制間抽模式，每口油井需要一臺(tái)控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控，導(dǎo)致油井間抽投入成本高，采油效率低且造成極大的人工浪費(fèi)。因此，為滿足不同井況低產(chǎn)、低效油井對(duì)間抽制度的個(gè)性化需求，尋找科學(xué)合理的間開周期和節(jié)能措施，不斷提高油井產(chǎn)量和泵效，實(shí)現(xiàn)低投入高產(chǎn)出是重中之重[4]。為此，研發(fā)了一種基于云計(jì)算的油井智能間抽控制系統(tǒng)，可完成單井?dāng)?shù)據(jù)采集和井場(chǎng)多井?dāng)?shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控，云端平臺(tái)處理作業(yè)區(qū)塊油井三相電參、功圖、動(dòng)液面等，判斷每口油井供液能力和井筒排液能力，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算群控批量油井智能間抽控制，確定油井最佳的間抽制度和產(chǎn)量，保持能耗最低。云計(jì)算群控智能間抽技術(shù)在油田的開發(fā)與生產(chǎn)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 基于云計(jì)算的油井智能間抽控制系統(tǒng)構(gòu)成

基于云計(jì)算的油井智能間抽控制系統(tǒng)分為井口智能采集與控制單元、井場(chǎng)智能監(jiān)控單元和云計(jì)算智能監(jiān)控平臺(tái)三部分。井口智能采集與控制單元主要由井口采集設(shè)備、傳感器和抽油機(jī)設(shè)備等組成。其主要作用是采集每口單井的動(dòng)液面、示功圖、三相電參、壓力等數(shù)據(jù)以及控制抽油機(jī)間抽。井場(chǎng)智能監(jiān)控單元是各模塊之間通信的主要橋梁，通過WiFi 網(wǎng)絡(luò)和RS 485 通信將各模塊之間緊密連接。每口井采集的數(shù)據(jù)通過WiFi 網(wǎng)絡(luò)傳輸至井場(chǎng)智能監(jiān)控單元，該單元旨在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井場(chǎng)每口井的運(yùn)行狀況。云計(jì)算智能監(jiān)控平臺(tái)主要由后臺(tái)服務(wù)器、SCADA 系統(tǒng)和遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)組成。SCADA 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器收到指令后進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、處理，再將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)，方便用戶或工作人員隨時(shí)查看任意時(shí)刻的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。云計(jì)算油井智能間抽控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 云計(jì)算油井智能間抽控制系統(tǒng)構(gòu)成

2 云計(jì)算智能間抽控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

云計(jì)算智能間抽控制系統(tǒng)硬件由三部分構(gòu)成：井口智能采集與控制單元、井場(chǎng)智能監(jiān)控單元和云計(jì)算智能監(jiān)控平臺(tái)。通過對(duì)實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面采集，包括實(shí)時(shí)功圖、三相電參、動(dòng)液面、油套壓等數(shù)據(jù)，在井場(chǎng)智能監(jiān)控單元完成產(chǎn)液量實(shí)時(shí)計(jì)算、耗電量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，基于實(shí)時(shí)動(dòng)液面進(jìn)行連續(xù)準(zhǔn)確測(cè)量，結(jié)合油井滲透規(guī)律動(dòng)態(tài)尋優(yōu)間抽生產(chǎn)制度[5]。

2.1 井口智能采集控制單元

井口智能采集控制單元硬件組成包括電源供應(yīng)模塊、數(shù)據(jù)采集與處理單元、WiFi 通信模塊、間抽控制啟停模塊以及各傳感器模塊[6]。單元硬件組成如圖2 所示。

圖2 井口智能采集與控制單元硬件組成

2.2 井場(chǎng)智能監(jiān)控單元

井場(chǎng)智能監(jiān)控單元硬件設(shè)計(jì)包括電源供應(yīng)模塊、語音模塊、4G 網(wǎng)絡(luò)通信模塊以及各井口RTU 和井場(chǎng)RTU。通常井口采集的動(dòng)液面、壓力、三相電參和功圖等數(shù)據(jù)會(huì)通過WiFi網(wǎng)絡(luò)傳輸至井場(chǎng)智能監(jiān)控單元。該單元會(huì)實(shí)時(shí)集中監(jiān)測(cè)各井口數(shù)據(jù)，通過井場(chǎng)能源智能動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)和單井智能采油控制最大限度保證井場(chǎng)的生產(chǎn)工況。井場(chǎng)智能監(jiān)控單元硬件組成如圖3 所示。

圖3 井場(chǎng)智能監(jiān)控單元硬件組成

2.3 云計(jì)算智能監(jiān)控平臺(tái)

云計(jì)算智能監(jiān)控平臺(tái)是一種基于云計(jì)算技術(shù)的智能監(jiān)控平臺(tái)，該平臺(tái)的主要作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計(jì)算與分析。其主要由電源供應(yīng)模塊、服務(wù)器集群、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和4G 通信模塊組成。井口數(shù)據(jù)通過井場(chǎng)RTU 傳輸至云計(jì)算智能監(jiān)控平臺(tái)，該平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與計(jì)算，基于云端大數(shù)據(jù)耦合油井供液能力和井筒排液能力，計(jì)算油井產(chǎn)液恢復(fù)規(guī)律，下發(fā)間抽指令來控制抽油機(jī)的啟停，實(shí)現(xiàn)群控批量油井智能間抽控制[7]。云計(jì)算智能監(jiān)控平臺(tái)硬件組成如圖4 所示。

圖4 云計(jì)算智能監(jiān)控平臺(tái)硬件組成

3 云計(jì)算油井智能間抽控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 云計(jì)算油井智能間抽控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成

基于云計(jì)算的油井智能間抽控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，其由多個(gè)模塊組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)采油工藝和設(shè)備的智能監(jiān)控、控制和優(yōu)化。其組成包括數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、智能監(jiān)控模塊和云計(jì)算模塊。云計(jì)算模塊含有功圖計(jì)算模型、動(dòng)液面計(jì)算模型、間抽采油控制模型和三相電參等模塊[8]。云計(jì)算模塊將傳感器采集的大量數(shù)據(jù)通過無線終端網(wǎng)絡(luò)傳輸至云計(jì)算中心，云計(jì)算中心將接收的動(dòng)液面、電參等數(shù)據(jù)通過云端技術(shù)耦合能力進(jìn)行處理與分析，之后下發(fā)反饋命令至抽油機(jī)各控制器，抽油機(jī)根據(jù)控制器下發(fā)的指令進(jìn)行工作調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分布式計(jì)算和存儲(chǔ)能力，提高其可能性和可伸縮性。云計(jì)算油井智能間抽控制軟件構(gòu)成如圖5 所示。

圖5 基于云計(jì)算油井智能間抽控制軟件構(gòu)成

3.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與傳輸程序定時(shí)采集各單井?dāng)?shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)字濾波、A/D 轉(zhuǎn)換后進(jìn)行封包加密，WiFi 傳輸至后臺(tái)服務(wù)器，服務(wù)器通過云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行井場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理與分析，并將計(jì)算結(jié)果送至井口控制器，控制器下發(fā)間抽指令控制抽油機(jī)間抽，實(shí)現(xiàn)油井批量間抽。數(shù)據(jù)采集與傳輸程序流程如圖6 所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集與傳輸程序流程

3.3 智能監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

我國(guó)大多數(shù)抽油機(jī)都融入了智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過智能監(jiān)控系統(tǒng)采集油田油井現(xiàn)場(chǎng)信息，進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的全程實(shí)時(shí)監(jiān)控[9]。智能監(jiān)控程序設(shè)計(jì)是將采集的各井口數(shù)據(jù)通過WiFi 傳輸至智能監(jiān)控控制中心，該控制中心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相電參、動(dòng)液面、壓力、功圖等，并將數(shù)據(jù)融合后上傳至云平臺(tái)，通過計(jì)算判斷油井供液能力和井筒排液能力，確定油井產(chǎn)液恢復(fù)規(guī)律，制定間抽制度，實(shí)現(xiàn)群控批量油井智能間抽控制。智能監(jiān)控程序流程如圖7 所示。

圖7 智能監(jiān)控程序流程

3.4 云計(jì)算程序設(shè)計(jì)

云計(jì)算程序?qū)⒏骶畧?chǎng)數(shù)據(jù)通過4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸至云計(jì)算平臺(tái)，該平臺(tái)基于云端技術(shù)耦合能力判斷油井供液能力和井筒排液能力，計(jì)算油井動(dòng)液面值并確定油井產(chǎn)液恢復(fù)規(guī)律，生成間抽控制指令，下發(fā)至各控制器，最終實(shí)現(xiàn)群控批量油井智能間抽控制。云計(jì)算程序流程如圖8 所示。

圖8 云計(jì)算程序流程

4 基于云計(jì)算油井智能間抽采油實(shí)施效果

在陜北油田某作業(yè)區(qū)選擇200 口典型“三低”油井，進(jìn)行基于云計(jì)算油井智能間抽采油實(shí)驗(yàn)。從井口采集三相電參、功圖、動(dòng)液面等，通過WiFi 傳輸至井場(chǎng)智能監(jiān)控箱，實(shí)時(shí)集中監(jiān)測(cè)各井場(chǎng)數(shù)據(jù)并通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至云計(jì)算平臺(tái)。云計(jì)算平臺(tái)對(duì)電參、功圖、動(dòng)液面等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，并借助油井供液能力和井筒排液能力等計(jì)算油井產(chǎn)液恢復(fù)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算群控批量油井智能間抽控制[10]。

間抽前后數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表1 所列。間開前油井輸入有功功率平均值為2.66 kW，系統(tǒng)效率平均值為17.04%，產(chǎn)液?jiǎn)魏钠骄禐?7.74 kW· h/t。間開后油井輸入有功功率平均值為3.52 kW，系統(tǒng)效率平均值為19.91%，產(chǎn)業(yè)單耗平均值為21.76 W·h/t，綜合節(jié)能率26.42%，系統(tǒng)效率提升2.87%。云計(jì)算油井智能間抽控制系統(tǒng)通過云計(jì)算平臺(tái)集中處理示功圖、動(dòng)液面、電參等數(shù)據(jù)來監(jiān)測(cè)油井液面，從而判斷是否進(jìn)行間抽采油。相比于傳統(tǒng)的間抽控制，云計(jì)算智能間抽能有效減少耗能，提高系統(tǒng)工作效率。

表1 智能間抽采油實(shí)施效果

間抽實(shí)施效果如圖9 所示。

圖9 間抽實(shí)施效果

5 結(jié) 語

文中提出了一種基于云計(jì)算的油井智能間抽控制系統(tǒng)。通過采集的油井?dāng)?shù)據(jù)判斷油井供液能力和井筒排液能力，計(jì)算油井產(chǎn)液恢復(fù)規(guī)律，確定間抽制度，實(shí)現(xiàn)油井智能間抽控制。該系統(tǒng)解決了在低滲透油田中傳統(tǒng)抽油機(jī)存在的運(yùn)行效率低、浪費(fèi)電能和實(shí)時(shí)控制滯后等問題，降低了設(shè)備損耗，提升了抽油效率。

該系統(tǒng)通過井場(chǎng)智能RTU 將各井口數(shù)據(jù)通過4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸至云計(jì)算平臺(tái)，在該平臺(tái)基于云端耦合對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理與分析，生成間抽控制指令并下發(fā)至各井口控制器，實(shí)現(xiàn)群控批量油井智能間抽。此舉有效提高了油井的生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性，進(jìn)一步推動(dòng)了油田的可持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)和發(fā)展。