基于云计算的油井智能间抽控制系统.pdf

物联网技术 2023年/第12期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application840 引 言随着油田开发进入中后期，受地层能量降低等因素影响，油井容易出现供液不足现象，经常会因为液体不足而出现液击甚至空抽现象，油井无效运行不仅能耗高，更导致设备磨损加剧，造成资源浪费1。对于典型的低渗透、低压、低丰度“三低”特征油田，通过周期性停井待动液面恢复到一定位置后再开井的间歇方式生产，在确保产量的同时大幅降低了生产能耗2。目前，国内油田以胜利油田、华北油田、大庆油田、长庆油田为代表，在快速发展和研究各具特色的间抽技术，形成了电参间抽、电参+功图间抽、电参+功图+动液面间抽、不停机间抽（电参+功图+变频）、定时间抽、边缘计算间抽等多种间抽模式3。间抽制度以经验为主，间开周期相对固定，管理粗放、液面波动大，影响稳产和节能降耗效果。无论是人工间抽模式，还是电参、功图、液面智能控制间抽模式，每口油井需要一台控制设备进行数据处理与监控，导致油井间抽投入成本高，采油效率低且造成极大的人工浪费。因此，为满足不同井况低产、低效油井对间抽制度的个性化需求，寻找科学合理的间开周期和节能措施，不断提高油井产量和泵效，实现低投入高产出是重中之重4。为此，研发了一种基于云计算的油井智能间抽控制系统，可完成单井数据采集和井场多井数据传输与监控，云端平台处理作业区块油井三相电参、功图、动液面等，判断每口油井供液能力和井筒排液能力，实现云计算群控批量油井智能间抽控制，确定油井最佳的间抽制度和产量，保持能耗最低。云计算群控智能间抽技术在油田的开发与生产中具有较高的应用价值。1 基于云计算的油井智能间抽控制系统构成基于云计算的油井智能间抽控制系统分为井口智能采集与控制单元、井场智能监控单元和云计算智能监控平台三部分。井口智能采集与控制单元主要由井口采集设备、传感器和抽油机设备等组成。其主要作用是采集每口单井的动液面、示功图、三相电参、压力等数据以及控制抽油机间抽。井场智能监控单元是各模块之间通信的主要桥梁，通过 WiFi 网络和 RS 485 通信将各模块之间紧密连接。每口井采集的数据通过 WiFi 网络传输至井场智能监控单元，该单元旨在实时监测井场每口井的运行状况。云计算智能监控平台主要由后台服务器、SCADA 系统和远程智能监控平台组成。SCADA 系统采集数据并通过无线网络传输至服务器，服务器收到指令后进行数据解析、处理，再将处理后的数据发送至远程智能监控平台，方便用户或工作人员随时查看任意时刻的系统数据。云计算油井智能间抽控制系统如图 1所示。2 云计算智能间抽控制系统硬件实现云计算智能间抽控制系统硬件由三部分构成：井口智能采集与控制单元、井场智能监控单元和云计算智能监控平台。基于云计算的油井智能间抽控制系统闫 莹1，杜 森2，李来富3，何 渡4，张钰哲4（1.西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安 710065；2.延长油田股份有限公司 靖边采油厂，陕西 靖边 718500；3.延长油田股份有限公司 定边采油厂，陕西 榆林 718600；4.西安海联石化科技有限公司，陕西 西安 710065）摘 要：随着数字化智能油田建设的逐步推进，连续、准确、高精度控制抽油机间抽，提高低渗透油田抽油机运行效率，对于油田智能化开发具有重要意义。研发基于云计算的油井智能间抽控制系统，通过云计算群控实现批量油井智能间抽控制。设计了基于云计算的油井智能间抽控制系统的硬件与软件，通过井场智能 RTU 将数据传输至云计算平台，基于云端大数据耦合油井供液能力和井筒排液能力，计算油井产液恢复规律，实现批量油井智能间抽控制。实际应用表明，该系统通过云计算群控进行批量油井智能间抽控制，实现了批量油井间抽控制一井一策，降低了间抽控制投入成本，提高了间抽控制工作效率。关键词：油井；云计算；智能间抽；群控；WiFi 通信；RTU中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）12-0084-04DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.12.022收稿日期：2023-10-22 修回日期：2023-01-03基金项目：陕西省重点研发计划（2022GY-046）；陕西省自然科学基础研究计划项目（2018JQ4045）2023年/第12期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application85通过对实时生产数据进行全面采集，包括实时功图、三相电参、动液面、油套压等数据，在井场智能监控单元完成产液量实时计算、耗电量实时监测，基于实时动液面进行连续准确测量，结合油井渗透规律动态寻优间抽生产制度5。图 1 云计算油井智能间抽控制系统构成2.1 井口智能采集控制单元井口智能采集控制单元硬件组成包括电源供应模块、数据采集与处理单元、WiFi 通信模块、间抽控制启停模块以及各传感器模块6。单元硬件组成如图 2 所示。图 2 井口智能采集与控制单元硬件组成2.2 井场智能监控单元井场智能监控单元硬件设计包括电源供应模块、语音模块、4G 网络通信模块以及各井口 RTU 和井场 RTU。通常井口采集的动液面、压力、三相电参和功图等数据会通过 WiFi网络传输至井场智能监控单元。该单元会实时集中监测各井口数据，通过井场能源智能动态协调和单井智能采油控制最大限度保证井场的生产工况。井场智能监控单元硬件组成如图 3 所示。图 3 井场智能监控单元硬件组成2.3 云计算智能监控平台云计算智能监控平台是一种基于云计算技术的智能监控平台，该平台的主要作用是进行数据处理、计算与分析。其主要由电源供应模块、服务器集群、数据库模块、数据存储模块、网络设备和 4G 通信模块组成。井口数据通过井场RTU 传输至云计算智能监控平台，该平台对数据进行分析与计算，基于云端大数据耦合油井供液能力和井筒排液能力，计算油井产液恢复规律，下发间抽指令来控制抽油机的启停，实现群控批量油井智能间抽控制7。云计算智能监控平台硬件组成如图 4 所示。图 4 云计算智能监控平台硬件组成3 云计算油井智能间抽控制系统软件实现3.1 云计算油井智能间抽控制系统软件构成基于云计算的油井智能间抽控制系统是一个复杂的软件系统，其由多个模块组成，可实现对采油工艺和设备的智能监控、控制和优化。其组成包括数据采集与传输模块、智能监控模块和云计算模块。云计算模块含有功图计算模型、动液面计算模型、间抽采油控制模型和三相电参等模块8。云计算模块将传感器采集的大量数据通过无线终端网络传输至云计算中心，云计算中心将接收的动液面、电参等数据通过云端技术耦合能力进行处理与分析，之后下发反馈命令至抽油机各控制器，抽油机根据控制器下发的指令进行工作调整，以实现系统的分布式计算和存储能力，提高其可能性和可伸缩性。云计算油井智能间抽控制软件构成如图 5 所示。物联网技术 2023年/第12期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application86图 5 基于云计算油井智能间抽控制软件构成3.2 数据采集与传输程序设计数据采集与传输程序定时采集各单井数据，经数字滤波、A/D 转换后进行封包加密，WiFi 传输至后台服务器，服务器通过云计算技术进行井场数据的处理与分析，并将计算结果送至井口控制器，控制器下发间抽指令控制抽油机间抽，实现油井批量间抽。数据采集与传输程序流程如图 6 所示。3.3 智能监控程序设计我国大多数抽油机都融入了智能监控系统，通过智能监控系统采集油田油井现场信息，进行状态监测，实现对抽油机运行状态的全程实时监控9。智能监控程序设计是将采集的各井口数据通过 WiFi 传输至智能监控控制中心，该控制中心实时监测三相电参、动液面、压力、功图等，并将数据融合后上传至云平台，通过计算判断油井供液能力和井筒排液能力，确定油井产液恢复规律，制定间抽制度，实现群控批量油井智能间抽控制。智能监控程序流程如图 7 所示。图 6 数据采集与传输程序流程 图 7 智能监控程序流程3.4 云计算程序设计云计算程序将各井场数据通过 4G 网络传输至云计算平台，该平台基于云端技术耦合能力判断油井供液能力和井筒排液能力，计算油井动液面值并确定油井产液恢复规律，生成间抽控制指令，下发至各控制器，最终实现群控批量油井智能间抽控制。云计算程序流程如图 8 所示。图 8 云计算程序流程4 基于云计算油井智能间抽采油实施效果在陕北油田某作业区选择 200 口典型“三低”油井，进行基于云计算油井智能间抽采油实验。从井口采集三相电参、功图、动液面等，通过 WiFi 传输至井场智能监控箱，实时集中监测各井场数据并通过光纤网络传输至云计算平台。云计算平台对电参、功图、动液面等数据进行计算处理，并借助油井供液能力和井筒排液能力等计算油井产液恢复规律，实现云计算群控批量油井智能间抽控制10。间抽前后数据分析结果见表 1 所列。间开前油井输入有功功率平均值为 2.66 kW，系统效率平均值为 17.04%，产液单耗平均值为 27.74 kW h/t。间开后油井输入有功功率平均值为 3.52 kW，系统效率平均值为 19.91%，产业单耗平均值为 21.76 W h/t，综合节能率 26.42%，系统效率提升 2.87%。云计算油井智能间抽控制系统通过云计算平台集中处理示功图、动液面、电参等数据来监测油井液面，从而判断是否进行间抽采油。相比于传统的间抽控制，云计算智能间抽能有效减少耗能，提高系统工作效率。间抽实施效果如图 9 所示。2023年/第12期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application87图 9 间抽实施效果5 结 语文中提出了一种基于云计算的油井智能间抽控制系统。通过采集的油井数据判断油井供液能力和井筒排液能力，计算油井产液恢复规律，确定间抽制度，实现油井智能间抽控制。该系统解决了在低渗透油田中传统抽油机存在的运行效率低、浪费电能和实时控制滞后等问题，降低了设备损耗，提升了抽油效率。该系统通过井场智能 RTU 将各井口数据通过 4G 网络传输至云计算平台，在该平台基于云端耦合对数据进行集中处理与分析，生成间抽控制指令并下发至各井口控制器，实现群控批量油井智能间抽。此举有效提高了油井的生产效率和稳定性，进一步推动了油田的可持续稳产和发展。参考文献1 陈锐，韩岐清，郑小雄，等.抽油机井不停机智能间抽技术及其应用 J.石油化工应用，2020，39（12）：40-43.2 闫成玉.抽油机井智能间抽控制装置 J.油气田地面工程，2010，33（7）：58-59.3 刘金亮.低产游梁抽油机井间抽制度优化分析 J.石油石化节能，2023，13（7）：57-61.4 赵梓涵.低产低效井间开周期的研究与应用 J.化工管理，2016，31（18）：35.5 苏国军.油田气举工艺的研究及应用 J.中国石油和化工标准与质量，2023，43（4）：164-166.6 王文涛，张乃禄，姚景超，等.基于动液面的间抽控制系统 J.云南化工，2021，48（1）：113-116.7 周鑫隆，梁婧.云计算与物联网技术的数据挖掘分析 J.电子世界，2022，44（2）：28-29.8 贾志鹏，李盼，念彬，等.基于物联网的油井智能间抽控制系统J.物联网技术，2021，11（7）：59-61.9 邱煦宇.油田油井智能监控系统的研究与设计 J.电脑知识与技术，2016，12（19）：210-211.10 张杰.基于边缘计算的智能抽油机控制器研究与应用 D.西安：西安石油大学，2021.表 1 智能间抽采油实施效果测试数量口井运行状况有功功率/kW无功功率/kVar油井产液量/（m3/d）系统效率/（%）产液单耗/（kW.h/t）节能率/（%）200间开前2.666.993.1317.0427.74/200间开后2.997.873.1319.9121.7626.42对比0.330.8802.877.12/作者简介：闫 莹（1998），女，硕士在读，研究方向为电气工程及检测控制。3 MUR-ARTAL R，MONTIEL M，TARDS D.ORB-SLAM：a versatile and accurate monocular SLAM system J.IEEE trans.on robotics，2017，31（5）：1147-1163.4 FORSTER C，PIZZOLI M，SCARAMUZZA D.SVO：Fast semi-direct monocular visual odometry C/Proc of IEEE International Conference on Robotics and Automation，2014.5 ENGEL J，SCHPS T，CREMERS D.LSD-SLAM：large-scale directmonocular SLAM M.Computer Vision.Springer International Publishing，2014：834-849.6 RAL M A，JUAN D T.Orb-slam2：An open-source slam system for monocular，stereo，and rgb-d cameras J.IEEE transactions on robotics，2017，33（5）：1255-1262.7 马龙，马腾宇，刘日升.低光照图像增强算法综述 J.中国图象图形学报，2022，27（5）：1392-1409.8 LAND E H J S A.The retinex theory of color vision J.Scientific american，1977，237（6）：108-129.9 赵明霞，吕致，郝雅洁，等.基于图像分割技术的小麦识别 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