采油綜合應用管理系統關鍵技術

尚文利 ，鄭東梁 ，劉賢達 ，劉春宇 ，李世超

（1.中國科學院 沈陽自動化研究所，沈陽 110016；2.中國科學院 網絡化控制系統重點實驗室，沈陽 110016；3.沈陽信誠環境技術有限公司，沈陽 110043）

我國油田企業數據資源建設正逐步從分散走向集中，為智能油田建設奠定了良好基礎[1-2]。智能油田是在數字油田的基礎上，更加強調動態、自動、深入和主動，即從靜態數據到實時動態數據，從人工操作到自動操控，從對數據的簡單分析到精細模擬和深入分析，從被動響應到主動持續優化[3]。為構建智慧油田，中國石油集團公司“十二五”信息技術總體規劃明確將“油氣生產物聯網系統（A11）”作為重點建設項目。

以往采油廠在油氣生產與經營管理中，一些工作采用傳統的人工方式完成。如方案設計的人工傳送與審批、生產數據的人工計算與統計、生產及車輛的人工調度等，這種工作方式導致了工作勞動強度大、速度慢、效率低等問題[4-7]。而傳統的采油綜合管理系統中，硬件傳輸采用有線傳輸方式，成本高，鋪設難度大，在軟件上，核心算法的計算精度低，無法給油田帶來生產指導意義，導致生產過程中資源的浪費[8-13]；并且系統沒有統籌資源的優化配置，沒有整合各方信息，未達成真正的統一分析與綜合策略分析[14-19]。

在此，根據以往綜合管理系統上存在的缺點，設計了新型采油綜合應用管理系統的技術架構，分析了硬件架構、軟件架構以及系統關鍵技術，并闡述了系統功能中相關的核心算法；設計和實現了軟件系統，并通過油田實際系統應用證明了設計的系統和算法的可行性、高效性和實用性。

1 采油綜合應用管理系統系統設計

1.1 系統架構

采油綜合應用管理系統結構如圖1所示，主要包括感知層、傳輸層、數據層和應用層。

圖1 采注集輸綜合應用管理系統Fig.1 Comprehensive application management system for mining and injection gathering and transportation

1.2 硬件架構

采油綜合應用管理系統硬件架構如圖2所示。采油過程中的傳感器及監測設備通過WIA-PA網絡將數據傳輸到井場RTU，RTU將現場的實時數據發送到各個工作站中，再通過工作站的無線網關統一發送到控制中心，為上層系統進行計算分析提供大量數據。該系統硬件包括溫度變送器、油壓變送器、套壓變送器、RTU、示功儀、無線網關、無線網橋等，采集了溫度、油壓、套壓、示功圖（載荷與位移的關系曲線）、電量等關鍵生產參數。

圖2 采油油井數據采集的物聯網架構Fig.2 Internet of architecture for data acquisition of oil wells

1.3 軟件架構

軟件采用B/S的架構進行設計，包括數據顯示、功圖診斷、理論功圖、產量計量、產量分析、數據歷史趨勢等功能模塊。系統基于Struts 2框架，可以分為表現層、業務邏輯層和數據層。具體如圖3所示。

圖3 軟件技術架構Fig.3 Software technology architecture

表現層用于顯示數據和接收用戶輸入的數據，為用戶提供一種交互式操作的界面?？蛻舳耸褂肳eb瀏覽器訪問WWW服務。使用JSP，HTML，JavaScript，CSS等技術手段。

業務邏輯層針對具體問題的操作，也可以說是對數據訪問層的操作，對數據業務邏輯處理。因為系統采用Struts 2架構，因此后臺業務邏輯通過Action完成，包括一系列的Java類等。

數據層該層所做事務直接操作數據庫，針對數據的增添、刪除、修改、查詢等。本層使用JDBC的方式訪問關系型數據庫。

2 系統關鍵技術研究

2.1 系統硬件關鍵技術

該系統采用WIA-PA無線通信技術進行油田現場數據的傳輸。WIA-PA標準是由中國科學院沈陽自動化研究所等十余家單位共同提出的、面向工業過程自動化的技術標準，2011年成為IEC國際標準，是國際工業無線技術領域中的重要標準規范之一，與國際 Wireless HART，ISA100，ZigBee主流標準并列。WIA-PA標準能夠針對應用條件和環境的動態變化，保持網絡性能的可靠和穩定；能夠在低成本的商用器件上實現，降低技術開發與實現難度；用戶能夠以較低的投入換來易于使用和維護的工業無線監控系統[19]。

井口安裝的載荷、壓力、電機轉速、流量計、電參數等傳感器將采集的數據，以短距離無線通信方式發送給RTU；RTU將數據解析處理后，通過網關、無線網橋上傳到控制室，進入油田公司數據網關，通過系統服務器接收、解析、存儲和發布，然后提交給油田公司公共數據系統，由此實現了遠程運維，用戶可以方便查詢和訪問相關數據?；赪IA工業無線傳感網技術的采油綜合應用管理系統，通過現場應用實施迭代更新完善[20-21]，具有良好的集成性、擴展性，響應速度快，數據穩定可靠等特點。

2.2 系統功能關鍵技術

2.2.1 物聯網遠程監測數據自動處理技術的開發

井場數據自動處理主要包括：①數據異常判斷，對所采集數據做異常數據分析、故障診斷、軟件計量等處理。②生產故障預警，采集生產現場環境信息，如視音頻信號，設備故障信號，可燃氣體、有毒害氣體濃度信號等，實現對生產過程的實時報警。③制定生產報表，根據油田人員需求對采集到的數據繪制成日報、周報。

2.2.2 獨特的應用模塊

依托系統平臺，先后開發和集成了現場數據、應用數據、故障中心、功圖中心、報表中心、統計中心、基礎數據維護、系統設置、報警管理等多個應用模塊。

現場數據模塊包括油井數據、井況統計數據、現場功圖和系統效率數據。應用數據模塊包括油井歷史數據、歷史數據曲線、產液量對比、動液面對比、曲線對比和翻斗計量數據。故障中心模塊包括故障匯總、警報查詢、素材積累等功能。功圖中心模塊包括功圖疊加、歷史功圖和功圖下載功能。報表中心模塊包括報表數據和報表審核等功能。統計中心模塊包括功況類型、動液面統計和產液量統計功能?；A數據維護模塊包括組織表維護、網關信息表維護、油井基礎表維護、油井儀表狀態維護、油井桿柱組合表維護、油氣藏物性數據表維護、單元間基礎表維護、單元間儀表表維護、單元間儀表狀態維護、系統效率基礎數據維護和油井報警設置等功能。系統設置功能包括菜單導航、角色管理、用戶管理和日志查詢等功能。

2.2.3 基于云計算的采油核心算法開發

采油核心算法主要有工況故障診斷、動液面、產液量、間抽控制等。

其中，故障診斷能夠準確分析和解釋抽油機工作狀態的好壞，并通過分析得到的工況采取相應的措施。系統中故障診斷采用基于關聯度函數修正的方法，主要針對供液不足與氣體影響、固定閥漏失與氣體影響、泵下碰與嚴重供液不足等工況不同但功圖形狀相近的情況；并給出一種專家知識庫實時更新完善策略。它解決了以往故障診斷算法中對于不同工況但形狀相近的功圖無法準確辨識的問題，并通過擴大典型故障特征庫的樣本數，大大提高了故障診斷的正確率[22]。

動液面是了解抽油井的供液情況、診斷油井故障的重要參數。系統中動液面算法采用物元分析的方法，通過建立物元模型選取油井的最優多相流算法。它解決了以往動液面算法中采用單一的多相流計算方法、計算誤差較大，并且受地質情況影響的問題，提高了動液面計算的精確度[23]。

產量計量能夠反映油井的產能、油井能力動態變化、抽油設備的工作情況以及措施作業的效果。系統中產量計算算法采用均值濾波的方法，通過消除示功圖中復雜的頻率部分精確求取示功圖有效沖程。它解決了以往產量計量算法中，有效沖程會因為功圖形狀的原因導致拐點的偏差和缺失，給計算產液量帶來誤差，提高了產量計量的精度。

泵效、平衡度等分析可以提高油井產量，降低生產成本，協調井底供排平衡。泵效的高低反映了泵性能的好壞及抽油參數的選擇是否合適。非節能型抽油機平衡度對節能降耗工作的意義是非常重要的。系統平衡度采用下行最大電流/上行最大電流的方式計算，數據來源于RTU直接采集的數據，不存在計算誤差。

基于動液面的油井變頻控制是調整電機轉速，實現節能，調整抽油機沖次提高產量。系統首先得到光桿示功圖，再由光桿示功圖通過吉布斯波動方程計算出泵示功圖，由泵示功圖計算得到動液面。依據動液面與沖次之間的關系動態調整電機的運轉速度，從而達到在不影響甚至提高產液量的情況下節約電能。

3 系統的應用效果

采油綜合應用管理系統已經在遼河油田、吉林油田、勝利油田、長慶油田、新疆油田等油田推廣應用。該系統的全面應用推動了油田精細化、數字化的發展。

以遼河油田為例，該系統根據遼河油田的實際需求，通過采用WIA-PA無線通訊技術，實時采集與遠程傳輸抽油機工況參數；配套開發了抽油機井工況的實時診斷、產量計量、動液面計算、自動變頻、實時報警、報表生成、功圖疊加等功能，并根據油田實際需求開發相應功能。為采油綜合管理系統油井數據界面如圖4所示。

圖4 采油綜合管理系統油井數據界面Fig.4 Oil well data interface of integrated oil production management system

功圖診斷算法實現了遠程診斷油井地下泵的工作狀態，涵蓋了16種工作狀態，包括：正常工作、氣體影響、供液不足、抽油桿斷脫、油稠、游動凡爾漏失等。經過累計3年的數據分析與算法改進，功圖診斷的正確率在96%以上。

產液量計量算法實現了油井遠程軟計量功能，通過井口示功儀采集的懸點載荷與位移的關系曲線，結合桿柱組合、原油黏度、原油密度等基礎數據，通過求取曲率變化率最大的點，計算有效沖程，結合泵的漏失曲線求得產量，通過統計、分析進行參數的修正、調整，達到最佳參數組合。同時結合含水率等參數，求得產液量與產油量。經過累計3年的實踐與分析，目前的計算產液量單井平均誤差在7%以內。

動液面算法通過采用物元分析方法，選取抽油井適合的多相流算法，對目標井的動液面進行計算，目前的動液面平均計算誤差在7%以內?；趧右好娴某橛途詣幼冾l控制，通過對供液不足的井進行間抽控制，實現了油田的節能增產。采油綜合管理系統核心算法界面如圖5所示。

圖5 采油綜合管理系統核心算法界面Fig.5 Core algorithm interface of integrated oil recovery management system

根據遼河油田技術人員的實際需求，開發了包括功圖疊加、定制化報表、功圖下載等相關功能，方便技術人員操作。采油綜合管理系統生產報表界面如圖6所示。

4 結語

圖6 采油綜合管理系統生產報表界面Fig.6 Production report interface of integrated oil production management system

文中分析了數字油田向智慧油田發展的趨勢，以及采注集輸綜合應用管理系統的迫切需求和必要性，設計了新型采油綜合應用管理系統的技術架構，闡述了硬件架構以及軟件架構，以及系統應用到的相關核心技術，包括基于WIA-PA的無線通訊技術；功圖診斷、產量軟計量、動液面計算、自動變頻等相關核心算法；實際應用證明了系統的可行性、高效性和實用性。該系統主要解決了油田開發生產管理方面的需求，為油田實現節能增產、科學化管理提供了依據，為進一步實現智慧油田的建設打下了堅實的基礎。

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