基于邊緣計算機的油井健康管理系統

摘要：文章針對海上采油平臺設備密集、數字化管理程度高的特點，結合邊緣計算機技術的應用，構建油井健康管理系統，實現對單井采油數據進行集中采集、大數據分析。通過對油井及相關驅動設備的運行狀態進行監控，實現故障預警、故障定位、全生命周期管理等功能，確保安全生產。同時控制能源消耗與電機效率，達到節能減排的效果。另外，還討論了健康管理系統與平臺現有DCS控制系統的互補關系。

關鍵詞：邊緣計算機;海上采油平臺;數字化

目前海上采油平臺現有中控系統多采用DCS系統（DCS是分布式控制系統 “Distributed Control System” 的英文縮寫，在國內自控行業又稱之為集散控制系統），其特點是通過對海上平臺油氣生產設備進行狀態信號采集，實現多點實時監控，集中管理與離散式控制的模式。但是DCS系統本身不具備大數據分析處理的能力，這是由DCS系統的硬件條件所決定的。近年來，隨著數字化技術的推廣，以及邊緣計算機的應用，實現數字化油田管理除了需要大量的實時數據監控，同時也要求控制系統具有大數據分析能力。本文提出的“油井健康管理系統”，根據海上平臺油井相關設備的運行特點，依托邊緣計算機硬件和健康管理軟件系統對油井設備產生的大數據進行挖掘利用，發現設備運行規律和故障特征，進行預測性的維護及全生命周期的管理，達到油田安全生產、節能減排、提質增效的目的。

一、邊緣計算機的特點

邊緣計算是指在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺。邊緣計算與云計算互相協同，共同助力各行各業的數字化轉型。它就近提供智能互聯服務，滿足行業在數字化變革過程中對實時性、智能化、大數據分析、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。

1、分布式、低延時計算，海量的數據不再需要上傳至中控系統或云端進行處理，而是通過分布在被控設備本地的邊緣計算機進行處理，從而大大降低了發生網絡時延的風險，使得反饋更加迅速，控制更為及時。

2、智能計算，邊緣計算機的大數據存儲及處理功能，可以滿足用戶對海量數據的分析處理需求，通過一定的軟件算法以及大數據的積累，實現設備的智能化。

3、高安全可靠性，邊緣計算機在接收到數據之后，可以對數據加密后再進行傳輸，提升了數據的安全性。

二、單井健康管理系統的功能特點

基于邊緣計算機的油井健康管理系統的核心特點是將單口油井的所有相關運行數據、參數等信息進行不間斷的采集、匯總并對采集到的大數據進行分析。從供電端的電能質量到驅動設備的運行參數、井口采油樹的流量、壓力參數，再到井下長電纜的絕緣情況以及電泵機組的運行參數，通過24小時不間斷的對同一口油井的相關數據進行處理、分析，可以總結出大量的數據相關性規律。再將采油相關行業專家的知識與經驗，轉化為軟件算法，結合大數據的積累，從而將油井的運行控制在最高效的狀態點。

如上圖所示，本文涉及的“油井健康管理系統”包括“數據監控”、“設備管理”、“安全運行”、“智能輔助”、“系統設置”等幾個版塊的功能。實現了電能質量監測功能、電機能效監測功能、設備全生命周期管理功能、故障預警定位和統計分析功能、故障處理引導功能、生產報表生成功能等。各項功能的實現都是基于邊緣計算機對實時采集的單井運行參數，按照一定的算法進行大數據處理后，給用戶提供智能化的油井管理建議，從而達到提高設備管理數字化水平的目的。

系統總體采用三層架構設計，分別為數據采集層、系統支持層、智能應用層：

數據采集層：包括各種傳感器、智能設備等通過 modbus/RTU;modbus/tcp-ip 協議利有線網絡和wife無線模塊傳輸到邊緣計算機;

系統支持層：讀取、轉換、交互獲得數據;也支持平臺其他數據庫交互數據或從服務器上載和下載數據，數據在系統支撐層進行處理，這里包含數據的規范化，數據協議兼容與轉化庫 SQL 和基于網絡拓撲分布式系統基礎架構。

智能應用層：基于各種專家算法，如神經元算法，模糊算法等，將各種監測、預警、故障診斷結果進行相應的展示，包括狀態監測、故障診斷、故障預測、維修保障、設備管理、巡檢管理、等模塊。對緊急信息通過彈出信息、短信和智能語音電話及時知。

三、單井健康管理系統與傳統DCS系統的關系

1、與傳統DCS系統的區別

傳統DCS系統側重于數據實時采集和集中控制管理，可以通過一套DCS系統時實現對海上平臺所有油井的集中管理。但是由于系統不具備大數據處理能力，所以不能對采集的數據進行對比、分析，而且系統本身也不支持復雜的軟件算法，因此只能對所有同類設備執行同一套控制邏輯。而基于邊緣計算機的油井管理系統其優勢在于分布式計算，每臺邊緣計算機只負責對一口油井的數據進行處理，同時邊緣計算機具有大數據處理、分析能力，可以通過積累大量的同一口油井的運行數據，總結出針對性的數據關聯特性，從而形成特定油井的專屬控制策略。

2、是傳統DCS系統的有益補充

基于邊緣計算機的油井健康管理系統不可能取代現有DCS系統的作用，但是可以發揮其邊緣計算的特點，通過分布式計算將大量數據進行本地處理，減少DSC系統的工作量。同時，通過對每口油井不同流程環節的數據進行關聯性分析，依托各種專家算法，形成針對每口油井的局部優化控制方案，實現精細化管理每一口油井，最終實現整個平臺油井管理水平的提升。

3、油井健康管理系統與物聯網技術結合

物聯網技術是指通過信息傳感設備，按約定的協議，將任何物體與網絡相連接，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能。在物聯網應用中有兩項關鍵技術，分別是傳感器技術和嵌入式技術。基于邊緣計算機的油井健康管理系統將采油流

四、結束語

將采油行業各相關領域專家的知識以及經驗，通過軟件系統以算法的形式輸入邊緣計算機，結合邊緣計算的大數據處理能力，相當于在每口油井旁邊安排了一位行業專家對采油設備進行24小時不間斷健康管理，其油井管理效率的提升必將給油田穩產、增產帶來巨大潛力。同時結合物聯網技術，將若干口油井管理系統的大數據匯總至云端，對數據進行積累、分析，總結出有價值的規律，更好的認識油田自身特點，對于提高油田整體開采效率將具有重要意義。

參考文獻

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作者簡介

周江，職稱：電氣主管/工程師，1988年12月，研究方向：電力系統 ?單位：中海石油（中國）有限公司天津分公司.