智能油井管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張劍

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司第二采油廠 甘肅省慶陽市 745100）

油井是石油開采過程中不可缺少的關(guān)鍵因素，需要根據(jù)油田開發(fā)計(jì)劃進(jìn)行油井施工，為石油提供一個(gè)上升通道。油井是利用鉆井的手段所鉆成的孔眼。一般油井在鉆進(jìn)深度到達(dá)油層位置之后會(huì)放入油層套管，同時(shí)還會(huì)在套管以及井壁之間的環(huán)形空間內(nèi)注入一定量的油井水泥，可以起到保護(hù)井壁、封閉油層、氣層以及水層的效果，之后會(huì)形成石油上升通道，將石油由油井井底上升到井口。隨著我國(guó)石油開發(fā)量的不斷提升，油井?dāng)?shù)量有所增加，油井管理工作面臨著較大的難題。在油井管理工作中引入信息化技術(shù)可以構(gòu)建智能油井管理系統(tǒng)，對(duì)油井管理工作中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合，有效提高了油井管理的效率以及實(shí)時(shí)性。

1 智能油井管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能油井管理系統(tǒng)是結(jié)合油井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的地區(qū)環(huán)境特征，在局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和控制的中心，主要包括四部分：

（1）RTU；

（2）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；

（3）視頻服務(wù)器；

（4）客戶端。

當(dāng)前智能油井管理系統(tǒng)在各個(gè)地區(qū)均有所使用，但是智能油井管理系統(tǒng)的應(yīng)用效果并不相同，并且在嘗試應(yīng)用時(shí)也使得系統(tǒng)出現(xiàn)了較多問題，例如負(fù)責(zé)對(duì)油井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的設(shè)備不具備良好的可靠性和可維護(hù)性，在惡劣的工作環(huán)境下經(jīng)常容易出現(xiàn)運(yùn)行問題。系統(tǒng)不具備智能化功能，難以準(zhǔn)確對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的故障進(jìn)行判斷，或者系統(tǒng)不具備充足的開放性，廠家的系統(tǒng)常常會(huì)出現(xiàn)不兼容的問題，無法對(duì)軟件中所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行共享，導(dǎo)致信息孤島的現(xiàn)象出現(xiàn)。

因此為了改變這一問題，對(duì)智能油井管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了調(diào)整。智能油井管理系統(tǒng)可以對(duì)生產(chǎn)油井的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和存儲(chǔ)，并利用Modbus RTU 通訊協(xié)議提升了數(shù)據(jù)的開放性，從而可以進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。智能油井管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)大體可以分為前后端兩個(gè)子系統(tǒng)，前者主要負(fù)責(zé)油井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的收集以及傳輸，其核心為RTU，后者則是以分布云端的軟件為核心，負(fù)責(zé)對(duì)油井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及分析。智能油井管理系統(tǒng)具體構(gòu)成如圖1 所示。

2 智能油井管理系統(tǒng)架構(gòu)

智能油井管理系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)屬于B/S 模式，主要包括兩層。第一層屬于平臺(tái)層，主要是保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提供軟件運(yùn)行環(huán)境和硬件運(yùn)行環(huán)境，為系統(tǒng)運(yùn)行提供重要的基礎(chǔ)支撐。第2 層為交互應(yīng)用服務(wù)層，這一層又分為三小層：

（1）服務(wù)層負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、容錯(cuò)分析、安全處理等功能實(shí)施服務(wù)；

（2）應(yīng)用層，以共性應(yīng)用未核心保證軟件功能得以有效實(shí)現(xiàn)，例如數(shù)據(jù)查詢、分析、記錄工作日志、控制訪問權(quán)限等；

（3）交互層，可保證人和機(jī)器設(shè)備進(jìn)行有效交互，例如數(shù)據(jù)傳輸、電流監(jiān)控、作業(yè)調(diào)度以及遠(yuǎn)程控制等。智能油井管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

3 智能油井管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1：智能油井管理系統(tǒng)

圖2：智能油井管理系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 信號(hào)采集硬件

信號(hào)采集的硬件主要包括兩部分：第1 部分為井口傳感器，主要包括各種傳感器所組成，例如油壓傳感器，流量傳感器，脈沖傳感器，電流傳感器，溫度傳感器，以及在線示攻儀等，可以更加清晰的展示油井實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。第2 部分為智能攝像系統(tǒng)，使用高清的紅外熱成像攝像機(jī)可以更好的觀察油井生產(chǎn)狀態(tài)，提高成像質(zhì)量，并且由于特殊的鏡頭可以同時(shí)兼顧搜索功能以及觀察功能，在其內(nèi)部設(shè)定了智能分析單元，可以對(duì)各類熱點(diǎn)目標(biāo)實(shí)施自動(dòng)化探測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)會(huì)及時(shí)出現(xiàn)警告。通過智能化的監(jiān)控系統(tǒng)可以在白天、夜晚或者特殊天氣實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，向管理人員提供清晰的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)圖像，有效提高了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的安全性。

3.2 RTU控制單元硬件

RTU 屬于一種應(yīng)用性能較高的PIC16F878a 單片機(jī)，擁有兩類變換器，包括A/D 和D/A，其中還包括電源管理以及無線數(shù)據(jù)通訊等多個(gè)模塊。A/D 變換器主要負(fù)責(zé)信號(hào)轉(zhuǎn)換，收集傳感器所傳遞而來的模擬信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，利用無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行處理，最終將信號(hào)以射頻的形式輻射到相應(yīng)的區(qū)域。電源管理電路則可以對(duì)交流電源的運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)其斷電或者正常狀態(tài)對(duì)供電模式進(jìn)行調(diào)整，確保能夠?yàn)楣芾硐到y(tǒng)進(jìn)行有效供電，保證RTU 運(yùn)行。RTU控制器可以和多種不同傳感器進(jìn)行連接，通信模式的接口較多，例如RS232 或者CDMA。

3.3 服務(wù)器以及控制終端

服務(wù)器主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器以及視頻服務(wù)器，控制終端主要包括客戶端計(jì)算機(jī)，運(yùn)行安全性以及穩(wěn)定性較強(qiáng)，長(zhǎng)期處于高溫、振蕩的環(huán)境下也能夠保證穩(wěn)定運(yùn)行，具有高水平的散熱系統(tǒng)，硬件具備良好的兼容性以及可擴(kuò)展性。

4 智能油井管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 前端子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在前端子系統(tǒng)的內(nèi)部每個(gè)RTU 都會(huì)利用無線傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，和后端的服務(wù)器處于時(shí)刻連接的狀態(tài)。當(dāng)前隨著5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模的不斷發(fā)展，RTU 除去會(huì)使用專用無線網(wǎng)絡(luò)之外，還在積極增加5G 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，可以有效提高傳輸效率。5G 網(wǎng)絡(luò)和4G 網(wǎng)絡(luò)相比傳輸速率更高，傳輸穩(wěn)定性更強(qiáng)，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性，在未來的智能油井管理系統(tǒng)中，5G 網(wǎng)絡(luò)將會(huì)代替以往使用的4G網(wǎng)絡(luò)。為了能夠讓RTU一直為連接的狀態(tài)，需要使用到心跳機(jī)制，此時(shí)以局域網(wǎng)為基礎(chǔ)將RTU 和油井管理現(xiàn)場(chǎng)的RT 終端進(jìn)行有效連接，可更加及時(shí)的將獲取的數(shù)據(jù)上傳到相應(yīng)的服務(wù)器，或者將指令要求下發(fā)給相應(yīng)的模塊。RT 終端所包括的設(shè)備較多，例如負(fù)責(zé)測(cè)量石油液面的在線液面儀、測(cè)量油井井口溫度、壓力數(shù)據(jù)的井口溫壓儀、測(cè)量石油量的在線油量?jī)x以及綜合電參儀、在線示攻儀等。在油井的井口位置會(huì)放置監(jiān)視設(shè)備，該設(shè)備會(huì)利用5G 或者無線網(wǎng)絡(luò)和視頻服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以此來讓管理人員更好的觀察到油井生產(chǎn)情況。在前端子系統(tǒng)中會(huì)使用數(shù)據(jù)加密技術(shù)，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行有效的安全保護(hù)，避免在數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)泄漏的問題。

4.2 后端子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

后端子系統(tǒng)是一種分布式系統(tǒng)，系統(tǒng)核心軟件均在云端位置，主要包括DataSever、WebSever/APPSever 以及DBServer。后端子系統(tǒng)支持電腦端服務(wù)以及移動(dòng)端服務(wù)，所負(fù)責(zé)的功能較多，均是以數(shù)據(jù)為核心，包括數(shù)據(jù)通信、信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析等多種功能，可以主要被劃分為遠(yuǎn)程控制和大數(shù)據(jù)服務(wù)兩種功能。后端子系統(tǒng)中也同樣重視數(shù)據(jù)備份技術(shù)應(yīng)用重要性，可以防止數(shù)據(jù)丟失給油井管理工作帶來影響，提高了數(shù)據(jù)的使用安全性。

4.2.1 DataSever 設(shè)計(jì)

DataSever 所負(fù)責(zé)的功能是對(duì)前端ICU 的連接請(qǐng)求進(jìn)行及時(shí)監(jiān)聽，并接收監(jiān)聽到的請(qǐng)求數(shù)據(jù)和所發(fā)送的信息。在接收到信息之后會(huì)將數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，將其存儲(chǔ)在云端數(shù)據(jù)服務(wù)器之內(nèi)，并將用戶所下達(dá)的指令要求發(fā)送到井場(chǎng)。DataSever 的部署模式處于分布式狀態(tài)，能夠支持大量油井?dāng)?shù)據(jù)的傳輸和連接。

4.2.2 WebSever/APPSever 設(shè)計(jì)

在進(jìn)行后端子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，需要根據(jù)使用的網(wǎng)頁或者APP 分別選擇WebSever/APPSever，這是負(fù)責(zé)向系統(tǒng)內(nèi)提供報(bào)警功能的軟件，這還可以對(duì)數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)日志實(shí)施有效分析，從而給系統(tǒng)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.2.3 DBServer 設(shè)計(jì)

在后端子系統(tǒng)中還包括DBServer，所負(fù)責(zé)的內(nèi)容和數(shù)據(jù)庫服務(wù)有關(guān)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和上傳，如DataSever 接收到的數(shù)據(jù)以及指令要求會(huì)被上傳到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，如果接收到視頻數(shù)據(jù)則上傳到視頻服務(wù)器中。DBServer 還包括自動(dòng)備份的功能，避免數(shù)據(jù)丟失給管理工作的影響，提升了數(shù)據(jù)的安全性水平。

4.3 智能專家系統(tǒng)

智能油井管理系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于可以對(duì)油井實(shí)施智能化控制，根據(jù)油井的運(yùn)行情況啟動(dòng)油井或者關(guān)閉油井。在油井管理工作中分為地上管理以及地下管理，地上管理可以設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)和流量壓力監(jiān)測(cè)裝置，能夠?qū)⑹土髁繑?shù)據(jù)更加直觀的展現(xiàn)出來。然而在地下管理時(shí)由于環(huán)境較為復(fù)雜，突發(fā)事件出現(xiàn)幾率較高，需要使用更加精準(zhǔn)的故障診斷方式，才能夠及時(shí)分析有可能出現(xiàn)的故障隱患。在進(jìn)行故障診斷時(shí)示攻圖經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)外部形狀較為相像，出現(xiàn)的故障問題天差地別的現(xiàn)象，給診斷工作帶來了較大的困難。以往在進(jìn)行故障診斷時(shí)通常使用人工的方式，或者選擇傅里葉位置法或者功率譜密度法，但是僅僅只是能夠?qū)κ竟D所涵蓋的自身信息進(jìn)行分析，無法對(duì)不同圖形之間的區(qū)別進(jìn)行評(píng)估和有效描述，從而影響了故障診斷效率。為此在智能油井管理系統(tǒng)中應(yīng)用了智能專家系統(tǒng)，可以對(duì)圖形數(shù)據(jù)實(shí)施綜合化分析，并結(jié)合油井現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，可以更好的分析圖形之間的差異。在系統(tǒng)中包括計(jì)算機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠做到深度學(xué)習(xí)，結(jié)合案例具體情況，對(duì)油井實(shí)施完全的智能化管理。

5 結(jié)束語

智能油井管理系統(tǒng)的使用改變了以往管理模式下存在的問題，提高了數(shù)據(jù)收集效率、即時(shí)性以及準(zhǔn)確性，更加智能化的對(duì)油井故障隱患實(shí)時(shí)判斷，減少了現(xiàn)場(chǎng)管理工作所需要投入的成本量，對(duì)油井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施高效管理。作為管理人員無需再進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管理工作，利用管理系統(tǒng)以及后臺(tái)軟件可以對(duì)油井的工作狀態(tài)進(jìn)行查看和分析，系統(tǒng)會(huì)對(duì)其生產(chǎn)狀態(tài)實(shí)施數(shù)據(jù)評(píng)估，一旦出現(xiàn)故障問題會(huì)及時(shí)向管理人員進(jìn)行預(yù)警，可以為管理工作的開展提供重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。油井管理工作的調(diào)整還可以提高原油產(chǎn)量，減少人工成本的投入，這對(duì)于油井效益的提高有著積極影響。當(dāng)前我國(guó)國(guó)內(nèi)已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用智能油井管理系統(tǒng)，促使油田管理工作進(jìn)入了數(shù)字化階段，提高了油田管理工作網(wǎng)絡(luò)化水平以及智能化水平，使油田生產(chǎn)作業(yè)安全性和環(huán)保性有所上升，符合可持續(xù)發(fā)展理念。