“云-邊-端”協(xié)同的智能采油生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究

馮 鋼，劉天宇，辛 宏，檀朝東，高小永，艾 信，馬 丹

（1.西安中控天地科技開發(fā)有限公司，陜西 西安 710018；2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西 西安 710000；3.中國石油大學(xué)（北京）自動(dòng)化系，北京 102249）

0 引 言

油氣生產(chǎn)已進(jìn)入“全數(shù)、全息、全智”的時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)和采油工程深度融合形成新型的智能化采油技術(shù)，使采油氣生產(chǎn)全流程可監(jiān)測(cè)（能夠監(jiān)測(cè)所有主要設(shè)備的狀態(tài)）、可控制（能夠控制所有主要設(shè)備的狀態(tài)）和智能化（可自適應(yīng)并實(shí)現(xiàn)智能分析決策），從而打造更加安全、節(jié)能、低碳、經(jīng)濟(jì)的采油氣生產(chǎn)智能管理系統(tǒng)，提升油氣產(chǎn)量和效益[1-2]。

針對(duì)傳統(tǒng)的油氣生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)依托SCADA 系統(tǒng)進(jìn)行建設(shè)，該系統(tǒng)偏向于自動(dòng)化監(jiān)視與控制，拓展性相對(duì)較差、集成能力偏低，與其他系統(tǒng)無法進(jìn)行集成交互，導(dǎo)致形成眾多系統(tǒng)孤島，數(shù)據(jù)之間無法實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制[3]。當(dāng)前，油氣物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和邊緣計(jì)算的快速發(fā)展促進(jìn)了油氣生產(chǎn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展建設(shè)。

針對(duì)油田現(xiàn)場生產(chǎn)監(jiān)控中網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)常發(fā)生中斷的情況、現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)無法回傳和實(shí)時(shí)控制等問題[4]，本文構(gòu)建了“云-邊-端”協(xié)同的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

1 “云-邊-端”協(xié)同的系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

基于“云-端”架構(gòu)的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要由感知控制層、數(shù)據(jù)傳輸層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層組成[5]，如圖1 所示。端側(cè)基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)全面感知和信息傳遞，云端計(jì)算負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和信息反饋。感知控制層由安裝在油氣水井、管網(wǎng)、站庫等工藝流程上的各種感知設(shè)備和控制設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)井場前端的全面感知和各種設(shè)備的自動(dòng)控制；傳輸層由無線傳輸、光纖等組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)可靠傳輸；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)監(jiān)控、油氣集輸監(jiān)控、遠(yuǎn)程自動(dòng)計(jì)量、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析、實(shí)時(shí)工況診斷、生產(chǎn)故障預(yù)警、運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度指揮等生產(chǎn)過程“實(shí)時(shí)分析、優(yōu)化決策、智能控制、主動(dòng)預(yù)警”的智能化應(yīng)用。

圖1 “云-端”架構(gòu)的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

隨著油田數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化建設(shè)的不斷發(fā)展，“云-端”架構(gòu)也面臨如下突出問題：（1）缺乏單井自治和數(shù)據(jù)緩存機(jī)制：油田現(xiàn)場地理位置偏遠(yuǎn)，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信號(hào)時(shí)常中斷，現(xiàn)場數(shù)據(jù)不能及時(shí)回傳和控制；（2）無法實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)過濾：油氣井生產(chǎn)長期處于穩(wěn)定狀態(tài)，數(shù)據(jù)幾乎不變，不僅浪費(fèi)有限的傳輸鏈路，同時(shí)也會(huì)擠占有限的存儲(chǔ)空間；（3）無法實(shí)現(xiàn)邊緣快速計(jì)算和實(shí)時(shí)響應(yīng)：針對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解析、格式轉(zhuǎn)換、治理分析、數(shù)據(jù)傳輸、參數(shù)調(diào)控的業(yè)務(wù)邏輯要求實(shí)時(shí)性較高，特別是異常狀況下的保護(hù)性停機(jī)等，很難滿足實(shí)時(shí)性需求。

基于以上需求，提出了支持井場智能采集與作業(yè)區(qū)邊緣計(jì)算的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)新型架構(gòu)，根據(jù)云、邊、端平臺(tái)有效地協(xié)同現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析決策，從云端延伸到井站，實(shí)現(xiàn)了井場、作業(yè)區(qū)、公司對(duì)油氣生產(chǎn)過程的全面感知、可靠傳輸、智慧應(yīng)用，如圖2 所示?！霸?邊-端”協(xié)同的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的端側(cè)部署在井場、站庫，邊緣計(jì)算部署在作業(yè)區(qū)、聯(lián)合站，云平臺(tái)部署在油田公司。

圖2 “云-邊-端”協(xié)同的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)部署了各類智能化服務(wù)模塊，包括載荷、壓力、流量等傳感類，RTU、PLC 等控制類，智能網(wǎng)關(guān)、邊緣推理等邊緣計(jì)算類，物聯(lián)網(wǎng)集群、認(rèn)知計(jì)算集群和AI 集群等云化集群部署類，實(shí)現(xiàn)了云能力延伸邊緣、邊緣數(shù)據(jù)快速上云、多網(wǎng)絡(luò)接入支持、應(yīng)用服務(wù)發(fā)現(xiàn)與負(fù)載均衡、AI 算法邊緣和端側(cè)部署及升級(jí)。無線傳感器具有小型化、低速率、低功耗、快速部署、便于維護(hù)的特點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)控制方面得到了廣泛應(yīng)用。

邊緣計(jì)算通過把小型帶有計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)接入能力的設(shè)備部署在邊緣端，將智能傳感器、有線儀表和用戶緊密相連，既可以滿足邊緣設(shè)備計(jì)算能力擴(kuò)展需求，又可以有效減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，降低數(shù)據(jù)時(shí)延。邊緣計(jì)算面向的對(duì)象包括來自邊緣端物聯(lián)網(wǎng)的上行數(shù)據(jù)和來自云計(jì)算中心的下行數(shù)據(jù)。

2 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“云-邊-端”協(xié)同的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的邊緣計(jì)算能力，可以在邊緣端進(jìn)行通信協(xié)議解析、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后實(shí)時(shí)響應(yīng)感知執(zhí)行層設(shè)備，將異常數(shù)據(jù)過濾后進(jìn)行規(guī)則學(xué)習(xí)，計(jì)算報(bào)警閾值，觸發(fā)異常報(bào)警和預(yù)警，實(shí)時(shí)決策控制生產(chǎn)參數(shù)，提高響應(yīng)能力，降低時(shí)延，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控的目標(biāo)。

2.1 感知控制層

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)感知控制層是通過傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)、RTU 等設(shè)備自動(dòng)采集、處理、存儲(chǔ)油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)；通過智能攝像機(jī)、危害氣體監(jiān)測(cè)等裝置，自動(dòng)采集現(xiàn)場生產(chǎn)的環(huán)保問題信息、油氣泄漏信息、人員闖入信息，并傳輸?shù)骄畧鲞吘壱惑w化機(jī)，同時(shí)將采集的原始數(shù)據(jù)和邊緣端的決策數(shù)據(jù)一起上傳到云端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)環(huán)境狀態(tài)、人員行為等全方位安全模式分析及識(shí)別等智能應(yīng)用；同時(shí)，通過PLC、控制閥等自動(dòng)化控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)調(diào)控。感知控制層的功能設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 感知控制子系統(tǒng)功能

2.2 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)采用有線、專網(wǎng)和無線通信技術(shù)組成無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將單井及邊遠(yuǎn)站庫采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)高效、安全、穩(wěn)定地傳輸；距站庫較近井場的數(shù)據(jù)及視頻信號(hào)通過有線網(wǎng)絡(luò)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。通過網(wǎng)絡(luò)鏈接端側(cè)（井場、站庫）、邊緣計(jì)算（作業(yè)區(qū)、聯(lián)合站）、云平臺(tái)（油田公司），即生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸模式為井場、站庫→油氣田作業(yè)區(qū)、聯(lián)合站→油氣田公司，如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

2.3 邊緣計(jì)算層

在油田物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算系統(tǒng)中邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)備具有豐富的下聯(lián)設(shè)備接口，包含以太網(wǎng)口、RS 232/485 串口、數(shù)字輸入/輸出接口以及4G/5G 模塊。邊緣網(wǎng)關(guān)既具有訪問互聯(lián)網(wǎng)的功能，也可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、降頻、過濾、聚合、分析、模型處理功能[6]，是集數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、通信網(wǎng)關(guān)、邊緣計(jì)算、智能控制五項(xiàng)功能于一體的高度集成智能邊緣網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備“可監(jiān)測(cè)、可控制、自優(yōu)化”的智能運(yùn)行方式，賦能現(xiàn)場設(shè)備升級(jí)為“會(huì)思考的機(jī)器”，方便應(yīng)用場景編排和業(yè)務(wù)擴(kuò)展。邊緣計(jì)算層的核心功能與傳感器鏈接接口如圖5 所示。

圖5 邊緣計(jì)算層的核心功能示意圖

通過在井場、站庫、作業(yè)區(qū)部署邊緣網(wǎng)關(guān)，將傳統(tǒng)云端計(jì)算存儲(chǔ)下放至邊緣端，實(shí)現(xiàn)邊端設(shè)備協(xié)議數(shù)據(jù)包解析、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)過濾和報(bào)警提醒以及設(shè)備連鎖邏輯控制，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)中斷造成數(shù)據(jù)丟失和控制功能失效的風(fēng)險(xiǎn)，降低停井、躺井風(fēng)險(xiǎn)，提高采油生產(chǎn)時(shí)效和油氣井壽命，保障生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備管理

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理主要包括與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)信道、功能配置、時(shí)間同步、網(wǎng)絡(luò)安全等相關(guān)的功能。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理主要是負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)化的壓力溫度儀表、流量計(jì)、動(dòng)液面、示功儀、網(wǎng)關(guān)、攝像機(jī)、路由等物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控[5]。該子系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備管理系統(tǒng)功能

2.5 生產(chǎn)經(jīng)營管理云中心

生產(chǎn)經(jīng)營管理云中心子系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供油氣生產(chǎn)的業(yè)務(wù)狀態(tài)報(bào)告、生產(chǎn)流程可視化與經(jīng)營指標(biāo)跟蹤、生成經(jīng)營KPI動(dòng)態(tài)報(bào)表、線上信息共享、優(yōu)化協(xié)同環(huán)境、分享協(xié)同成果、生產(chǎn)過程全景展示等。實(shí)時(shí)掌握油氣生產(chǎn)狀況、運(yùn)營狀況、關(guān)鍵指標(biāo)等，并輔助調(diào)整油田的生產(chǎn)方法和經(jīng)營策略，從而進(jìn)一步提高油田生產(chǎn)管理水平。該子系統(tǒng)的功能如圖7所示。

3 智能采油生產(chǎn)監(jiān)測(cè)調(diào)控系統(tǒng)

隨著油田開發(fā)步入中后期，非均質(zhì)油藏區(qū)塊層間矛盾突出，常規(guī)的合注合采開發(fā)模式已經(jīng)不能滿足油田開發(fā)的需求?；谝嚎睾碗娍氐闹悄懿捎凸に嚰夹g(shù)是針對(duì)油田精細(xì)分層開采開發(fā)提出的一項(xiàng)采油技術(shù)，應(yīng)用“云-邊-端”協(xié)同的采油生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)感知油藏注采生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，實(shí)時(shí)遙控注水井分層段配注、油井分層段開采、機(jī)采舉升系統(tǒng)運(yùn)行。

3.1 分層注水智能測(cè)調(diào)系統(tǒng)

對(duì)于層內(nèi)、層間非均質(zhì)性強(qiáng)的生產(chǎn)井，籠統(tǒng)注水不能實(shí)現(xiàn)有效控制單層注水，分層注水工藝技術(shù)是主要的注水增效技術(shù)手段。油田分層注水井常規(guī)測(cè)調(diào)技術(shù)必須通過鋼絲、電纜或動(dòng)管柱作業(yè)才能實(shí)現(xiàn)，不僅受到井斜和場地的限制，還要停注降產(chǎn)，作業(yè)效率低下，施工成本高昂。為了解決常規(guī)測(cè)調(diào)技術(shù)的不足，發(fā)展了電纜永置式測(cè)調(diào)分注技術(shù)[7]，實(shí)現(xiàn)了注水井的智能化調(diào)控。

分層注水智能測(cè)調(diào)系統(tǒng)由井口和井下兩部分組成。井口部分主要包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、智能RTU、邊緣一體機(jī)、定量控制閥等；井下部分主要包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、智能配水器、穿越式封隔器等，如圖8 所示。該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)井口注水壓力、溫度、流量以及井筒每個(gè)層段嘴前/嘴后壓力、溫度、流量等，實(shí)時(shí)獲取油套管及水嘴前后壓力值、各注入層瞬時(shí)流量值、吸水指數(shù)；通過壓力監(jiān)測(cè)流量計(jì)工作狀況，用流量和壓力監(jiān)測(cè)各密封位的工作狀況。

圖8 智能注水監(jiān)測(cè)調(diào)控系統(tǒng)

3.2 智能采油監(jiān)測(cè)調(diào)控系統(tǒng)

智能采油監(jiān)測(cè)調(diào)控系統(tǒng)主要由地面井口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、井下動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、井下機(jī)泵組監(jiān)控系統(tǒng)等組成，用于抽油井舉升設(shè)備工況、井下狀態(tài)參數(shù)和流量的采集與調(diào)控以及設(shè)備運(yùn)行控制[8]，如圖9 所示。

圖9 智能采油監(jiān)測(cè)調(diào)控系統(tǒng)

近年來，隨著機(jī)采系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化建設(shè)的速度加快，逐漸形成了抽油機(jī)井示功圖和電參數(shù)兩種物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)模式，無桿泵井從采集地面電參發(fā)展到采集地面電參+井下溫壓振動(dòng)等多參數(shù)模式[9]。機(jī)采井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由油井傳感器、智能RTU、傳輸網(wǎng)絡(luò)等組成，監(jiān)測(cè)井口/井下壓力、溫度、載荷、位移、電參和井下泵的運(yùn)行工況等，還與井下分層監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)結(jié)合，為油田用戶提供了報(bào)警、診斷、預(yù)警、優(yōu)化決策的服務(wù)。

抽油機(jī)井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括載荷、位移、轉(zhuǎn)速、溫度壓力傳感器、流量計(jì)、動(dòng)液面儀、智能RTU、電參數(shù)采集單元等[10]。載荷和位移傳感器分別實(shí)現(xiàn)對(duì)懸點(diǎn)載荷和位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，生成地面示功圖。電參數(shù)采集模塊監(jiān)測(cè)控制柜電流、功率等電參數(shù)據(jù)。溫度壓力傳感器、流量計(jì)和動(dòng)液面儀主要監(jiān)測(cè)采出液溫度、壓力和流量，如圖10 所示。

圖10 抽油機(jī)井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

無桿舉升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝有智能RTU 和井下多參傳感器，如圖11 所示，主要測(cè)量泵入口／出口壓力、電機(jī)溫度、井下溫度、電機(jī)和泵振動(dòng)、絕緣信號(hào)等。

圖11 無桿泵井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

4 結(jié) 語

（1）“云-邊-端”協(xié)同的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過部署智能化生態(tài)服務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)了云能力延伸邊緣、邊緣數(shù)據(jù)快速上云、多網(wǎng)絡(luò)接入支持、應(yīng)用服務(wù)發(fā)現(xiàn)與負(fù)載均衡、AI 算法邊緣、端側(cè)部署及升級(jí)。

（2）“云-邊-端”協(xié)同的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的邊緣計(jì)算能力，可以在邊緣端進(jìn)行通信協(xié)議解析、觸發(fā)異常報(bào)警和預(yù)警，提高響應(yīng)能力，降低時(shí)延，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控的目標(biāo)。

（3）未來應(yīng)開展分層采油、分層注水技術(shù)的區(qū)塊協(xié)同監(jiān)測(cè)調(diào)控研究，根據(jù)同一區(qū)塊注入端和采出端多層段連續(xù)、長期、豐富的井下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行注入端和采出端參數(shù)實(shí)時(shí)匹配調(diào)控，實(shí)現(xiàn)油氣田開發(fā)調(diào)整由“滯后調(diào)控”向“實(shí)時(shí)優(yōu)化”轉(zhuǎn)變。