基于物聯(lián)網(wǎng)的油田低碳智能井場監(jiān)控系統(tǒng)

摘 要：為實現(xiàn)油田井場生產(chǎn)智能化監(jiān)控與管理，降低能耗，提高生產(chǎn)效率，并推動井場向低碳智能化轉型。該智能井場監(jiān)控系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術，以邊緣計算為核心，依托分布式光伏發(fā)電和儲能，通過井場監(jiān)控智能動態(tài)協(xié)調和單井智能采油控制，在穩(wěn)定產(chǎn)量生產(chǎn)的基礎上，最大限度提升單井生產(chǎn)系統(tǒng)效率，縮短開井時間，并通過井場智能群控協(xié)調，高產(chǎn)多抽、低產(chǎn)少抽，錯峰填谷、充分利用清潔能源，實現(xiàn)油井井場低碳智能運行。該系統(tǒng)能夠提高井場生產(chǎn)效率，對油氣行業(yè)數(shù)字化轉型與智能化發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

關鍵詞：油田；物聯(lián)網(wǎng)；智能井場；能碳協(xié)調；工況診斷；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-000-03

0 引 言

近年來，全球范圍內(nèi)的環(huán)境保護意識不斷增強，低碳經(jīng)濟模式已成為社會發(fā)展的必然選擇[1]。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展與普及，其在油田領域的應用也越來越廣

泛[2-3]。物聯(lián)網(wǎng)技術的引入為井場系統(tǒng)帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)，使其能夠更有效地實現(xiàn)低碳化運營[4-5]。對于傳統(tǒng)井場系統(tǒng)而言，能源消耗和碳排放一直是一道難題，不僅對環(huán)境造成損害，還限制了系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。傳統(tǒng)井場需要大量的人力投入，工作強度較大，存在人力資源限制和管理等難題[6]。且信息傳遞通常依賴于人工溝通，存在信息傳遞滯后和較大誤差的可能性。傳統(tǒng)井場的工作效率相對較低，可能存在一些不必要的時間和資源浪費[7]。因此，為了實現(xiàn)油田井場智能化監(jiān)控與管理，降低能耗，提高生產(chǎn)效率，并推動油田井場的低碳轉型，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的油田低碳智能井場監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以邊緣計算為核心，依托分布式光伏發(fā)電和儲能，通過井場能源智能動態(tài)協(xié)調和單井智能采油控制，在穩(wěn)量生產(chǎn)的基礎上，最大限度提升單井生產(chǎn)系統(tǒng)效率，減少開井時間，并通過井場智能群控協(xié)調，高產(chǎn)多抽、低產(chǎn)少抽，錯峰填谷，充分利用清潔能源，實現(xiàn)油井井場低碳（零碳）智能運行。

采用物聯(lián)網(wǎng)技術，智能井場監(jiān)控系統(tǒng)可以與其他相關設備和系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通，促進信息共享和協(xié)同工作。進一步推動可持續(xù)發(fā)展的理念在井場領域的應用，為建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會貢獻力量。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的低碳智能井場監(jiān)控系統(tǒng)組成

低碳智能井場監(jiān)控系統(tǒng)主要由光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)、抽油機智能采油控制系統(tǒng)、井場智能群控控制系統(tǒng)以及遠程監(jiān)控端組成。

光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)包括井場太陽能光伏板、電網(wǎng)、井場儲能電池和井場配電柜。主要為了實現(xiàn)光伏發(fā)電控制及電網(wǎng)智能切換，提供井場運行總電力。光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)利用太陽能發(fā)電，可以降低能源消耗，對環(huán)境更加友好[8]。

抽油機智能采油控制系統(tǒng)通過傳感器采集抽油機的運行數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸至控制中心進行實時監(jiān)測和分析，從而實現(xiàn)對單油井抽油機運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控和智能采油控制。

井場智能群控控制系統(tǒng)主要安裝于井場智能控制柜中，旨在實現(xiàn)井場間抽群控和錯峰啟停（井場電力動態(tài)智能分配協(xié)調）以及井場數(shù)據(jù)的遠程通信。

遠程監(jiān)控端主要負責監(jiān)控實時數(shù)據(jù)及井場運行狀態(tài)。通過安裝相關數(shù)據(jù)采集和管理設備，并將數(shù)據(jù)上傳至服務器，實現(xiàn)對井場數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和管理。

基于物聯(lián)網(wǎng)的低碳智能井場監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 低碳智能井場監(jiān)控系統(tǒng)架構

“低碳井場”以井場智能融合網(wǎng)關為核心，依托多種融合網(wǎng)絡接入、本地數(shù)據(jù)庫、強大的硬件資源、嵌入式Web，利用邊緣計算技術，通過井場能源智能動態(tài)協(xié)調和單井智能采油控制，在穩(wěn)量生產(chǎn)的基礎上，最大限度提升單井生產(chǎn)系統(tǒng)效率，保證井場良好的生產(chǎn)工況，提升運行維護效率，實現(xiàn)“井場自治”的目標。低碳智能井場監(jiān)控系統(tǒng)架構如圖2所示。

快捷接入：支持井場油水井、儀表、作業(yè)措施裝置快速融合接入；

邊緣計算：生產(chǎn)工藝建設算法模型，實現(xiàn)油井產(chǎn)液量、耗電量、碳排、動液面、系統(tǒng)效率的實時邊緣計算；

智能生產(chǎn)：實現(xiàn)井場智能動態(tài)協(xié)調控制與井場智能自治；

能碳協(xié)同：利用高效的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和集中式電池儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)光伏發(fā)電控制及電網(wǎng)智能切換，提供井場運行總電力，降低能耗和碳排放；

安全生產(chǎn)：基于視頻實時分析及工況診斷，制定油井啟停安全策略與井場安全生產(chǎn)策略；

智能運維：完成井場設備在線管理，井場巡檢與診斷，異常報警與處理，實現(xiàn)井場智能運維。

3 低碳智能井場監(jiān)控實現(xiàn)功能

3.1 井場智能監(jiān)控

井場運行監(jiān)控主要包括視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析、故障預警與維護管理以及數(shù)據(jù)可視化與報表分析。

視頻監(jiān)控：基于物聯(lián)網(wǎng)的低碳井場運行監(jiān)控系統(tǒng)通常會配備視頻監(jiān)控設備，用于實時監(jiān)測井場的運行情況。視頻監(jiān)控可以覆蓋井場的各個區(qū)域，包括井口、井場設備、作業(yè)區(qū)域等。通過視頻監(jiān)控，可以實時觀察井場的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)異常情況。

數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析：低碳井場運行監(jiān)控系統(tǒng)會采集井場的各種數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量等，通過傳感器等設備進行實時監(jiān)測。這些數(shù)據(jù)會被傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)中進行分析和處理，以便及時發(fā)現(xiàn)異常情況，并采取相應措施。

故障預警與維護管理：低碳井場運行監(jiān)控系統(tǒng)可以通過數(shù)據(jù)分析和算法模型實現(xiàn)故障預警功能。當監(jiān)測到井場設備或系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)會及時發(fā)出警報，并提供相應的維護建議。這有助于提前預防設備故障，減少停機時間，提高生產(chǎn)效率。

數(shù)據(jù)可視化與報表分析：低碳井場運行監(jiān)控系統(tǒng)可以將采集的數(shù)據(jù)進行可視化展示，以圖表、報表等形式呈現(xiàn)給操作人員。通過數(shù)據(jù)可視化和報表分析，操作人員可以更直觀地了解井場的運行情況，及時做出決策和調整。

3.2 高效能碳協(xié)同

低碳智能井場通過分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)互補或獨立運行，減少對傳統(tǒng)能源的依賴，降低碳排放。同時，通過實時監(jiān)測和分析油井的運行狀態(tài)，調整間抽周期和間抽時長，最大程度提高油井的產(chǎn)能和能源利用效率，同時減少能源的浪費和碳排放。該系統(tǒng)運用能耗數(shù)據(jù)采集與分析、智能控制與優(yōu)化、新能源的應用以及綠色轉型與創(chuàng)新等手段，實現(xiàn)井場能耗的平衡和優(yōu)化，推動井場向綠色低碳方向發(fā)展。

3.3 高精度功圖計產(chǎn)

功圖計產(chǎn)由智能井場采集地面示功圖數(shù)據(jù)，通過示功圖的油井間接數(shù)據(jù)和油井動液面、油壓、套壓、含水率的油井直接數(shù)據(jù)進行產(chǎn)液量融合計算和修正，通過智能化的算法分析，可以對油井的產(chǎn)量進行預測和評估，實現(xiàn)產(chǎn)液量的實時分析計算并提供準確的計產(chǎn)數(shù)據(jù)。為系統(tǒng)效率提升、智能間開提供最直接的依據(jù)和效果判定標準。最終將計算結果上傳至智能采油平臺。

智能井場的功圖計產(chǎn)是通過將功圖計產(chǎn)算法與智能井場融合終端相結合，實現(xiàn)對油井產(chǎn)液量的智能化計算和監(jiān)測，提高生產(chǎn)管理效率和精細化程度。

3.4 工況診斷與預警

工況診斷通過應用人工智能技術對油井的工況進行實時監(jiān)測和分析，以實現(xiàn)故障預警、異常診斷和優(yōu)化控制的一種技術手段。具體實現(xiàn)方法主要分為四步，分別是：初步診斷、故障診斷、特殊故障和模型優(yōu)化。

初步診斷：通過提取功圖基本特征值，初步判斷儀表測量問題和系統(tǒng)基本故障。

故障診斷：通過對功圖數(shù)據(jù)進行處理，分別從載荷、位移、功圖形狀等多個維度進行系統(tǒng)故障詳細分析。

特殊故障：運用大數(shù)據(jù)分析思想，結合歷史數(shù)據(jù)對故障進行再次確認和分析，避免出現(xiàn)誤診斷。

模型優(yōu)化：基于神經(jīng)網(wǎng)絡的分析方法，利用現(xiàn)場故障確認，通過系統(tǒng)自學習功能，實現(xiàn)系統(tǒng)的不斷完善。

工況診斷具體實現(xiàn)方法如圖3所示。

3.5 智能間抽控制

通過物聯(lián)網(wǎng)技術對實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行全面采集，包括實時功圖、電參、油套壓、動液面、含水率的采集，在邊緣端實現(xiàn)產(chǎn)液量實時計算、耗電量的實時監(jiān)測。基于實時動液面連續(xù)準確測量，結合油井滲透規(guī)律動態(tài)尋優(yōu)間抽生產(chǎn)制度，通過自動化控制和遠程智能化管理，合理設置間抽計劃，實現(xiàn)智能錯峰控制，提高供液效率。智能間抽技術的應用可以降低人工成本、提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)節(jié)能減排[9-10]。

4 結 語

基于物聯(lián)網(wǎng)的低碳智能井場監(jiān)控系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)對井場監(jiān)控的智能化管理和低碳化運營。通過傳感器和數(shù)據(jù)采集設備，對井場設備的運行狀態(tài)、能耗情況和環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應措施。

通過云平臺和大數(shù)據(jù)分析技術對井場設備的運行數(shù)據(jù)進行分析和挖掘，提取有價值的信息，為運維決策提供科學

依據(jù)。

通過對光伏發(fā)電系統(tǒng)和井場能源消耗數(shù)據(jù)的分析，結合人工智能和大數(shù)據(jù)技術，優(yōu)化能源利用和管理策略，提高能源利用效率并降低碳排放。

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