尚文利 ，鄭東梁 ，劉賢達(dá) ，劉春宇 ，李世超

（1.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所，沈陽 110016；2.中國科學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)重點實驗室，沈陽 110016；3.沈陽信誠環(huán)境技術(shù)有限公司，沈陽 110043）

我國油田企業(yè)數(shù)據(jù)資源建設(shè)正逐步從分散走向集中，為智能油田建設(shè)奠定了良好基礎(chǔ)[1-2]。智能油田是在數(shù)字油田的基礎(chǔ)上，更加強(qiáng)調(diào)動態(tài)、自動、深入和主動，即從靜態(tài)數(shù)據(jù)到實時動態(tài)數(shù)據(jù)，從人工操作到自動操控，從對數(shù)據(jù)的簡單分析到精細(xì)模擬和深入分析，從被動響應(yīng)到主動持續(xù)優(yōu)化[3]。為構(gòu)建智慧油田，中國石油集團(tuán)公司“十二五”信息技術(shù)總體規(guī)劃明確將“油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（A11）”作為重點建設(shè)項目。

以往采油廠在油氣生產(chǎn)與經(jīng)營管理中，一些工作采用傳統(tǒng)的人工方式完成。如方案設(shè)計的人工傳送與審批、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的人工計算與統(tǒng)計、生產(chǎn)及車輛的人工調(diào)度等，這種工作方式導(dǎo)致了工作勞動強(qiáng)度大、速度慢、效率低等問題[4-7]。而傳統(tǒng)的采油綜合管理系統(tǒng)中，硬件傳輸采用有線傳輸方式，成本高，鋪設(shè)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(chǎn)指導(dǎo)意義，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中資源的浪費[8-13]；并且系統(tǒng)沒有統(tǒng)籌資源的優(yōu)化配置，沒有整合各方信息，未達(dá)成真正的統(tǒng)一分析與綜合策略分析[14-19]。

在此，根據(jù)以往綜合管理系統(tǒng)上存在的缺點，設(shè)計了新型采油綜合應(yīng)用管理系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)，分析了硬件架構(gòu)、軟件架構(gòu)以及系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，并闡述了系統(tǒng)功能中相關(guān)的核心算法；設(shè)計和實現(xiàn)了軟件系統(tǒng)，并通過油田實際系統(tǒng)應(yīng)用證明了設(shè)計的系統(tǒng)和算法的可行性、高效性和實用性。

1 采油綜合應(yīng)用管理系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

采油綜合應(yīng)用管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。

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

1.2 硬件架構(gòu)

采油綜合應(yīng)用管理系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示。采油過程中的傳感器及監(jiān)測設(shè)備通過WIA-PA網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄畧鯮TU，RTU將現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)發(fā)送到各個工作站中，再通過工作站的無線網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一發(fā)送到控制中心，為上層系統(tǒng)進(jìn)行計算分析提供大量數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)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(wǎng)關(guān)、無線網(wǎng)橋等，采集了溫度、油壓、套壓、示功圖（載荷與位移的關(guān)系曲線）、電量等關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)。

圖2 采油油井?dāng)?shù)據(jù)采集的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)Fig.2 Internet of architecture for data acquisition of oil wells

1.3 軟件架構(gòu)

軟件采用B/S的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，包括數(shù)據(jù)顯示、功圖診斷、理論功圖、產(chǎn)量計量、產(chǎn)量分析、數(shù)據(jù)歷史趨勢等功能模塊。系統(tǒng)基于Struts 2框架，可以分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層。具體如圖3所示。

圖3 軟件技術(shù)架構(gòu)Fig.3 Software technology architecture

表現(xiàn)層用于顯示數(shù)據(jù)和接收用戶輸入的數(shù)據(jù)，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(wù)。使用JSP，HTML，JavaScript，CSS等技術(shù)手段。

業(yè)務(wù)邏輯層針對具體問題的操作，也可以說是對數(shù)據(jù)訪問層的操作，對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)邏輯處理。因為系統(tǒng)采用Struts 2架構(gòu)，因此后臺業(yè)務(wù)邏輯通過Action完成，包括一系列的Java類等。

數(shù)據(jù)層該層所做事務(wù)直接操作數(shù)據(jù)庫，針對數(shù)據(jù)的增添、刪除、修改、查詢等。本層使用JDBC的方式訪問關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 系統(tǒng)硬件關(guān)鍵技術(shù)

該系統(tǒng)采用WIA-PA無線通信技術(shù)進(jìn)行油田現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳輸。WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)是由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所等十余家單位共同提出的、面向工業(yè)過程自動化的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，2011年成為IEC國際標(biāo)準(zhǔn)，是國際工業(yè)無線技術(shù)領(lǐng)域中的重要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范之一，與國際 Wireless HART，ISA100，ZigBee主流標(biāo)準(zhǔn)并列。WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)能夠針對應(yīng)用條件和環(huán)境的動態(tài)變化，保持網(wǎng)絡(luò)性能的可靠和穩(wěn)定；能夠在低成本的商用器件上實現(xiàn)，降低技術(shù)開發(fā)與實現(xiàn)難度；用戶能夠以較低的投入換來易于使用和維護(hù)的工業(yè)無線監(jiān)控系統(tǒng)[19]。

井口安裝的載荷、壓力、電機(jī)轉(zhuǎn)速、流量計、電參數(shù)等傳感器將采集的數(shù)據(jù)，以短距離無線通信方式發(fā)送給RTU；RTU將數(shù)據(jù)解析處理后，通過網(wǎng)關(guān)、無線網(wǎng)橋上傳到控制室，進(jìn)入油田公司數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，通過系統(tǒng)服務(wù)器接收、解析、存儲和發(fā)布，然后提交給油田公司公共數(shù)據(jù)系統(tǒng)，由此實現(xiàn)了遠(yuǎn)程運維，用戶可以方便查詢和訪問相關(guān)數(shù)據(jù)?；赪IA工業(yè)無線傳感網(wǎng)技術(shù)的采油綜合應(yīng)用管理系統(tǒng)，通過現(xiàn)場應(yīng)用實施迭代更新完善[20-21]，具有良好的集成性、擴(kuò)展性，響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠等特點。

2.2 系統(tǒng)功能關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)自動處理技術(shù)的開發(fā)

井場數(shù)據(jù)自動處理主要包括：①數(shù)據(jù)異常判斷，對所采集數(shù)據(jù)做異常數(shù)據(jù)分析、故障診斷、軟件計量等處理。②生產(chǎn)故障預(yù)警，采集生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境信息，如視音頻信號，設(shè)備故障信號，可燃?xì)怏w、有毒害氣體濃度信號等，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的實時報警。③制定生產(chǎn)報表，根據(jù)油田人員需求對采集到的數(shù)據(jù)繪制成日報、周報。

2.2.2 獨特的應(yīng)用模塊

依托系統(tǒng)平臺，先后開發(fā)和集成了現(xiàn)場數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)、故障中心、功圖中心、報表中心、統(tǒng)計中心、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)、系統(tǒng)設(shè)置、報警管理等多個應(yīng)用模塊。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)模塊包括油井?dāng)?shù)據(jù)、井況統(tǒng)計數(shù)據(jù)、現(xiàn)場功圖和系統(tǒng)效率數(shù)據(jù)。應(yīng)用數(shù)據(jù)模塊包括油井歷史數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)曲線、產(chǎn)液量對比、動液面對比、曲線對比和翻斗計量數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)和報表審核等功能。統(tǒng)計中心模塊包括功況類型、動液面統(tǒng)計和產(chǎn)液量統(tǒng)計功能。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)模塊包括組織表維護(hù)、網(wǎng)關(guān)信息表維護(hù)、油井基礎(chǔ)表維護(hù)、油井儀表狀態(tài)維護(hù)、油井桿柱組合表維護(hù)、油氣藏物性數(shù)據(jù)表維護(hù)、單元間基礎(chǔ)表維護(hù)、單元間儀表表維護(hù)、單元間儀表狀態(tài)維護(hù)、系統(tǒng)效率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)和油井報警設(shè)置等功能。系統(tǒng)設(shè)置功能包括菜單導(dǎo)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(fā)

采油核心算法主要有工況故障診斷、動液面、產(chǎn)液量、間抽控制等。

其中，故障診斷能夠準(zhǔn)確分析和解釋抽油機(jī)工作狀態(tài)的好壞，并通過分析得到的工況采取相應(yīng)的措施。系統(tǒng)中故障診斷采用基于關(guān)聯(lián)度函數(shù)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(yán)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(zhǔn)確辨識的問題，并通過擴(kuò)大典型故障特征庫的樣本數(shù)，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(shù)。系統(tǒng)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(yōu)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(zhì)情況影響的問題，提高了動液面計算的精確度[23]。

產(chǎn)量計量能夠反映油井的產(chǎn)能、油井能力動態(tài)變化、抽油設(shè)備的工作情況以及措施作業(yè)的效果。系統(tǒng)中產(chǎn)量計算算法采用均值濾波的方法，通過消除示功圖中復(fù)雜的頻率部分精確求取示功圖有效沖程。它解決了以往產(chǎn)量計量算法中，有效沖程會因為功圖形狀的原因?qū)е鹿拯c的偏差和缺失，給計算產(chǎn)液量帶來誤差，提高了產(chǎn)量計量的精度。

泵效、平衡度等分析可以提高油井產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本，協(xié)調(diào)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(shù)的選擇是否合適。非節(jié)能型抽油機(jī)平衡度對節(jié)能降耗工作的意義是非常重要的。系統(tǒng)平衡度采用下行最大電流/上行最大電流的方式計算，數(shù)據(jù)來源于RTU直接采集的數(shù)據(jù)，不存在計算誤差。

基于動液面的油井變頻控制是調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)節(jié)能，調(diào)整抽油機(jī)沖次提高產(chǎn)量。系統(tǒng)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(jù)動液面與沖次之間的關(guān)系動態(tài)調(diào)整電機(jī)的運轉(zhuǎn)速度，從而達(dá)到在不影響甚至提高產(chǎn)液量的情況下節(jié)約電能。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用效果

采油綜合應(yīng)用管理系統(tǒng)已經(jīng)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(yīng)用。該系統(tǒng)的全面應(yīng)用推動了油田精細(xì)化、數(shù)字化的發(fā)展。

以遼河油田為例，該系統(tǒng)根據(jù)遼河油田的實際需求，通過采用WIA-PA無線通訊技術(shù)，實時采集與遠(yuǎn)程傳輸抽油機(jī)工況參數(shù)；配套開發(fā)了抽油機(jī)井工況的實時診斷、產(chǎn)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(jù)油田實際需求開發(fā)相應(yīng)功能。為采油綜合管理系統(tǒng)油井?dāng)?shù)據(jù)界面如圖4所示。

圖4 采油綜合管理系統(tǒng)油井?dāng)?shù)據(jù)界面Fig.4 Oil well data interface of integrated oil production management system

功圖診斷算法實現(xiàn)了遠(yuǎn)程診斷油井地下泵的工作狀態(tài)，涵蓋了16種工作狀態(tài)，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(jīng)過累計3年的數(shù)據(jù)分析與算法改進(jìn)，功圖診斷的正確率在96%以上。

產(chǎn)液量計量算法實現(xiàn)了油井遠(yuǎn)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(guān)系曲線，結(jié)合桿柱組合、原油黏度、原油密度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過求取曲率變化率最大的點，計算有效沖程，結(jié)合泵的漏失曲線求得產(chǎn)量，通過統(tǒng)計、分析進(jìn)行參數(shù)的修正、調(diào)整，達(dá)到最佳參數(shù)組合。同時結(jié)合含水率等參數(shù)，求得產(chǎn)液量與產(chǎn)油量。經(jīng)過累計3年的實踐與分析，目前的計算產(chǎn)液量單井平均誤差在7%以內(nèi)。

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(biāo)井的動液面進(jìn)行計算，目前的動液面平均計算誤差在7%以內(nèi)?；趧右好娴某橛途詣幼冾l控制，通過對供液不足的井進(jìn)行間抽控制，實現(xiàn)了油田的節(jié)能增產(chǎn)。采油綜合管理系統(tǒng)核心算法界面如圖5所示。

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

根據(jù)遼河油田技術(shù)人員的實際需求，開發(fā)了包括功圖疊加、定制化報表、功圖下載等相關(guān)功能，方便技術(shù)人員操作。采油綜合管理系統(tǒng)生產(chǎn)報表界面如圖6所示。

4 結(jié)語

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

文中分析了數(shù)字油田向智慧油田發(fā)展的趨勢，以及采注集輸綜合應(yīng)用管理系統(tǒng)的迫切需求和必要性，設(shè)計了新型采油綜合應(yīng)用管理系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)，闡述了硬件架構(gòu)以及軟件架構(gòu)，以及系統(tǒng)應(yīng)用到的相關(guān)核心技術(shù)，包括基于WIA-PA的無線通訊技術(shù)；功圖診斷、產(chǎn)量軟計量、動液面計算、自動變頻等相關(guān)核心算法；實際應(yīng)用證明了系統(tǒng)的可行性、高效性和實用性。該系統(tǒng)主要解決了油田開發(fā)生產(chǎn)管理方面的需求，為油田實現(xiàn)節(jié)能增產(chǎn)、科學(xué)化管理提供了依據(jù)，為進(jìn)一步實現(xiàn)智慧油田的建設(shè)打下了堅實的基礎(chǔ)。

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