徐國(guó)民 付堯（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

物聯(lián)網(wǎng)這一概念是由麻省理工學(xué)院Ashton 教授于1999 年最早提出的，其理念是基于射頻識(shí)別(RFID)、電子代碼(EPC)等技術(shù)，在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造一個(gè)實(shí)現(xiàn)全球物品信息實(shí)時(shí)共享的實(shí)物互聯(lián)網(wǎng)，即物聯(lián)網(wǎng)（IOT）。在IOT 基礎(chǔ)上升級(jí)，將人、流程、數(shù)據(jù)和事物結(jié)合一起使得網(wǎng)絡(luò)連接變得更加相關(guān)、更有價(jià)值，即萬(wàn)物互聯(lián)(IOE)。而機(jī)采井舉升系統(tǒng)數(shù)字化管理是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在石油開發(fā)開采過(guò)程中的具體應(yīng)用，通過(guò)實(shí)施機(jī)采井舉升系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)，機(jī)采井各類數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、處理與應(yīng)用，管理模式轉(zhuǎn)型再造，信息系統(tǒng)整合升級(jí)，促進(jìn)管理組織模式和勞動(dòng)組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升科學(xué)決策和管理水平，降低生產(chǎn)運(yùn)行成本，提高生產(chǎn)本質(zhì)安全。

1 機(jī)采井舉升系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)背景

1.1 油田發(fā)展

油田開發(fā)進(jìn)入特高含水后期，水驅(qū)、聚驅(qū)和三元復(fù)合驅(qū)三種驅(qū)替方式并存，抽油機(jī)、螺桿泵和電泵三種舉升技術(shù)并存，舉升配套技術(shù)復(fù)雜多樣，用工成本高（人工成本占操作成本比例達(dá)35.5%）不利于油田控本增效、可持續(xù)發(fā)展。為此統(tǒng)計(jì)了2011—2019年喇嘛甸油田成本變化趨勢(shì)（圖1）。

1.2 具體要求

1）集團(tuán)公司2019 年領(lǐng)導(dǎo)干部會(huì)議，明確提出了科技創(chuàng)新方向上加快發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能同實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，努力建設(shè)智能油氣田。

圖1 2011—2019年喇嘛甸油田成本變化趨勢(shì)

2）集團(tuán)公司2019 年基礎(chǔ)管理工作會(huì)議上，提出了要推動(dòng)“金字塔”型向扁平化管理架構(gòu)轉(zhuǎn)變。要推動(dòng)“油公司”模式建設(shè)與技術(shù)進(jìn)步、數(shù)字化、智能化深度結(jié)合，提高數(shù)據(jù)分析集成和遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)診斷、自動(dòng)處理能力，打造適應(yīng)新型組織結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)模式的信息管理平臺(tái)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，積極推行集中監(jiān)控、無(wú)人值守、有人巡檢、專業(yè)維修的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)模式。

3）2020 年初，戴厚良董事長(zhǎng)在聽取國(guó)內(nèi)勘探與生產(chǎn)業(yè)務(wù)工作匯報(bào)的講話中，明確提出加強(qiáng)勘探開發(fā)夢(mèng)想云平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用，完善油氣田配套建設(shè)方案，加大物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G 技術(shù)、人工智能等研究應(yīng)用力度，加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型，推動(dòng)數(shù)字化、智能化油氣田建設(shè)邁上新臺(tái)階。

綜上所述，開展機(jī)采井舉升系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化采集、自動(dòng)化分析、智能化管控，最終實(shí)現(xiàn)智慧化油田管理模式，能夠提高機(jī)采井運(yùn)行效率，提升機(jī)采系統(tǒng)管理水平，最終實(shí)現(xiàn)提質(zhì)提效、減員增效的目的，對(duì)實(shí)現(xiàn)油田高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

2 機(jī)采井舉升系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)思路

提高機(jī)采舉升系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化程度的核心是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集、數(shù)據(jù)信息高效率傳輸、后臺(tái)數(shù)據(jù)智能化分析、遠(yuǎn)程調(diào)控優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)。以存量立足改造；增量源頭開發(fā)設(shè)計(jì)智能控制柜，增加實(shí)現(xiàn)以電參為主的“工況診斷、能耗分析和遠(yuǎn)程控制”功能為原則，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制管理，實(shí)現(xiàn)全時(shí)段、全工況機(jī)采井在線分析；實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果精準(zhǔn)及時(shí)、真實(shí)性強(qiáng)的結(jié)果導(dǎo)向，達(dá)到提質(zhì)提效、減員增效的目標(biāo)導(dǎo)向。

在數(shù)據(jù)自動(dòng)采集方面，由人工錄取向物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化；在智能優(yōu)化決策方面，由人工診斷向自學(xué)習(xí)智能分析轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)智能化；在高效生產(chǎn)管控方面，由人工調(diào)控向自優(yōu)化調(diào)整控制轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)智慧化。

1）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集基礎(chǔ)是提高資料全準(zhǔn)率。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料采集的需求，保證資料錄取準(zhǔn)確度高，科學(xué)制全時(shí)段采樣頻次，確保合理高效。

2）數(shù)據(jù)信息高效率傳輸。通過(guò)無(wú)線設(shè)備，實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)傳輸。

3）后臺(tái)數(shù)據(jù)智能化分析?；谥惺涂碧皆翰捎退峁┑碾妳⒛Ｊ礁吲浒娣桨笇?shí)現(xiàn)電參示功圖在線診斷、產(chǎn)液量計(jì)量、動(dòng)液面計(jì)算、能耗在線分析。

4）遠(yuǎn)程控制優(yōu)化參數(shù)。開發(fā)PC 端軟件及手機(jī)端APP，實(shí)現(xiàn)智能互聯(lián)。

最終以信息化為支撐、專業(yè)化為手段、數(shù)字化為架構(gòu)，建立起油田指揮中心、采油廠調(diào)度中心、采油礦（作業(yè)）管控中心的智慧化管理模式，提高物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化程度工作框架見圖2。

3 機(jī)采井舉升系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)原理

3.1 基于電參數(shù)的數(shù)字化采集

根據(jù)機(jī)采數(shù)字化工程建設(shè)需求，主要采集10項(xiàng)數(shù)據(jù)，機(jī)采系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分類終端設(shè)備配置及單價(jià)見表1。

圖2 提高物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化程度工作框架

表1 機(jī)采系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分類終端設(shè)備配置表及單價(jià)

按照現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有設(shè)備類型，分別配套相應(yīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備完成單井設(shè)備升級(jí)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的采集。變頻配電箱配套輔助監(jiān)測(cè)裝置智能組網(wǎng)模塊、無(wú)變頻配電箱配套整體監(jiān)測(cè)裝置、已有采集功能配套顯示交互單元智能組網(wǎng)模塊[3]。

3.1.1 電參數(shù)的采集

抽油機(jī)井電參采集裝置通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、曲柄位置傳感器對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率、電壓、功率等參數(shù)實(shí)時(shí)采集。在電動(dòng)機(jī)上安裝電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和在曲柄上安裝曲柄位置傳感器，實(shí)時(shí)掌握曲柄位置，建立以曲柄為坐標(biāo)的精確定位系統(tǒng)，標(biāo)定位置。其中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角，速度變化及運(yùn)行方向的采集、 曲柄位置傳感器實(shí)現(xiàn)曲柄位置及角度的監(jiān)測(cè)及采集[4]。

而螺桿泵井可從原井控制柜中直接讀取電參數(shù)、扭矩和轉(zhuǎn)速；電泵井從原井控制柜中直接讀取電參數(shù)。

3.1.2 油套壓和回油溫度的采集

通過(guò)在井口安裝壓力傳感器及溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)油壓、套壓及回油溫度的采集。

3.2 高效率傳輸

基于VPDN 技術(shù)，配合無(wú)線設(shè)備，實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)傳輸。油井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集后打包，傳送到中石油唯一對(duì)公網(wǎng)的DMZ 數(shù)隔離區(qū)，隔離區(qū)可無(wú)縫與中石油內(nèi)網(wǎng)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)接軌。

接軌后，還不足以支持生產(chǎn)監(jiān)控、分析的需求，因此，利用現(xiàn)有A2、A5 數(shù)據(jù)，補(bǔ)充物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的不足，同時(shí)，為去除各種各樣的數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題，構(gòu)建大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，去除冗余、修正錯(cuò)誤，增強(qiáng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)可用性。

該項(xiàng)技術(shù)具有三項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)：一是不需建立基站及搭設(shè)配套線路，一次性投入費(fèi)用低；二是多終端同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，不受障礙物遮擋，保障通訊效率；三是網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)線加密形式，杜絕數(shù)據(jù)傳輸時(shí)外泄可能性。

3.3 智能化分析

油田生產(chǎn)過(guò)程中，存在分析、診斷、計(jì)量、決策等問(wèn)題。有些問(wèn)題通過(guò)現(xiàn)有的理論公式、人工分析達(dá)不到預(yù)期的結(jié)果。因此，引入新一代人工智能技術(shù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)、不同問(wèn)題進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系的建模學(xué)習(xí)。充分利用油田多年的積累數(shù)據(jù)、將專家經(jīng)驗(yàn)量化、挖掘數(shù)據(jù)關(guān)系、構(gòu)建不同的生產(chǎn)模型，輔助油田生產(chǎn)[5-6]。

3.3.1 基于電參示功圖的工況在線診斷

通過(guò)電動(dòng)機(jī)有效功率，綜合考慮各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率，計(jì)算出懸點(diǎn)載荷，根據(jù)位置與載荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系繪制電參采集裝置工作原理示意圖（圖3），在線診斷油井工況，并對(duì)泵況井、參數(shù)不合理井采取相應(yīng)治理措施。電參示功圖測(cè)試滿足機(jī)采井智能化建設(shè)需求。

圖3 電參采集裝置工作原理示意圖

3.3.2 基于電參示功圖的產(chǎn)液量計(jì)量

根據(jù)電參示功圖，考慮各種因素導(dǎo)致的沖程損失，計(jì)算出有效沖程，根據(jù)有效沖程求得每一個(gè)沖程產(chǎn)液量。錄取電參數(shù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，形成電參示功圖，并根據(jù)彈性變形、泵漏失、氣影響、充滿度幾項(xiàng)參數(shù)，建立計(jì)產(chǎn)模型，得到有效沖程，計(jì)算累計(jì)產(chǎn)量。

3.3.3 基于電參示功圖的動(dòng)液面計(jì)算

根據(jù)示功圖平均載荷差值，計(jì)算出有效舉升液柱載荷，折算出有效舉升高度，再根據(jù)油壓套壓折算出動(dòng)液面深度。該項(xiàng)技術(shù)具有三項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)：結(jié)合智能管控目標(biāo)，摸索油井定液面運(yùn)行方式；取消常規(guī)低壓測(cè)試，減輕了測(cè)試分析工作量；結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出系統(tǒng)效率，便于能耗的分析與管控。

3.3.4 基于電參數(shù)的能耗在線分析

利用能耗控制圖和單井電量，進(jìn)行能耗監(jiān)控和預(yù)警，查找原因，制定對(duì)策，精準(zhǔn)評(píng)價(jià)措施效果，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)優(yōu)化管理。

3.3.5 基于電參數(shù)的螺桿泵井工況在線診斷和能耗在線分析

開發(fā)螺桿泵直驅(qū)物聯(lián)網(wǎng)控制柜，實(shí)施螺桿泵井?dāng)?shù)字化技術(shù)。通過(guò)采集的電參數(shù)，繪制電流、功率曲線，總結(jié)形成典型工況曲線模板，進(jìn)而對(duì)工況和能耗實(shí)現(xiàn)判斷預(yù)警，并能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，對(duì)螺桿泵井生產(chǎn)制度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。實(shí)現(xiàn)提高運(yùn)行時(shí)率，避免抽空燒泵等現(xiàn)象。

3.4 遠(yuǎn)程調(diào)控

物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建、人工智能分析模型，都是為了更好的輔助生產(chǎn)[7]。引進(jìn)新技術(shù)的同時(shí)，變革新的生產(chǎn)、管理、分析模式。新模式的載體就是平臺(tái)軟件，同時(shí)開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制PC 端軟件及手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)終端在線遠(yuǎn)程優(yōu)化調(diào)控機(jī)采井生產(chǎn)參數(shù)，最終形成基于電參數(shù)的數(shù)字化管理模式[8]：通過(guò)油水井大數(shù)據(jù)平臺(tái)改變傳統(tǒng)的層級(jí)傳遞匯報(bào)，實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)分析、生產(chǎn)管理、優(yōu)化決策的閉環(huán)管理，信息實(shí)現(xiàn)高質(zhì)、高效、多渠道互聯(lián)互通，達(dá)到扁平化管理效果，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)高效協(xié)調(diào)開展工作，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)提效、減員增效的目的[9]。

4 預(yù)期效果

4.1 轉(zhuǎn)變管理模式

由以往層級(jí)傳遞轉(zhuǎn)為扁平化管理，實(shí)現(xiàn)了客觀、高效、多層級(jí)互聯(lián)互通；實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守、遠(yuǎn)程控制[10]。即金字塔型的層級(jí)管理與扁平化管理示意圖見圖4。

以喇嘛甸油田喇南示范區(qū)為例，通過(guò)示范區(qū)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化1 531口井，覆蓋率93.5%，用工人數(shù)減少241 人，降幅達(dá)到38.3%；人均管井?dāng)?shù)由2.6 口增加到4.2 口，增加1.6 口，增幅達(dá)到61.5%；井均用人數(shù)由0.39 人減少到0.24 人，減少0.15 人，降幅達(dá)到38.5%。

4.2 提高管理效益

創(chuàng)新了智能化管理體系，綜合管理平臺(tái)見圖5，提高了管理效益。實(shí)現(xiàn)區(qū)域化管理和專業(yè)化維修的管理體系，擴(kuò)大管理區(qū)域，優(yōu)化管理職能，進(jìn)一步提高管理效益。以喇嘛甸油田喇南示范區(qū)為例，可節(jié)省用工成本3 856萬(wàn)元。

4.3 提高工作效率

1）實(shí)現(xiàn)了相關(guān)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)對(duì)接，完成與A2、A5 數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)接，使原來(lái)每天上萬(wàn)條數(shù)據(jù)的人工采集、填報(bào)，轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)采集、上傳，降低一線員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。

2）整合了多種應(yīng)用平臺(tái)。整合廠生產(chǎn)保障、井下作業(yè)、日常管理等在用平臺(tái)，提升專業(yè)化管理水平。

4.4 提高管理水平

實(shí)現(xiàn)了機(jī)采井精益管理。數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，優(yōu)化設(shè)計(jì)有據(jù)可依，提高治理對(duì)策的針對(duì)性；工況實(shí)時(shí)診斷，掌握油井運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合歷史變化預(yù)判發(fā)展趨勢(shì)，找出問(wèn)題井潛力井；設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行，有效進(jìn)行能耗管控，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能10%～30%，同時(shí)降低機(jī)泵等損耗；異常狀況報(bào)警，運(yùn)行時(shí)率提高2%～10%，產(chǎn)量損失減少2%以上。

圖4 金字塔型的層級(jí)管理與扁平化管理示意圖

圖5 綜合管理平臺(tái)

5 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

1）開展機(jī)采井舉升系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化采集、自動(dòng)化分析、智能化管控，最終可以實(shí)現(xiàn)智慧化油田管理模式。

2）開展機(jī)采井舉升系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)，能夠提高機(jī)采井運(yùn)行效率，提升機(jī)采系統(tǒng)管理水平，最終實(shí)現(xiàn)提質(zhì)提效、減員增效的目的，對(duì)實(shí)現(xiàn)油田高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

3）開展機(jī)采井舉升系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)采井精益管理，設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行，有效進(jìn)行能耗管控，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能10%～30%。

4）開展機(jī)采井舉升系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)，為大聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G 技術(shù)、人工智能等在油氣田開發(fā)上的研究應(yīng)用，為加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型，推動(dòng)數(shù)字化、智能化油氣田建設(shè)邁上新臺(tái)階夯實(shí)基礎(chǔ)。