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（北京）自動化系，北京 102249）

0 引 言

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

針對傳統(tǒng)的油氣生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)依托SCADA 系統(tǒng)進行建設，該系統(tǒng)偏向于自動化監(jiān)視與控制，拓展性相對較差、集成能力偏低，與其他系統(tǒng)無法進行集成交互，導致形成眾多系統(tǒng)孤島，數(shù)據(jù)之間無法實現(xiàn)聯(lián)動控制[3]。當前，油氣物聯(lián)網(wǎng)、云計算和邊緣計算的快速發(fā)展促進了油氣生產(chǎn)數(shù)字化轉型和智能化發(fā)展建設。

針對油田現(xiàn)場生產(chǎn)監(jiān)控中網(wǎng)絡連接時常發(fā)生中斷的情況、現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)無法回傳和實時控制等問題[4]，本文構建了“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)平臺架構

基于“云-端”架構的油氣生產(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)務應用層組成[5]，如圖1 所示。端側基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)全面感知和信息傳遞，云端計算負責數(shù)據(jù)存儲、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備和控制設備組成，實現(xiàn)對井場前端的全面感知和各種設備的自動控制；傳輸層由無線傳輸、光纖等組成的異構網(wǎng)絡構成，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準可靠傳輸；應用層實現(xiàn)油氣生產(chǎn)監(jiān)控、油氣集輸監(jiān)控、遠程自動計量、生產(chǎn)動態(tài)分析、實時工況診斷、生產(chǎn)故障預警、運行參數(shù)優(yōu)化、生產(chǎn)調度指揮等生產(chǎn)過程“實時分析、優(yōu)化決策、智能控制、主動預警”的智能化應用。

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

隨著油田數(shù)字化轉型和智能化建設的不斷發(fā)展，“云-端”架構也面臨如下突出問題：（1）缺乏單井自治和數(shù)據(jù)緩存機制：油田現(xiàn)場地理位置偏遠，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，導致網(wǎng)絡信號時常中斷，現(xiàn)場數(shù)據(jù)不能及時回傳和控制；（2）無法實現(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，不僅浪費有限的傳輸鏈路，同時也會擠占有限的存儲空間；（3）無法實現(xiàn)邊緣快速計算和實時響應：針對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解析、格式轉換、治理分析、數(shù)據(jù)傳輸、參數(shù)調控的業(yè)務邏輯要求實時性較高，特別是異常狀況下的保護性停機等，很難滿足實時性需求。

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

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、邊緣推理等邊緣計算類，物聯(lián)網(wǎng)集群、認知計算集群和AI 集群等云化集群部署類，實現(xiàn)了云能力延伸邊緣、邊緣數(shù)據(jù)快速上云、多網(wǎng)絡接入支持、應用服務發(fā)現(xiàn)與負載均衡、AI 算法邊緣和端側部署及升級。無線傳感器具有小型化、低速率、低功耗、快速部署、便于維護的特點，在監(jiān)測和生產(chǎn)控制方面得到了廣泛應用。

邊緣計算通過把小型帶有計算、存儲和網(wǎng)絡接入能力的設備部署在邊緣端，將智能傳感器、有線儀表和用戶緊密相連，既可以滿足邊緣設備計算能力擴展需求，又可以有效減少網(wǎng)絡負載，降低數(shù)據(jù)時延。邊緣計算面向的對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)設計

“云-邊-端”協(xié)同的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有較強的邊緣計算能力，可以在邊緣端進行通信協(xié)議解析、數(shù)據(jù)格式轉換后實時響應感知執(zhí)行層設備，將異常數(shù)據(jù)過濾后進行規(guī)則學習，計算報警閾值，觸發(fā)異常報警和預警，實時決策控制生產(chǎn)參數(shù)，提高響應能力，降低時延，實現(xiàn)智能調控的目標。

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、RTU 等設備自動采集、處理、存儲油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)；通過智能攝像機、危害氣體監(jiān)測等裝置，自動采集現(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，同時將采集的原始數(shù)據(jù)和邊緣端的決策數(shù)據(jù)一起上傳到云端實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)環(huán)境狀態(tài)、人員行為等全方位安全模式分析及識別等智能應用；同時，通過PLC、控制閥等自動化控制設備，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動調控。感知控制層的功能設計如圖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)和無線通信技術組成無線異構網(wǎng)絡將單井及邊遠站庫采集的生產(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)及視頻信號通過有線網(wǎng)絡相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。通過網(wǎng)絡鏈接端側（井場、站庫）、邊緣計算（作業(yè)區(qū)、聯(lián)合站）、云平臺（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 邊緣計算層

在油田物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算系統(tǒng)中邊緣網(wǎng)關設備具有豐富的下聯(lián)設備接口，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)關既具有訪問互聯(lián)網(wǎng)的功能，也可以實現(xiàn)設備數(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、信號處理、通信網(wǎng)關、邊緣計算、智能控制五項功能于一體的高度集成智能邊緣網(wǎng)關，實現(xiàn)油氣生產(chǎn)現(xiàn)場設備“可監(jiān)測、可控制、自優(yōu)化”的智能運行方式，賦能現(xiàn)場設備升級為“會思考的機器”，方便應用場景編排和業(yè)務擴展。邊緣計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，將傳統(tǒng)云端計算存儲下放至邊緣端，實現(xiàn)邊端設備協(xié)議數(shù)據(jù)包解析、數(shù)據(jù)格式轉換、數(shù)據(jù)過濾和報警提醒以及設備連鎖邏輯控制，降低網(wǎng)絡時延和網(wǎng)絡中斷造成數(shù)據(jù)丟失和控制功能失效的風險，降低停井、躺井風險，提高采油生產(chǎn)時效和油氣井壽命，保障生產(chǎn)平穩(wěn)運行。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡及設備管理

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡管理主要包括與網(wǎng)絡拓撲、網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)絡狀態(tài)、網(wǎng)絡信道、功能配置、時間同步、網(wǎng)絡安全等相關的功能。網(wǎng)絡設備管理主要是負責對網(wǎng)絡化的壓力溫度儀表、流量計、動液面、示功儀、網(wǎng)關、攝像機、路由等物聯(lián)網(wǎng)終端設備的運行狀態(tài)的監(jiān)控[5]。該子系統(tǒng)的功能設計如圖6 所示。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡及設備管理系統(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)負責提供油氣生產(chǎn)的業(yè)務狀態(tài)報告、生產(chǎn)流程可視化與經(jīng)營指標跟蹤、生成經(jīng)營KPI動態(tài)報表、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。實時掌握油氣生產(chǎn)狀況、運營狀況、關鍵指標等，并輔助調整油田的生產(chǎn)方法和經(jīng)營策略，從而進一步提高油田生產(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)測調控系統(tǒng)

隨著油田開發(fā)步入中后期，非均質油藏區(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。基于液控和電控的智能采油工藝技術是針對油田精細分層開采開發(fā)提出的一項采油技術，應用“云-邊-端”協(xié)同的采油生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以實時感知油藏注采生產(chǎn)動態(tài)，實時遙控注水井分層段配注、油井分層段開采、機采舉升系統(tǒng)運行。

3.1 分層注水智能測調系統(tǒng)

對于層內(nèi)、層間非均質性強的生產(chǎn)井，籠統(tǒng)注水不能實現(xiàn)有效控制單層注水，分層注水工藝技術是主要的注水增效技術手段。油田分層注水井常規(guī)測調技術必須通過鋼絲、電纜或動管柱作業(yè)才能實現(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)測調技術的不足，發(fā)展了電纜永置式測調分注技術[7]，實現(xiàn)了注水井的智能化調控。

分層注水智能測調系統(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、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)測井口注水壓力、溫度、流量以及井筒每個層段嘴前/嘴后壓力、溫度、流量等，實時獲取油套管及水嘴前后壓力值、各注入層瞬時流量值、吸水指數(shù)；通過壓力監(jiān)測流量計工作狀況，用流量和壓力監(jiān)測各密封位的工作狀況。

圖8 智能注水監(jiān)測調控系統(tǒng)

3.2 智能采油監(jiān)測調控系統(tǒng)

智能采油監(jiān)測調控系統(tǒng)主要由地面井口監(jiān)測系統(tǒng)、井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、井下動態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)、井下機泵組監(jiān)控系統(tǒng)等組成，用于抽油井舉升設備工況、井下狀態(tài)參數(shù)和流量的采集與調控以及設備運行控制[8]，如圖9 所示。

圖9 智能采油監(jiān)測調控系統(tǒng)

近年來，隨著機采系統(tǒng)數(shù)字化轉型和智能化建設的速度加快，逐漸形成了抽油機井示功圖和電參數(shù)兩種物聯(lián)網(wǎng)建設模式，無桿泵井從采集地面電參發(fā)展到采集地面電參+井下溫壓振動等多參數(shù)模式[9]。機采井監(jiān)測系統(tǒng)由油井傳感器、智能RTU、傳輸網(wǎng)絡等組成，監(jiān)測井口/井下壓力、溫度、載荷、位移、電參和井下泵的運行工況等，還與井下分層監(jiān)測控制系統(tǒng)結合，為油田用戶提供了報警、診斷、預警、優(yōu)化決策的服務。

抽油機井監(jiān)測系統(tǒng)包括載荷、位移、轉速、溫度壓力傳感器、流量計、動液面儀、智能RTU、電參數(shù)采集單元等[10]。載荷和位移傳感器分別實現(xiàn)對懸點載荷和位移的實時監(jiān)測，生成地面示功圖。電參數(shù)采集模塊監(jiān)測控制柜電流、功率等電參數(shù)據(jù)。溫度壓力傳感器、流量計和動液面儀主要監(jiān)測采出液溫度、壓力和流量，如圖10 所示。

圖10 抽油機井監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

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

圖11 無桿泵井監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

4 結 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)服務模塊，實現(xiàn)了云能力延伸邊緣、邊緣數(shù)據(jù)快速上云、多網(wǎng)絡接入支持、應用服務發(fā)現(xiàn)與負載均衡、AI 算法邊緣、端側部署及升級。

（2）“云-邊-端”協(xié)同的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有較強的邊緣計算能力，可以在邊緣端進行通信協(xié)議解析、觸發(fā)異常報警和預警，提高響應能力，降低時延，實現(xiàn)智能調控的目標。

（3）未來應開展分層采油、分層注水技術的區(qū)塊協(xié)同監(jiān)測調控研究，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)測數(shù)據(jù)，進行注入端和采出端參數(shù)實時匹配調控，實現(xiàn)油氣田開發(fā)調整由“滯后調控”向“實時優(yōu)化”轉變。