机采井举升系统数字化管理模式探讨

2021-01-23徐国民付尧大庆油田有限责任公司第六采油厂

石油石化节能 2021年1期

徐国民付尧（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

物联网这一概念是由麻省理工学院Ashton 教授于1999 年最早提出的，其理念是基于射频识别(RFID)、电子代码(EPC)等技术，在互联网的基础上，构造一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网，即物联网（IOT）。在IOT 基础上升级，将人、流程、数据和事物结合一起使得网络连接变得更加相关、更有价值，即万物互联(IOE)。而机采井举升系统数字化管理是物联网技术在石油开发开采过程中的具体应用，通过实施机采井举升系统数字化建设，机采井各类数据自动采集、处理与应用，管理模式转型再造，信息系统整合升级，促进管理组织模式和劳动组织结构优化，提升科学决策和管理水平，降低生产运行成本，提高生产本质安全。

1 机采井举升系统数字化技术背景

1.1 油田发展

油田开发进入特高含水后期，水驱、聚驱和三元复合驱三种驱替方式并存，抽油机、螺杆泵和电泵三种举升技术并存，举升配套技术复杂多样，用工成本高（人工成本占操作成本比例达35.5%）不利于油田控本增效、可持续发展。为此统计了2011—2019年喇嘛甸油田成本变化趋势（图1）。

1.2 具体要求

1）集团公司2019 年领导干部会议，明确提出了科技创新方向上加快发展数字经济，推动互联网、大数据、人工智能同实体经济深度融合，努力建设智能油气田。

图1 2011—2019年喇嘛甸油田成本变化趋势

2）集团公司2019 年基础管理工作会议上，提出了要推动“金字塔”型向扁平化管理架构转变。要推动“油公司”模式建设与技术进步、数字化、智能化深度结合，提高数据分析集成和远程监控、自动诊断、自动处理能力，打造适应新型组织结构和生产模式的信息管理平台与远程控制系统，积极推行集中监控、无人值守、有人巡检、专业维修的现场作业模式。

3）2020 年初，戴厚良董事长在听取国内勘探与生产业务工作汇报的讲话中，明确提出加强勘探开发梦想云平台建设与应用，完善油气田配套建设方案，加大物联网、大数据、5G 技术、人工智能等研究应用力度，加快数字化转型，推动数字化、智能化油气田建设迈上新台阶。

综上所述，开展机采井举升系统数字化建设，实现数字化采集、自动化分析、智能化管控，最终实现智慧化油田管理模式，能够提高机采井运行效率，提升机采系统管理水平，最终实现提质提效、减员增效的目的，对实现油田高质量发展具有重要意义。

2 机采井举升系统数字化技术思路

提高机采举升系统物联网数字化程度的核心是现场数据自动化采集、数据信息高效率传输、后台数据智能化分析、远程调控优化生产参数。以存量立足改造；增量源头开发设计智能控制柜，增加实现以电参为主的“工况诊断、能耗分析和远程控制”功能为原则，实现闭环控制管理，实现全时段、全工况机采井在线分析；实现分析结果精准及时、真实性强的结果导向，达到提质提效、减员增效的目标导向。

在数据自动采集方面，由人工录取向物联网实时监测转变，实现数字化；在智能优化决策方面，由人工诊断向自学习智能分析转变，实现智能化；在高效生产管控方面，由人工调控向自优化调整控制转变，实现智慧化。

1）现场数据自动化采集基础是提高资料全准率。根据现场资料采集的需求，保证资料录取准确度高，科学制全时段采样频次，确保合理高效。

2）数据信息高效率传输。通过无线设备，实现无线组网传输。

3）后台数据智能化分析。基于中石油勘探院采油所提供的电参模式高配版方案实现电参示功图在线诊断、产液量计量、动液面计算、能耗在线分析。

4）远程控制优化参数。开发PC 端软件及手机端APP，实现智能互联。

最终以信息化为支撑、专业化为手段、数字化为架构，建立起油田指挥中心、采油厂调度中心、采油矿（作业）管控中心的智慧化管理模式，提高物联网数字化程度工作框架见图2。

3 机采井举升系统数字化技术原理

3.1 基于电参数的数字化采集

根据机采数字化工程建设需求，主要采集10项数据，机采系统数据采集分类终端设备配置及单价见表1。

图2 提高物联网数字化程度工作框架

表1 机采系统数据采集分类终端设备配置表及单价

按照现场现有设备类型，分别配套相应数据采集设备完成单井设备升级，实现相关参数的采集。变频配电箱配套辅助监测装置智能组网模块、无变频配电箱配套整体监测装置、已有采集功能配套显示交互单元智能组网模块[3]。

3.1.1 电参数的采集

抽油机井电参采集装置通过电动机转速传感器、曲柄位置传感器对电动机运行频率、电压、功率等参数实时采集。在电动机上安装电动机转速传感器和在曲柄上安装曲柄位置传感器，实时掌握曲柄位置，建立以曲柄为坐标的精确定位系统，标定位置。其中电动机转速传感器实现电动机转角，速度变化及运行方向的采集、曲柄位置传感器实现曲柄位置及角度的监测及采集[4]。

而螺杆泵井可从原井控制柜中直接读取电参数、扭矩和转速；电泵井从原井控制柜中直接读取电参数。

3.1.2 油套压和回油温度的采集

通过在井口安装压力传感器及温度传感器，实现油压、套压及回油温度的采集。

3.2 高效率传输

基于VPDN 技术，配合无线设备，实现无线组网传输。油井现场数据采集后打包，传送到中石油唯一对公网的DMZ 数隔离区，隔离区可无缝与中石油内网生产网络接轨。

接轨后，还不足以支持生产监控、分析的需求，因此，利用现有A2、A5 数据，补充物联网数据的不足，同时，为去除各种各样的数据质量问题，构建大数据处理平台，对数据进行清洗，去除冗余、修正错误，增强生产数据可用性。

该项技术具有三项技术优势：一是不需建立基站及搭设配套线路，一次性投入费用低；二是多终端同时传输数据，不受障碍物遮挡，保障通讯效率；三是网络采用无线加密形式，杜绝数据传输时外泄可能性。

3.3 智能化分析

油田生产过程中，存在分析、诊断、计量、决策等问题。有些问题通过现有的理论公式、人工分析达不到预期的结果。因此，引入新一代人工智能技术，对海量数据、不同问题进行数据关联关系的建模学习。充分利用油田多年的积累数据、将专家经验量化、挖掘数据关系、构建不同的生产模型，辅助油田生产[5-6]。

3.3.1 基于电参示功图的工况在线诊断

通过电动机有效功率，综合考虑各传动机构效率，计算出悬点载荷，根据位置与载荷的对应关系绘制电参采集装置工作原理示意图（图3），在线诊断油井工况，并对泵况井、参数不合理井采取相应治理措施。电参示功图测试满足机采井智能化建设需求。

图3 电参采集装置工作原理示意图

3.3.2 基于电参示功图的产液量计量

根据电参示功图，考虑各种因素导致的冲程损失，计算出有效冲程，根据有效冲程求得每一个冲程产液量。录取电参数后，进行数据计算，形成电参示功图，并根据弹性变形、泵漏失、气影响、充满度几项参数，建立计产模型，得到有效冲程，计算累计产量。

3.3.3 基于电参示功图的动液面计算

根据示功图平均载荷差值，计算出有效举升液柱载荷，折算出有效举升高度，再根据油压套压折算出动液面深度。该项技术具有三项技术优势：结合智能管控目标，摸索油井定液面运行方式；取消常规低压测试，减轻了测试分析工作量；结合相关数据，可计算出系统效率，便于能耗的分析与管控。

3.3.4 基于电参数的能耗在线分析

利用能耗控制图和单井电量，进行能耗监控和预警，查找原因，制定对策，精准评价措施效果，实现闭环优化管理。

3.3.5 基于电参数的螺杆泵井工况在线诊断和能耗在线分析

开发螺杆泵直驱物联网控制柜，实施螺杆泵井数字化技术。通过采集的电参数，绘制电流、功率曲线，总结形成典型工况曲线模板，进而对工况和能耗实现判断预警，并能够实现远程控制功能，对螺杆泵井生产制度进行优化调整。实现提高运行时率，避免抽空烧泵等现象。

3.4 远程调控

物联网的构建、人工智能分析模型，都是为了更好的辅助生产[7]。引进新技术的同时，变革新的生产、管理、分析模式。新模式的载体就是平台软件，同时开发物联网远程控制PC 端软件及手机APP，实现终端在线远程优化调控机采井生产参数，最终形成基于电参数的数字化管理模式[8]：通过油水井大数据平台改变传统的层级传递汇报，实时的数据监测、自动采集、数据挖掘、人工智能，实现生产分析、生产管理、优化决策的闭环管理，信息实现高质、高效、多渠道互联互通，达到扁平化管理效果，实现多系统高效协调开展工作，实现提质提效、减员增效的目的[9]。