機采井舉升系統(tǒng)數(shù)字化管理模式探討

徐國民 付堯（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

物聯(lián)網(wǎng)這一概念是由麻省理工學院Ashton 教授于1999 年最早提出的，其理念是基于射頻識別(RFID)、電子代碼(EPC)等技術(shù)，在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造一個實現(xiàn)全球物品信息實時共享的實物互聯(lián)網(wǎng)，即物聯(lián)網(wǎng)（IOT）。在IOT 基礎(chǔ)上升級，將人、流程、數(shù)據(jù)和事物結(jié)合一起使得網(wǎng)絡連接變得更加相關(guān)、更有價值，即萬物互聯(lián)(IOE)。而機采井舉升系統(tǒng)數(shù)字化管理是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在石油開發(fā)開采過程中的具體應用，通過實施機采井舉升系統(tǒng)數(shù)字化建設，機采井各類數(shù)據(jù)自動采集、處理與應用，管理模式轉(zhuǎn)型再造，信息系統(tǒng)整合升級，促進管理組織模式和勞動組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升科學決策和管理水平，降低生產(chǎn)運行成本，提高生產(chǎn)本質(zhì)安全。

1 機采井舉升系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)背景

1.1 油田發(fā)展

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

1.2 具體要求

1）集團公司2019 年領(lǐng)導干部會議，明確提出了科技創(chuàng)新方向上加快發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能同實體經(jīng)濟深度融合，努力建設智能油氣田。

圖1 2011—2019年喇嘛甸油田成本變化趨勢

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

3）2020 年初，戴厚良董事長在聽取國內(nèi)勘探與生產(chǎn)業(yè)務工作匯報的講話中，明確提出加強勘探開發(fā)夢想云平臺建設與應用，完善油氣田配套建設方案，加大物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G 技術(shù)、人工智能等研究應用力度，加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型，推動數(shù)字化、智能化油氣田建設邁上新臺階。

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

2 機采井舉升系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)思路

提高機采舉升系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化程度的核心是現(xiàn)場數(shù)據(jù)自動化采集、數(shù)據(jù)信息高效率傳輸、后臺數(shù)據(jù)智能化分析、遠程調(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)設計智能控制柜，增加實現(xiàn)以電參為主的“工況診斷、能耗分析和遠程控制”功能為原則，實現(xiàn)閉環(huán)控制管理，實現(xiàn)全時段、全工況機采井在線分析；實現(xiàn)分析結(jié)果精準及時、真實性強的結(jié)果導向，達到提質(zhì)提效、減員增效的目標導向。

在數(shù)據(jù)自動采集方面，由人工錄取向物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)數(shù)字化；在智能優(yōu)化決策方面，由人工診斷向自學習智能分析轉(zhuǎn)變，實現(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，實現(xiàn)智慧化。

1）現(xiàn)場數(shù)據(jù)自動化采集基礎(chǔ)是提高資料全準率。根據(jù)現(xiàn)場資料采集的需求，保證資料錄取準確度高，科學制全時段采樣頻次，確保合理高效。

2）數(shù)據(jù)信息高效率傳輸。通過無線設備，實現(xiàn)無線組網(wǎng)傳輸。

3）后臺數(shù)據(jù)智能化分析。基于中石油勘探院采油所提供的電參模式高配版方案實現(xiàn)電參示功圖在線診斷、產(chǎn)液量計量、動液面計算、能耗在線分析。

4）遠程控制優(yōu)化參數(shù)。開發(fā)PC 端軟件及手機端APP，實現(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)機采數(shù)字化工程建設需求，主要采集10項數(shù)據(jù)，機采系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分類終端設備配置及單價見表1。

圖2 提高物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化程度工作框架

表1 機采系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分類終端設備配置表及單價

按照現(xiàn)場現(xiàn)有設備類型，分別配套相應數(shù)據(jù)采集設備完成單井設備升級，實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的采集。變頻配電箱配套輔助監(jiān)測裝置智能組網(wǎng)模塊、無變頻配電箱配套整體監(jiān)測裝置、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

抽油機井電參采集裝置通過電動機轉(zhuǎn)速傳感器、曲柄位置傳感器對電動機運行頻率、電壓、功率等參數(shù)實時采集。在電動機上安裝電動機轉(zhuǎn)速傳感器和在曲柄上安裝曲柄位置傳感器，實時掌握曲柄位置，建立以曲柄為坐標的精確定位系統(tǒng)，標定位置。其中電動機轉(zhuǎn)速傳感器實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)角，速度變化及運行方向的采集、 曲柄位置傳感器實現(xiàn)曲柄位置及角度的監(jiān)測及采集[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

通過在井口安裝壓力傳感器及溫度傳感器，實現(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)，配合無線設備，實現(xiàn)無線組網(wǎng)傳輸。油井現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集后打包，傳送到中石油唯一對公網(wǎng)的DMZ 數(shù)隔離區(qū)，隔離區(qū)可無縫與中石油內(nèi)網(wǎng)生產(chǎn)網(wǎng)絡接軌。

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)，補充物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的不足，同時，為去除各種各樣的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，構(gòu)建大數(shù)據(jù)處理平臺，對數(shù)據(jù)進行清洗，去除冗余、修正錯誤，增強生產(chǎn)數(shù)據(jù)可用性。

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

3.3 智能化分析

油田生產(chǎn)過程中，存在分析、診斷、計量、決策等問題。有些問題通過現(xiàn)有的理論公式、人工分析達不到預期的結(jié)果。因此，引入新一代人工智能技術(shù)，對海量數(shù)據(jù)、不同問題進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系的建模學習。充分利用油田多年的積累數(shù)據(jù)、將專家經(jīng)驗量化、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

通過電動機有效功率，綜合考慮各傳動機構(gòu)效率，計算出懸點載荷，根據(jù)位置與載荷的對應關(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，并對泵況井、參數(shù)不合理井采取相應治理措施。電參示功圖測試滿足機采井智能化建設需求。

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)液量計量

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

3.3.3 基于電參示功圖的動液面計算

根據(jù)示功圖平均載荷差值，計算出有效舉升液柱載荷，折算出有效舉升高度，再根據(jù)油壓套壓折算出動液面深度。該項技術(shù)具有三項技術(shù)優(yōu)勢：結(jié)合智能管控目標，摸索油井定液面運行方式；取消常規(guī)低壓測試，減輕了測試分析工作量；結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，可計算出系統(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，進行能耗監(jiān)控和預警，查找原因，制定對策，精準評價措施效果，實現(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，實施螺桿泵井數(shù)字化技術(shù)。通過采集的電參數(shù)，繪制電流、功率曲線，總結(jié)形成典型工況曲線模板，進而對工況和能耗實現(xiàn)判斷預警，并能夠?qū)崿F(xiàn)遠程控制功能，對螺桿泵井生產(chǎn)制度進行優(yōu)化調(diào)整。實現(xiàn)提高運行時率，避免抽空燒泵等現(xiàn)象。

3.4 遠程調(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]。引進新技術(shù)的同時，變革新的生產(chǎn)、管理、分析模式。新模式的載體就是平臺軟件，同時開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)遠程控制PC 端軟件及手機APP，實現(xiàn)終端在線遠程優(yōu)化調(diào)控機采井生產(chǎn)參數(shù)，最終形成基于電參數(shù)的數(shù)字化管理模式[8]：通過油水井大數(shù)據(jù)平臺改變傳統(tǒng)的層級傳遞匯報，實時的數(shù)據(jù)監(jiān)測、自動采集、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能，實現(xiàn)生產(chǎn)分析、生產(chǎn)管理、優(yōu)化決策的閉環(huán)管理，信息實現(xiàn)高質(zhì)、高效、多渠道互聯(lián)互通，達到扁平化管理效果，實現(xiàn)多系統(tǒng)高效協(xié)調(diào)開展工作，實現(xiàn)提質(zhì)提效、減員增效的目的[9]。

4 預期效果

4.1 轉(zhuǎn)變管理模式

由以往層級傳遞轉(zhuǎn)為扁平化管理，實現(xiàn)了客觀、高效、多層級互聯(lián)互通；實現(xiàn)了無人值守、遠程控制[10]。即金字塔型的層級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，通過示范區(qū)的建設，實現(xiàn)數(shù)字化1 531口井，覆蓋率93.5%，用工人數(shù)減少241 人，降幅達到38.3%；人均管井數(shù)由2.6 口增加到4.2 口，增加1.6 口，增幅達到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，綜合管理平臺見圖5，提高了管理效益。實現(xiàn)區(qū)域化管理和專業(yè)化維修的管理體系，擴大管理區(qū)域，優(yōu)化管理職能，進一步提高管理效益。以喇嘛甸油田喇南示范區(qū)為例，可節(jié)省用工成本3 856萬元。

4.3 提高工作效率

1）實現(xiàn)了相關(guān)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)對接，完成與A2、A5 數(shù)據(jù)庫的對接，使原來每天上萬條數(shù)據(jù)的人工采集、填報，轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣硬杉?、上傳，降低一線員工的勞動強度，提高工作效率。

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

4.4 提高管理水平

實現(xiàn)了機采井精益管理。數(shù)據(jù)真實可靠，優(yōu)化設計有據(jù)可依，提高治理對策的針對性；工況實時診斷，掌握油井運行狀態(tài)，結(jié)合歷史變化預判發(fā)展趨勢，找出問題井潛力井；設備優(yōu)化運行，有效進行能耗管控，可實現(xiàn)節(jié)能10%～30%，同時降低機泵等損耗；異常狀況報警，運行時率提高2%～10%，產(chǎn)量損失減少2%以上。

圖4 金字塔型的層級管理與扁平化管理示意圖

圖5 綜合管理平臺

5 幾點認識

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

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

3）開展機采井舉升系統(tǒng)數(shù)字化建設，能夠?qū)崿F(xiàn)機采井精益管理，設備優(yōu)化運行，有效進行能耗管控，可實現(xiàn)節(jié)能10%～30%。

4）開展機采井舉升系統(tǒng)數(shù)字化建設，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)上的研究應用，為加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型，推動數(shù)字化、智能化油氣田建設邁上新臺階夯實基礎(chǔ)。