機采井舉升系統數字化管理模式探討

徐國民 付堯（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

物聯網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，在互聯網的基礎上，構造一個實現全球物品信息實時共享的實物互聯網，即物聯網（IOT）。在IOT 基礎上升級，將人、流程、數據和事物結合一起使得網絡連接變得更加相關、更有價值，即萬物互聯(IOE)。而機采井舉升系統數字化管理是物聯網技術在石油開發開采過程中的具體應用，通過實施機采井舉升系統數字化建設，機采井各類數據自動采集、處理與應用，管理模式轉型再造，信息系統整合升級，促進管理組織模式和勞動組織結構優化，提升科學決策和管理水平，降低生產運行成本，提高生產本質安全。

1 機采井舉升系統數字化技術背景

1.1 油田發展

油田開發進入特高含水后期，水驅、聚驅和三元復合驅三種驅替方式并存，抽油機、螺桿泵和電泵三種舉升技術并存，舉升配套技術復雜多樣，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、可持續發展。為此統計了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 年領導干部會議，明確提出了科技創新方向上加快發展數字經濟，推動互聯網、大數據、人工智能同實體經濟深度融合，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轉變。要推動“油公司”模式建設與技術進步、數字化、智能化深度結合，提高數據分析集成和遠程監控、自動診斷、自動處理能力，打造適應新型組織結構和生產模式的信息管理平臺與遠程控制系統，積極推行集中監控、無人值守、有人巡檢、專業維修的現場作業模式。

3）2020 年初，戴厚良董事長在聽取國內勘探與生產業務工作匯報的講話中，明確提出加強勘探開發夢想云平臺建設與應用，完善油氣田配套建設方案，加大物聯網、大數據、5G 技術、人工智能等研究應用力度，加快數字化轉型，推動數字化、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數字化建設，實現數字化采集、自動化分析、智能化管控，最終實現智慧化油田管理模式，能夠提高機采井運行效率，提升機采系統管理水平，最終實現提質提效、減員增效的目的，對實現油田高質量發展具有重要意義。

2 機采井舉升系統數字化技術思路

提高機采舉升系統物聯網數字化程度的核心是現場數據自動化采集、數據信息高效率傳輸、后臺數據智能化分析、遠程調控優化生產參數。以存量立足改造；增量源頭開發設計智能控制柜，增加實現以電參為主的“工況診斷、能耗分析和遠程控制”功能為原則，實現閉環控制管理，實現全時段、全工況機采井在線分析；實現分析結果精準及時、真實性強的結果導向，達到提質提效、減員增效的目標導向。

在數據自動采集方面，由人工錄取向物聯網實時監測轉變，實現數字化；在智能優化決策方面，由人工診斷向自學習智能分析轉變，實現智能化；在高效生產管控方面，由人工調控向自優化調整控制轉變，實現智慧化。

1）現場數據自動化采集基礎是提高資料全準率。根據現場資料采集的需求，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）數據信息高效率傳輸。通過無線設備，實現無線組網傳輸。

3）后臺數據智能化分析。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電參示功圖在線診斷、產液量計量、動液面計算、能耗在線分析。

4）遠程控制優化參數。開發PC 端軟件及手機端APP，實現智能互聯。

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

3 機采井舉升系統數字化技術原理

3.1 基于電參數的數字化采集

根據機采數字化工程建設需求，主要采集10項數據，機采系統數據采集分類終端設備配置及單價見表1。

圖2 提高物聯網數字化程度工作框架

表1 機采系統數據采集分類終端設備配置表及單價

按照現場現有設備類型，分別配套相應數據采集設備完成單井設備升級，實現相關參數的采集。變頻配電箱配套輔助監測裝置智能組網模塊、無變頻配電箱配套整體監測裝置、已有采集功能配套顯示交互單元智能組網模塊[3]。

3.1.1 電參數的采集

抽油機井電參采集裝置通過電動機轉速傳感器、曲柄位置傳感器對電動機運行頻率、電壓、功率等參數實時采集。在電動機上安裝電動機轉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，標定位置。其中電動機轉速傳感器實現電動機轉角，速度變化及運行方向的采集、 曲柄位置傳感器實現曲柄位置及角度的監測及采集[4]。

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

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，實現油壓、套壓及回油溫度的采集。

3.2 高效率傳輸

基于VPDN 技術，配合無線設備，實現無線組網傳輸。油井現場數據采集后打包，傳送到中石油唯一對公網的DMZ 數隔離區，隔離區可無縫與中石油內網生產網絡接軌。

接軌后，還不足以支持生產監控、分析的需求，因此，利用現有A2、A5 數據，補充物聯網數據的不足，同時，為去除各種各樣的數據質量問題，構建大數據處理平臺，對數據進行清洗，去除冗余、修正錯誤，增強生產數據可用性。

該項技術具有三項技術優勢：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據，不受障礙物遮擋，保障通訊效率；三是網絡采用無線加密形式，杜絕數據傳輸時外泄可能性。

3.3 智能化分析

油田生產過程中，存在分析、診斷、計量、決策等問題。有些問題通過現有的理論公式、人工分析達不到預期的結果。因此，引入新一代人工智能技術，對海量數據、不同問題進行數據關聯關系的建模學習。充分利用油田多年的積累數據、將專家經驗量化、挖掘數據關系、構建不同的生產模型，輔助油田生產[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效率，計算出懸點載荷，根據位置與載荷的對應關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液量計量

根據電參示功圖，考慮各種因素導致的沖程損失，計算出有效沖程，根據有效沖程求得每一個沖程產液量。錄取電參數后，進行數據計算，形成電參示功圖，并根據彈性變形、泵漏失、氣影響、充滿度幾項參數，建立計產模型，得到有效沖程，計算累計產量。

3.3.3 基于電參示功圖的動液面計算

根據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，再根據油壓套壓折算出動液面深度。該項技術具有三項技術優勢：結合智能管控目標，摸索油井定液面運行方式；取消常規低壓測試，減輕了測試分析工作量；結合相關數據，可計算出系統效率，便于能耗的分析與管控。

3.3.4 基于電參數的能耗在線分析

利用能耗控制圖和單井電量，進行能耗監控和預警，查找原因，制定對策，精準評價措施效果，實現閉環優化管理。

3.3.5 基于電參數的螺桿泵井工況在線診斷和能耗在線分析

開發螺桿泵直驅物聯網控制柜，實施螺桿泵井數字化技術。通過采集的電參數，繪制電流、功率曲線，總結形成典型工況曲線模板，進而對工況和能耗實現判斷預警，并能夠實現遠程控制功能，對螺桿泵井生產制度進行優化調整。實現提高運行時率，避免抽空燒泵等現象。

3.4 遠程調控

物聯網的構建、人工智能分析模型，都是為了更好的輔助生產[7]。引進新技術的同時，變革新的生產、管理、分析模式。新模式的載體就是平臺軟件，同時開發物聯網遠程控制PC 端軟件及手機APP，實現終端在線遠程優化調控機采井生產參數，最終形成基于電參數的數字化管理模式[8]：通過油水井大數據平臺改變傳統的層級傳遞匯報，實時的數據監測、自動采集、數據挖掘、人工智能，實現生產分析、生產管理、優化決策的閉環管理，信息實現高質、高效、多渠道互聯互通，達到扁平化管理效果，實現多系統高效協調開展工作，實現提質提效、減員增效的目的[9]。

4 預期效果

4.1 轉變管理模式

由以往層級傳遞轉為扁平化管理，實現了客觀、高效、多層級互聯互通；實現了無人值守、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為例，通過示范區的建設，實現數字化1 531口井，覆蓋率93.5%，用工人數減少241 人，降幅達到38.3%；人均管井數由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。實現區域化管理和專業化維修的管理體系，擴大管理區域，優化管理職能，進一步提高管理效益。以喇嘛甸油田喇南示范區為例，可節省用工成本3 856萬元。

4.3 提高工作效率

1）實現了相關系統間數據對接，完成與A2、A5 數據庫的對接，使原來每天上萬條數據的人工采集、填報，轉變為自動采集、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。整合廠生產保障、井下作業、日常管理等在用平臺，提升專業化管理水平。

4.4 提高管理水平

實現了機采井精益管理。數據真實可靠，優化設計有據可依，提高治理對策的針對性；工況實時診斷，掌握油井運行狀態，結合歷史變化預判發展趨勢，找出問題井潛力井；設備優化運行，有效進行能耗管控，可實現節能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數字化建設，實現數字化采集、自動化分析、智能化管控，最終可以實現智慧化油田管理模式。

2）開展機采井舉升系統數字化建設，能夠提高機采井運行效率，提升機采系統管理水平，最終實現提質提效、減員增效的目的，對實現油田高質量發展具有重要意義。

3）開展機采井舉升系統數字化建設，能夠實現機采井精益管理，設備優化運行，有效進行能耗管控，可實現節能10%～30%。

4）開展機采井舉升系統數字化建設，為大聯網、大數據、5G 技術、人工智能等在油氣田開發上的研究應用，為加快數字化轉型，推動數字化、智能化油氣田建設邁上新臺階夯實基礎。