智能油井管理系統設計與應用

張劍

（中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第二采油廠 甘肅省慶陽市 745100）

油井是石油開采過程中不可缺少的關鍵因素，需要根據油田開發計劃進行油井施工，為石油提供一個上升通道。油井是利用鉆井的手段所鉆成的孔眼。一般油井在鉆進深度到達油層位置之后會放入油層套管，同時還會在套管以及井壁之間的環形空間內注入一定量的油井水泥，可以起到保護井壁、封閉油層、氣層以及水層的效果，之后會形成石油上升通道，將石油由油井井底上升到井口。隨著我國石油開發量的不斷提升，油井數量有所增加，油井管理工作面臨著較大的難題。在油井管理工作中引入信息化技術可以構建智能油井管理系統，對油井管理工作中的相關數據進行有效整合，有效提高了油井管理的效率以及實時性。

1 智能油井管理系統總體設計

智能油井管理系統是結合油井生產現場的地區環境特征，在局域網的基礎上設計負責數據實時傳輸和控制的中心，主要包括四部分：

（1）RTU；

（2）數據庫服務器；

（3）視頻服務器；

（4）客戶端。

當前智能油井管理系統在各個地區均有所使用，但是智能油井管理系統的應用效果并不相同，并且在嘗試應用時也使得系統出現了較多問題，例如負責對油井生產現場實時監控的設備不具備良好的可靠性和可維護性，在惡劣的工作環境下經常容易出現運行問題。系統不具備智能化功能，難以準確對現場出現的故障進行判斷，或者系統不具備充足的開放性，廠家的系統常常會出現不兼容的問題，無法對軟件中所記錄的數據進行共享，導致信息孤島的現象出現。

因此為了改變這一問題，對智能油井管理系統總體設計進行了調整。智能油井管理系統可以對生產油井的現場數據進行管理和存儲，并利用Modbus RTU 通訊協議提升了數據的開放性，從而可以進行數據共享。智能油井管理系統的軟件設計大體可以分為前后端兩個子系統，前者主要負責油井生產現場數據的收集以及傳輸，其核心為RTU，后者則是以分布云端的軟件為核心，負責對油井生產現場數據的存儲以及分析。智能油井管理系統具體構成如圖1 所示。

2 智能油井管理系統架構

智能油井管理系統的架構設計屬于B/S 模式，主要包括兩層。第一層屬于平臺層，主要是保障系統的正常運行，提供軟件運行環境和硬件運行環境，為系統運行提供重要的基礎支撐。第2 層為交互應用服務層，這一層又分為三小層：

（1）服務層負責對數據存儲、容錯分析、安全處理等功能實施服務；

（2）應用層，以共性應用未核心保證軟件功能得以有效實現，例如數據查詢、分析、記錄工作日志、控制訪問權限等；

（3）交互層，可保證人和機器設備進行有效交互，例如數據傳輸、電流監控、作業調度以及遠程控制等。智能油井管理系統架構如圖2 所示。

3 智能油井管理系統硬件設計

圖1：智能油井管理系統

圖2：智能油井管理系統架構

3.1 信號采集硬件

信號采集的硬件主要包括兩部分：第1 部分為井口傳感器，主要包括各種傳感器所組成，例如油壓傳感器，流量傳感器，脈沖傳感器，電流傳感器，溫度傳感器，以及在線示攻儀等，可以更加清晰的展示油井實時生產數據。第2 部分為智能攝像系統，使用高清的紅外熱成像攝像機可以更好的觀察油井生產狀態，提高成像質量，并且由于特殊的鏡頭可以同時兼顧搜索功能以及觀察功能，在其內部設定了智能分析單元，可以對各類熱點目標實施自動化探測，一旦發現可疑目標會及時出現警告。通過智能化的監控系統可以在白天、夜晚或者特殊天氣實施現場監控，向管理人員提供清晰的生產現場圖像，有效提高了生產現場的安全性。

3.2 RTU控制單元硬件

RTU 屬于一種應用性能較高的PIC16F878a 單片機，擁有兩類變換器，包括A/D 和D/A，其中還包括電源管理以及無線數據通訊等多個模塊。A/D 變換器主要負責信號轉換，收集傳感器所傳遞而來的模擬信號，將其轉化為數字信號，利用無線網絡對其進行處理，最終將信號以射頻的形式輻射到相應的區域。電源管理電路則可以對交流電源的運行情況進行檢測，根據其斷電或者正常狀態對供電模式進行調整，確保能夠為管理系統進行有效供電，保證RTU 運行。RTU控制器可以和多種不同傳感器進行連接，通信模式的接口較多，例如RS232 或者CDMA。

3.3 服務器以及控制終端

服務器主要包括數據服務器以及視頻服務器，控制終端主要包括客戶端計算機，運行安全性以及穩定性較強，長期處于高溫、振蕩的環境下也能夠保證穩定運行，具有高水平的散熱系統，硬件具備良好的兼容性以及可擴展性。

4 智能油井管理系統軟件設計

4.1 前端子系統設計

在前端子系統的內部每個RTU 都會利用無線傳輸網絡進行數據傳輸，和后端的服務器處于時刻連接的狀態。當前隨著5G 網絡建設規模的不斷發展，RTU 除去會使用專用無線網絡之外，還在積極增加5G 網絡的應用，可以有效提高傳輸效率。5G 網絡和4G 網絡相比傳輸速率更高，傳輸穩定性更強，可以保證數據傳輸的時效性，在未來的智能油井管理系統中，5G 網絡將會代替以往使用的4G網絡。為了能夠讓RTU一直為連接的狀態，需要使用到心跳機制，此時以局域網為基礎將RTU 和油井管理現場的RT 終端進行有效連接，可更加及時的將獲取的數據上傳到相應的服務器，或者將指令要求下發給相應的模塊。RT 終端所包括的設備較多，例如負責測量石油液面的在線液面儀、測量油井井口溫度、壓力數據的井口溫壓儀、測量石油量的在線油量儀以及綜合電參儀、在線示攻儀等。在油井的井口位置會放置監視設備，該設備會利用5G 或者無線網絡和視頻服務器進行數據傳輸，以此來讓管理人員更好的觀察到油井生產情況。在前端子系統中會使用數據加密技術，能夠對數據進行有效的安全保護，避免在數據傳輸過程中出現數據泄漏的問題。

4.2 后端子系統設計

后端子系統是一種分布式系統，系統核心軟件均在云端位置，主要包括DataSever、WebSever/APPSever 以及DBServer。后端子系統支持電腦端服務以及移動端服務，所負責的功能較多，均是以數據為核心，包括數據通信、信息存儲、數據監控、數據統計、數據分析等多種功能，可以主要被劃分為遠程控制和大數據服務兩種功能。后端子系統中也同樣重視數據備份技術應用重要性，可以防止數據丟失給油井管理工作帶來影響，提高了數據的使用安全性。

4.2.1 DataSever 設計

DataSever 所負責的功能是對前端ICU 的連接請求進行及時監聽，并接收監聽到的請求數據和所發送的信息。在接收到信息之后會將數據進行上傳，將其存儲在云端數據服務器之內，并將用戶所下達的指令要求發送到井場。DataSever 的部署模式處于分布式狀態，能夠支持大量油井數據的傳輸和連接。

4.2.2 WebSever/APPSever 設計

在進行后端子系統設計的過程中，需要根據使用的網頁或者APP 分別選擇WebSever/APPSever，這是負責向系統內提供報警功能的軟件，這還可以對數據以及系統日志實施有效分析，從而給系統運行提供數據基礎。

4.2.3 DBServer 設計

在后端子系統中還包括DBServer，所負責的內容和數據庫服務有關，將數據進行分類和上傳，如DataSever 接收到的數據以及指令要求會被上傳到數據庫服務器，如果接收到視頻數據則上傳到視頻服務器中。DBServer 還包括自動備份的功能，避免數據丟失給管理工作的影響，提升了數據的安全性水平。

4.3 智能專家系統

智能油井管理系統的優勢在于可以對油井實施智能化控制，根據油井的運行情況啟動油井或者關閉油井。在油井管理工作中分為地上管理以及地下管理，地上管理可以設置監控系統和流量壓力監測裝置，能夠將石油流量數據更加直觀的展現出來。然而在地下管理時由于環境較為復雜，突發事件出現幾率較高，需要使用更加精準的故障診斷方式，才能夠及時分析有可能出現的故障隱患。在進行故障診斷時示攻圖經常會出現外部形狀較為相像，出現的故障問題天差地別的現象，給診斷工作帶來了較大的困難。以往在進行故障診斷時通常使用人工的方式，或者選擇傅里葉位置法或者功率譜密度法，但是僅僅只是能夠對示攻圖所涵蓋的自身信息進行分析，無法對不同圖形之間的區別進行評估和有效描述，從而影響了故障診斷效率。為此在智能油井管理系統中應用了智能專家系統，可以對圖形數據實施綜合化分析，并結合油井現場構建數學模型，可以更好的分析圖形之間的差異。在系統中包括計算機神經網絡技術，能夠做到深度學習，結合案例具體情況，對油井實施完全的智能化管理。

5 結束語

智能油井管理系統的使用改變了以往管理模式下存在的問題，提高了數據收集效率、即時性以及準確性，更加智能化的對油井故障隱患實時判斷，減少了現場管理工作所需要投入的成本量，對油井生產現場實施高效管理。作為管理人員無需再進入現場進行管理工作，利用管理系統以及后臺軟件可以對油井的工作狀態進行查看和分析，系統會對其生產狀態實施數據評估，一旦出現故障問題會及時向管理人員進行預警，可以為管理工作的開展提供重要數據基礎。油井管理工作的調整還可以提高原油產量，減少人工成本的投入，這對于油井效益的提高有著積極影響。當前我國國內已經開始廣泛應用智能油井管理系統，促使油田管理工作進入了數字化階段，提高了油田管理工作網絡化水平以及智能化水平，使油田生產作業安全性和環保性有所上升，符合可持續發展理念。