基于物聯(lián)網(wǎng)的油田低碳智能井場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

摘 要：為實(shí)現(xiàn)油田井場(chǎng)生產(chǎn)智能化監(jiān)控與管理，降低能耗，提高生產(chǎn)效率，并推動(dòng)井場(chǎng)向低碳智能化轉(zhuǎn)型。該智能井場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以邊緣計(jì)算為核心，依托分布式光伏發(fā)電和儲(chǔ)能，通過(guò)井場(chǎng)監(jiān)控智能動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)和單井智能采油控制，在穩(wěn)定產(chǎn)量生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，最大限度提升單井生產(chǎn)系統(tǒng)效率，縮短開(kāi)井時(shí)間，并通過(guò)井場(chǎng)智能群控協(xié)調(diào)，高產(chǎn)多抽、低產(chǎn)少抽，錯(cuò)峰填谷、充分利用清潔能源，實(shí)現(xiàn)油井井場(chǎng)低碳智能運(yùn)行。該系統(tǒng)能夠提高井場(chǎng)生產(chǎn)效率，對(duì)油氣行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能化發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：油田；物聯(lián)網(wǎng)；智能井場(chǎng)；能碳協(xié)調(diào)；工況診斷；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）02-000-03

0 引 言

近年來(lái)，全球范圍內(nèi)的環(huán)境保護(hù)意識(shí)不斷增強(qiáng)，低碳經(jīng)濟(jì)模式已成為社會(huì)發(fā)展的必然選擇[1]。同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展與普及，其在油田領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣

泛[2-3]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入為井場(chǎng)系統(tǒng)帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，使其能夠更有效地實(shí)現(xiàn)低碳化運(yùn)營(yíng)[4-5]。對(duì)于傳統(tǒng)井場(chǎng)系統(tǒng)而言，能源消耗和碳排放一直是一道難題，不僅對(duì)環(huán)境造成損害，還限制了系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。傳統(tǒng)井場(chǎng)需要大量的人力投入，工作強(qiáng)度較大，存在人力資源限制和管理等難題[6]。且信息傳遞通常依賴于人工溝通，存在信息傳遞滯后和較大誤差的可能性。傳統(tǒng)井場(chǎng)的工作效率相對(duì)較低，可能存在一些不必要的時(shí)間和資源浪費(fèi)[7]。因此，為了實(shí)現(xiàn)油田井場(chǎng)智能化監(jiān)控與管理，降低能耗，提高生產(chǎn)效率，并推動(dòng)油田井場(chǎng)的低碳轉(zhuǎn)型，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的油田低碳智能井場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以邊緣計(jì)算為核心，依托分布式光伏發(fā)電和儲(chǔ)能，通過(guò)井場(chǎng)能源智能動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)和單井智能采油控制，在穩(wěn)量生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，最大限度提升單井生產(chǎn)系統(tǒng)效率，減少開(kāi)井時(shí)間，并通過(guò)井場(chǎng)智能群控協(xié)調(diào)，高產(chǎn)多抽、低產(chǎn)少抽，錯(cuò)峰填谷，充分利用清潔能源，實(shí)現(xiàn)油井井場(chǎng)低碳（零碳）智能運(yùn)行。

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，智能井場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)可以與其他相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，促進(jìn)信息共享和協(xié)同工作。進(jìn)一步推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的理念在井場(chǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用，為建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)貢獻(xiàn)力量。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的低碳智能井場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)組成

低碳智能井場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)、抽油機(jī)智能采油控制系統(tǒng)、井場(chǎng)智能群控控制系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控端組成。

光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)包括井場(chǎng)太陽(yáng)能光伏板、電網(wǎng)、井場(chǎng)儲(chǔ)能電池和井場(chǎng)配電柜。主要為了實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電控制及電網(wǎng)智能切換，提供井場(chǎng)運(yùn)行總電力。光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)利用太陽(yáng)能發(fā)電，可以降低能源消耗，對(duì)環(huán)境更加友好[8]。

抽油機(jī)智能采油控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集抽油機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸至控制中心進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單油井抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能采油控制。

井場(chǎng)智能群控控制系統(tǒng)主要安裝于井場(chǎng)智能控制柜中，旨在實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)間抽群控和錯(cuò)峰啟停（井場(chǎng)電力動(dòng)態(tài)智能分配協(xié)調(diào)）以及井場(chǎng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信。

遠(yuǎn)程監(jiān)控端主要負(fù)責(zé)監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及井場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)安裝相關(guān)數(shù)據(jù)采集和管理設(shè)備，并將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)井場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

基于物聯(lián)網(wǎng)的低碳智能井場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 低碳智能井場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

“低碳井場(chǎng)”以井場(chǎng)智能融合網(wǎng)關(guān)為核心，依托多種融合網(wǎng)絡(luò)接入、本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)、強(qiáng)大的硬件資源、嵌入式Web，利用邊緣計(jì)算技術(shù)，通過(guò)井場(chǎng)能源智能動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)和單井智能采油控制，在穩(wěn)量生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，最大限度提升單井生產(chǎn)系統(tǒng)效率，保證井場(chǎng)良好的生產(chǎn)工況，提升運(yùn)行維護(hù)效率，實(shí)現(xiàn)“井場(chǎng)自治”的目標(biāo)。低碳智能井場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

快捷接入：支持井場(chǎng)油水井、儀表、作業(yè)措施裝置快速融合接入；

邊緣計(jì)算：生產(chǎn)工藝建設(shè)算法模型，實(shí)現(xiàn)油井產(chǎn)液量、耗電量、碳排、動(dòng)液面、系統(tǒng)效率的實(shí)時(shí)邊緣計(jì)算；

智能生產(chǎn)：實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)智能動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制與井場(chǎng)智能自治；

能碳協(xié)同：利用高效的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和集中式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電控制及電網(wǎng)智能切換，提供井場(chǎng)運(yùn)行總電力，降低能耗和碳排放；

安全生產(chǎn)：基于視頻實(shí)時(shí)分析及工況診斷，制定油井啟停安全策略與井場(chǎng)安全生產(chǎn)策略；

智能運(yùn)維：完成井場(chǎng)設(shè)備在線管理，井場(chǎng)巡檢與診斷，異常報(bào)警與處理，實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)智能運(yùn)維。

3 低碳智能井場(chǎng)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)功能

3.1 井場(chǎng)智能監(jiān)控

井場(chǎng)運(yùn)行監(jiān)控主要包括視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與分析、故障預(yù)警與維護(hù)管理以及數(shù)據(jù)可視化與報(bào)表分析。

視頻監(jiān)控：基于物聯(lián)網(wǎng)的低碳井場(chǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)通常會(huì)配備視頻監(jiān)控設(shè)備，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井場(chǎng)的運(yùn)行情況。視頻監(jiān)控可以覆蓋井場(chǎng)的各個(gè)區(qū)域，包括井口、井場(chǎng)設(shè)備、作業(yè)區(qū)域等。通過(guò)視頻監(jiān)控，可以實(shí)時(shí)觀察井場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與分析：低碳井場(chǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)采集井場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量等，通過(guò)傳感器等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這些數(shù)據(jù)會(huì)被傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行分析和處理，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，并采取相應(yīng)措施。

故障預(yù)警與維護(hù)管理：低碳井場(chǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析和算法模型實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警功能。當(dāng)監(jiān)測(cè)到井場(chǎng)設(shè)備或系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，并提供相應(yīng)的維護(hù)建議。這有助于提前預(yù)防設(shè)備故障，減少停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

數(shù)據(jù)可視化與報(bào)表分析：低碳井場(chǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)可以將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，以圖表、報(bào)表等形式呈現(xiàn)給操作人員。通過(guò)數(shù)據(jù)可視化和報(bào)表分析，操作人員可以更直觀地了解井場(chǎng)的運(yùn)行情況，及時(shí)做出決策和調(diào)整。

3.2 高效能碳協(xié)同

低碳智能井場(chǎng)通過(guò)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)互補(bǔ)或獨(dú)立運(yùn)行，減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，降低碳排放。同時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析油井的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整間抽周期和間抽時(shí)長(zhǎng)，最大程度提高油井的產(chǎn)能和能源利用效率，同時(shí)減少能源的浪費(fèi)和碳排放。該系統(tǒng)運(yùn)用能耗數(shù)據(jù)采集與分析、智能控制與優(yōu)化、新能源的應(yīng)用以及綠色轉(zhuǎn)型與創(chuàng)新等手段，實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)能耗的平衡和優(yōu)化，推動(dòng)井場(chǎng)向綠色低碳方向發(fā)展。

3.3 高精度功圖計(jì)產(chǎn)

功圖計(jì)產(chǎn)由智能井場(chǎng)采集地面示功圖數(shù)據(jù)，通過(guò)示功圖的油井間接數(shù)據(jù)和油井動(dòng)液面、油壓、套壓、含水率的油井直接數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)液量融合計(jì)算和修正，通過(guò)智能化的算法分析，可以對(duì)油井的產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)液量的實(shí)時(shí)分析計(jì)算并提供準(zhǔn)確的計(jì)產(chǎn)數(shù)據(jù)。為系統(tǒng)效率提升、智能間開(kāi)提供最直接的依據(jù)和效果判定標(biāo)準(zhǔn)。最終將計(jì)算結(jié)果上傳至智能采油平臺(tái)。

智能井場(chǎng)的功圖計(jì)產(chǎn)是通過(guò)將功圖計(jì)產(chǎn)算法與智能井場(chǎng)融合終端相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井產(chǎn)液量的智能化計(jì)算和監(jiān)測(cè)，提高生產(chǎn)管理效率和精細(xì)化程度。

3.4 工況診斷與預(yù)警

工況診斷通過(guò)應(yīng)用人工智能技術(shù)對(duì)油井的工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，以實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警、異常診斷和優(yōu)化控制的一種技術(shù)手段。具體實(shí)現(xiàn)方法主要分為四步，分別是：初步診斷、故障診斷、特殊故障和模型優(yōu)化。

初步診斷：通過(guò)提取功圖基本特征值，初步判斷儀表測(cè)量問(wèn)題和系統(tǒng)基本故障。

故障診斷：通過(guò)對(duì)功圖數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別從載荷、位移、功圖形狀等多個(gè)維度進(jìn)行系統(tǒng)故障詳細(xì)分析。

特殊故障：運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析思想，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對(duì)故障進(jìn)行再次確認(rèn)和分析，避免出現(xiàn)誤診斷。

模型優(yōu)化：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分析方法，利用現(xiàn)場(chǎng)故障確認(rèn)，通過(guò)系統(tǒng)自學(xué)習(xí)功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不斷完善。

工況診斷具體實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示。

3.5 智能間抽控制

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面采集，包括實(shí)時(shí)功圖、電參、油套壓、動(dòng)液面、含水率的采集，在邊緣端實(shí)現(xiàn)產(chǎn)液量實(shí)時(shí)計(jì)算、耗電量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。基于實(shí)時(shí)動(dòng)液面連續(xù)準(zhǔn)確測(cè)量，結(jié)合油井滲透規(guī)律動(dòng)態(tài)尋優(yōu)間抽生產(chǎn)制度，通過(guò)自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)程智能化管理，合理設(shè)置間抽計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)智能錯(cuò)峰控制，提高供液效率。智能間抽技術(shù)的應(yīng)用可以降低人工成本、提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排[9-10]。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)的低碳智能井場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)井場(chǎng)監(jiān)控的智能化管理和低碳化運(yùn)營(yíng)。通過(guò)傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對(duì)井場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、能耗情況和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取相應(yīng)措施。

通過(guò)云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)井場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，提取有價(jià)值的信息，為運(yùn)維決策提供科學(xué)

依據(jù)。

通過(guò)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)和井場(chǎng)能源消耗數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，優(yōu)化能源利用和管理策略，提高能源利用效率并降低碳排放。

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