彭春龍

（勝利油田孤東采油廠采油管理一區(qū)，山東東營(yíng) 257237）

0 引言

抽油機(jī)井工況的調(diào)整變化直接影響到原油生產(chǎn)的安全性與高效性，優(yōu)化工況也是采油生產(chǎn)過(guò)程中的一項(xiàng)重要措施。開采井場(chǎng)分布廣、地表?xiàng)l件惡劣、工作環(huán)境艱苦，充滿風(fēng)險(xiǎn)與不確定性，抽油機(jī)常年暴露在復(fù)雜的自然環(huán)境下，故障頻發(fā)，情況嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致設(shè)備重大事故的發(fā)生，造成惡劣的后果。目前，油田四化系統(tǒng)能夠通過(guò)前端四化傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井狀況的監(jiān)測(cè)，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)油井參數(shù)根據(jù)生產(chǎn)變化的智能調(diào)整和及時(shí)優(yōu)化[1]。因此，利用邊緣計(jì)算技術(shù)動(dòng)態(tài)維護(hù)油井工況有重要的研究?jī)r(jià)值。

隨著人工智能及油田信息能力的快速發(fā)展，邊緣計(jì)算可以滿足國(guó)有企業(yè)對(duì)信息數(shù)據(jù)質(zhì)量和安全性的要求，而且還能實(shí)現(xiàn)更迅速的數(shù)據(jù)處理和響應(yīng)速度。邊緣計(jì)算逐漸成為一個(gè)應(yīng)用在油田行業(yè)的成熟技術(shù)。本文將闡述基于邊緣計(jì)算，利用前端傳感器技術(shù)，實(shí)時(shí)采集油井運(yùn)行時(shí)的溫度、載荷、壓力、角位移、電流等數(shù)據(jù)，油田PCS 系統(tǒng)中的智能算法再對(duì)采集上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行翔實(shí)有效的分析，達(dá)到抽油機(jī)井工況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)整，最終，為原油生產(chǎn)單位減少設(shè)備維護(hù)成本，保障生產(chǎn)穩(wěn)定高效。

1 邊緣計(jì)算的定義及特點(diǎn)

1.1 邊緣計(jì)算的定義

邊緣計(jì)算，又稱為邊緣運(yùn)算，建立分散的運(yùn)算架構(gòu)，在物理設(shè)備及源頭的近端，將原本由中心端點(diǎn)處理的龐大服務(wù)拆分為更小、更易于運(yùn)算管理的小節(jié)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)源頭上就近提供運(yùn)算服務(wù)。邊緣計(jì)算，由于更貼近原始數(shù)據(jù)資料，所以更適合處理龐大復(fù)雜的數(shù)據(jù)，縮小延遲。

1.2 邊緣計(jì)算的特點(diǎn)

（1）邊緣計(jì)算把計(jì)算和存儲(chǔ)的資源放在了服務(wù)對(duì)象更近的地方，所以減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間，降低數(shù)據(jù)延遲，具有計(jì)算速度快，現(xiàn)場(chǎng)決策效率高的特點(diǎn)，反映處理時(shí)間在10 ms 以內(nèi)。

（2）邊緣計(jì)算優(yōu)化傳輸量，可以避免將大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫颂幚?，從而降低了云端（服?wù)器）能源和成本的投入，能耗少負(fù)擔(dān)也相應(yīng)的減少，對(duì)信息化處理時(shí)，僅用上傳關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，極大地減輕網(wǎng)絡(luò)承載負(fù)荷，降低30%～40%的能耗，提高了能源和成本效益。

（3）邊緣計(jì)算能夠?qū)?shù)據(jù)在本地進(jìn)行處理，本地存活能力強(qiáng)，安全穩(wěn)定，具備不受網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬和負(fù)載影響的“本地存活”能力，穩(wěn)定可靠性強(qiáng)，避免出現(xiàn)安全隱患和泄露風(fēng)險(xiǎn)。

2 邊緣計(jì)算動(dòng)態(tài)維護(hù)油井工況的系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 需求分析

隨著勝利油田“四化”工作的推廣，采油技術(shù)人員可以動(dòng)態(tài)收集大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)所轄區(qū)域的油井生產(chǎn)形勢(shì)進(jìn)行有效分析，同時(shí)就供液差、泵效低的井制定工作方法，能夠?qū)?shù)優(yōu)化，培養(yǎng)穩(wěn)升井組、長(zhǎng)壽井組等方面的工作提出指導(dǎo)性措施，在方案設(shè)計(jì)時(shí)就能夠針對(duì)泵深和液面深度，做到既定性又能定量的方案，解決工況分析提出的桿管組合不合理問(wèn)題。目前，孤東采油廠抽油機(jī)安裝有多種類型的數(shù)據(jù)傳感器，有效且不間斷的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包括載荷、壓力、角位移、溫度、電流等各種信號(hào)，進(jìn)而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及油水井工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)成為一種可能，為智能調(diào)節(jié)生產(chǎn)狀況提供了數(shù)據(jù)支撐。有了前端的數(shù)據(jù)，利用邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)油井工況動(dòng)態(tài)調(diào)整的需求。

（1）抽油機(jī)井生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取

抽油機(jī)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是邊緣計(jì)算系統(tǒng)不可動(dòng)搖的基石，前端傳感器收集大量的多樣信號(hào)，為油井工況監(jiān)控和動(dòng)態(tài)調(diào)整功能的實(shí)現(xiàn)，提供最有力的幫助。

（2）邊緣計(jì)算和PCS 系統(tǒng)（云端）協(xié)同工作

油田現(xiàn)場(chǎng)的抽油機(jī)采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳送至各單位的工控服務(wù)器，軟硬件資源終將會(huì)變得有限，在系統(tǒng)運(yùn)行效率中打折扣。但是采用邊端和云端協(xié)同計(jì)算后，邊緣端進(jìn)行實(shí)時(shí)性、短周期的數(shù)據(jù)處理與推理，從而在油井生產(chǎn)時(shí)對(duì)抽油機(jī)運(yùn)行狀況智能化監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)維護(hù)。工控服務(wù)器、PCS 系統(tǒng)端進(jìn)行長(zhǎng)周期的大數(shù)據(jù)分析，能夠?yàn)檫吘壎颂峁┚S護(hù)與支撐[2]。

（3）智能監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)能夠在抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)通過(guò)不間斷學(xué)習(xí)、形成大量算法模型，從而解決油井工況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和參數(shù)智能優(yōu)化。

2.2 邊緣計(jì)算智能監(jiān)測(cè)架構(gòu)

按照油井工況監(jiān)測(cè)和參數(shù)智能調(diào)整的要求，以最簡(jiǎn)潔且高效的方式，設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)。位于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)前端的傳感器，將龐大的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，而后系統(tǒng)將此類數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井工況的故障診斷和動(dòng)態(tài)維護(hù)。

（1）數(shù)據(jù)采集端

數(shù)據(jù)采集端包括抽油機(jī)、信息采集設(shè)備、各種傳感器（如載荷、溫度、壓力、角位移、電流等）等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備[1]?？刂乒駜?nèi)配備有數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，由它來(lái)采集抽油機(jī)上的海量數(shù)據(jù)，經(jīng)轉(zhuǎn)儲(chǔ)處理等操作后，不間斷的以統(tǒng)一規(guī)范的形式送至邊緣層[3]。

（2）邊緣計(jì)算端

邊緣計(jì)算主要依存設(shè)備為工控存儲(chǔ)器、智能網(wǎng)關(guān)等[4]。邊緣層實(shí)時(shí)采集接收抽油機(jī)運(yùn)行的各種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行審核、篩選、甄別操作后，轉(zhuǎn)儲(chǔ)到上級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)成熟的PCS 系統(tǒng)（即云端）建立有效模型，再對(duì)每一個(gè)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)記性分析、監(jiān)測(cè)，診斷出油井工況的優(yōu)劣，進(jìn)而對(duì)專業(yè)技術(shù)人員所應(yīng)采取的措施提供正向指導(dǎo)意義或者進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

（3）PCS 系統(tǒng)處理端

PCS 系統(tǒng)處理指的就是油田企業(yè)現(xiàn)有的智能平臺(tái)，利用其超強(qiáng)的計(jì)算能力和已有的算法，不斷的學(xué)習(xí)認(rèn)知，通過(guò)對(duì)抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)分析將不同場(chǎng)景更新升級(jí)，把完善的模型匹配至邊緣計(jì)算[5]。

3 邊緣計(jì)算動(dòng)態(tài)維護(hù)油井工況的數(shù)據(jù)處理流程

邊緣計(jì)算的油井工況智能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程，包括邊緣端程序的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)篩選后的上傳云端、云端程序?qū)⒛Ｐ拖掳l(fā)后的數(shù)據(jù)診斷、結(jié)果展示等。我們要照顧到邊緣計(jì)算端和PCS 系統(tǒng)處理端（云端）配合，邊緣計(jì)算程序要進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的甄別、篩選、判定及評(píng)估操作，PCS 系統(tǒng)處理端對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化、評(píng)估模型的匹配性，進(jìn)行更新升級(jí)訓(xùn)練。

3.1 數(shù)據(jù)審查與剔除

抽油機(jī)在生產(chǎn)時(shí)面臨各種各樣的情況，同時(shí)各個(gè)部位的傳感器工作時(shí)，亦會(huì)容易采集到受到客觀環(huán)境因素影響被“污染”的數(shù)據(jù)。因此，對(duì)于前端數(shù)據(jù)的篩選和剔除是所有工控智能系統(tǒng)必須要完成的一項(xiàng)工作，數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行相應(yīng)的審查，將采集到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)去偽存真。抽油機(jī)數(shù)據(jù)審查的方法如下：前端傳感器采集的數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)合理的數(shù)據(jù)相差較大的值，即為“污染數(shù)據(jù)”。傳感器所采集的單個(gè)信號(hào)幅值與整體平均值的差大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差，那么該值就可視為污染數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)有效歸納

審核后的抽油機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在大多數(shù)時(shí)候也不能有效的實(shí)現(xiàn)特定功能，必須再次處理數(shù)據(jù)，這就需要將能夠反映工況變化信息的有效參數(shù)整理歸納出來(lái)，即有效歸納。我們將抽油機(jī)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面進(jìn)行數(shù)據(jù)解釋，并找到貼近實(shí)際情況的指標(biāo)作為有效歸納。

3.3 數(shù)據(jù)篩選與融合

數(shù)據(jù)進(jìn)行有效歸納操作后，需要再次篩選以降低動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)有效的數(shù)量，找到具有代表性指向性的數(shù)據(jù)。通過(guò)基于斯皮爾曼系數(shù)的相關(guān)性分析進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的篩選，評(píng)價(jià)變量之間的相關(guān)性，對(duì)代表性指向性的權(quán)重進(jìn)行排序[1]。斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)為：ρ

其中：di為時(shí)間序列與特征序列間的等級(jí)差數(shù)；n為特征序列的數(shù)量。若某特征ρ大于0.8，表明其與時(shí)間具有強(qiáng)相關(guān)性，可作為有效特征。

為了從極具代表性和指向性的數(shù)據(jù)中找到運(yùn)行的潛在規(guī)律，通過(guò)邊緣計(jì)算主程序進(jìn)行監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)融合，將多變量之間的內(nèi)部關(guān)系通過(guò)少數(shù)幾個(gè)主成分表現(xiàn)。

4 邊緣計(jì)算技術(shù)的功能表現(xiàn)

邊緣計(jì)算動(dòng)態(tài)維護(hù)油井工況技術(shù)是根據(jù)一個(gè)沖程周期中，不同階段載荷、電流、溫度、角位移、壓力等參數(shù)的變化情況，采用變頻的方式減緩沖擊、降低能耗、保護(hù)設(shè)備的方法，利用工業(yè)APP 應(yīng)用在采油井部署該項(xiàng)技術(shù)，顯著改善抽油機(jī)的工作狀況，借助智能邊緣計(jì)算的便捷性，對(duì)抽油機(jī)工況進(jìn)行優(yōu)化，降低功率及倒發(fā)電的問(wèn)題。

油井由原來(lái)的間開方式或周期性措施調(diào)整，通過(guò)極小功率狀態(tài)下油量擺動(dòng)維持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，解決了傳統(tǒng)頻繁啟動(dòng)停機(jī)或參數(shù)優(yōu)化失敗的問(wèn)題，最終可以實(shí)現(xiàn)每天連續(xù)抽液過(guò)程的運(yùn)行，沖次可控，實(shí)現(xiàn)功率隨動(dòng)。在一個(gè)沖程周期內(nèi)改善頻率和柱塞的速度分布，減輕地面?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)和整個(gè)桿柱的疲勞環(huán)境，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)沉沒(méi)度追蹤采油，通過(guò)每個(gè)沖程采集示功圖，判斷沉沒(méi)度、充滿系數(shù)、流壓、等參數(shù)，在沉沒(méi)度小、充滿程度低時(shí)，降低沖次，提高充滿程度，充滿程度高時(shí)，提高沖次，提高產(chǎn)量。

5 油井案例分析

生產(chǎn)實(shí)踐中，我們對(duì)孤東采油廠采油管理一區(qū)GO7-20-301油井開展基于邊緣計(jì)算的智能監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，形成初步的工況模型，結(jié)合對(duì)前期生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)該油井日產(chǎn)液為1.71 ～2.2 t/d，表現(xiàn)為嚴(yán)重供液不足。

該井于2022年7月22日采用邊緣計(jì)算技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)調(diào)整后，生產(chǎn)參數(shù)隨動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)在0.5 ～1.4次自動(dòng)變化，供液情況隨之自動(dòng)波動(dòng)，同時(shí)數(shù)據(jù)反饋至PCS 系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)該油井的供液情況明顯發(fā)生改善。

圖1 采用邊緣計(jì)算后的示功圖

通過(guò)邊緣計(jì)算動(dòng)態(tài)維護(hù)抽油機(jī)井工況的實(shí)驗(yàn)，可以看到整個(gè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)處理運(yùn)算在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上分工明確，又能相互照應(yīng)，能為抽油機(jī)工況運(yùn)行和調(diào)整提供支持，有效提高工作效率。

6 結(jié)論

油田開發(fā)后期隨著四化數(shù)據(jù)的應(yīng)用，邊緣計(jì)算的智能系統(tǒng)能夠很好追蹤油井最優(yōu)生產(chǎn)參數(shù)、達(dá)到最佳生產(chǎn)工況，對(duì)任何一個(gè)沖程內(nèi)的實(shí)時(shí)功圖轉(zhuǎn)換、沉沒(méi)度、流壓、泵效、產(chǎn)量計(jì)算的追蹤，能夠?qū)崿F(xiàn)按照分時(shí)段錯(cuò)峰電價(jià)調(diào)整沖次的功能，降低能耗。

總體來(lái)說(shuō)，邊緣計(jì)算是一種較先進(jìn)的技術(shù)，具有穩(wěn)定性好、時(shí)效性強(qiáng)、安全性高等特點(diǎn)，邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)在石油行業(yè)的應(yīng)用具有重要意義，實(shí)現(xiàn)對(duì)石油生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和控制等功能，從而提高石油生產(chǎn)的效率和安全性，有助于智能油田的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的廣泛部署與應(yīng)用。