基于邊緣計算機的油井健康管理系統(tǒng)

摘要：文章針對海上采油平臺設(shè)備密集、數(shù)字化管理程度高的特點，結(jié)合邊緣計算機技術(shù)的應(yīng)用，構(gòu)建油井健康管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對單井采油數(shù)據(jù)進行集中采集、大數(shù)據(jù)分析。通過對油井及相關(guān)驅(qū)動設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，實現(xiàn)故障預(yù)警、故障定位、全生命周期管理等功能，確保安全生產(chǎn)。同時控制能源消耗與電機效率，達到節(jié)能減排的效果。另外，還討論了健康管理系統(tǒng)與平臺現(xiàn)有DCS控制系統(tǒng)的互補關(guān)系。

關(guān)鍵詞：邊緣計算機;海上采油平臺;數(shù)字化

目前海上采油平臺現(xiàn)有中控系統(tǒng)多采用DCS系統(tǒng)（DCS是分布式控制系統(tǒng) “Distributed Control System” 的英文縮寫，在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)），其特點是通過對海上平臺油氣生產(chǎn)設(shè)備進行狀態(tài)信號采集，實現(xiàn)多點實時監(jiān)控，集中管理與離散式控制的模式。但是DCS系統(tǒng)本身不具備大數(shù)據(jù)分析處理的能力，這是由DCS系統(tǒng)的硬件條件所決定的。近年來，隨著數(shù)字化技術(shù)的推廣，以及邊緣計算機的應(yīng)用，實現(xiàn)數(shù)字化油田管理除了需要大量的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，同時也要求控制系統(tǒng)具有大數(shù)據(jù)分析能力。本文提出的“油井健康管理系統(tǒng)”，根據(jù)海上平臺油井相關(guān)設(shè)備的運行特點，依托邊緣計算機硬件和健康管理軟件系統(tǒng)對油井設(shè)備產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)進行挖掘利用，發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行規(guī)律和故障特征，進行預(yù)測性的維護及全生命周期的管理，達到油田安全生產(chǎn)、節(jié)能減排、提質(zhì)增效的目的。

一、邊緣計算機的特點

邊緣計算是指在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力的開放平臺。邊緣計算與云計算互相協(xié)同，共同助力各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。它就近提供智能互聯(lián)服務(wù)，滿足行業(yè)在數(shù)字化變革過程中對實時性、智能化、大數(shù)據(jù)分析、安全與隱私保護等方面的關(guān)鍵需求。

1、分布式、低延時計算，海量的數(shù)據(jù)不再需要上傳至中控系統(tǒng)或云端進行處理，而是通過分布在被控設(shè)備本地的邊緣計算機進行處理，從而大大降低了發(fā)生網(wǎng)絡(luò)時延的風險，使得反饋更加迅速，控制更為及時。

2、智能計算，邊緣計算機的大數(shù)據(jù)存儲及處理功能，可以滿足用戶對海量數(shù)據(jù)的分析處理需求，通過一定的軟件算法以及大數(shù)據(jù)的積累，實現(xiàn)設(shè)備的智能化。

3、高安全可靠性，邊緣計算機在接收到數(shù)據(jù)之后，可以對數(shù)據(jù)加密后再進行傳輸，提升了數(shù)據(jù)的安全性。

二、單井健康管理系統(tǒng)的功能特點

基于邊緣計算機的油井健康管理系統(tǒng)的核心特點是將單口油井的所有相關(guān)運行數(shù)據(jù)、參數(shù)等信息進行不間斷的采集、匯總并對采集到的大數(shù)據(jù)進行分析。從供電端的電能質(zhì)量到驅(qū)動設(shè)備的運行參數(shù)、井口采油樹的流量、壓力參數(shù)，再到井下長電纜的絕緣情況以及電泵機組的運行參數(shù)，通過24小時不間斷的對同一口油井的相關(guān)數(shù)據(jù)進行處理、分析，可以總結(jié)出大量的數(shù)據(jù)相關(guān)性規(guī)律。再將采油相關(guān)行業(yè)專家的知識與經(jīng)驗，轉(zhuǎn)化為軟件算法，結(jié)合大數(shù)據(jù)的積累，從而將油井的運行控制在最高效的狀態(tài)點。

如上圖所示，本文涉及的“油井健康管理系統(tǒng)”包括“數(shù)據(jù)監(jiān)控”、“設(shè)備管理”、“安全運行”、“智能輔助”、“系統(tǒng)設(shè)置”等幾個版塊的功能。實現(xiàn)了電能質(zhì)量監(jiān)測功能、電機能效監(jiān)測功能、設(shè)備全生命周期管理功能、故障預(yù)警定位和統(tǒng)計分析功能、故障處理引導(dǎo)功能、生產(chǎn)報表生成功能等。各項功能的實現(xiàn)都是基于邊緣計算機對實時采集的單井運行參數(shù)，按照一定的算法進行大數(shù)據(jù)處理后，給用戶提供智能化的油井管理建議，從而達到提高設(shè)備管理數(shù)字化水平的目的。

系統(tǒng)總體采用三層架構(gòu)設(shè)計，分別為數(shù)據(jù)采集層、系統(tǒng)支持層、智能應(yīng)用層：

數(shù)據(jù)采集層：包括各種傳感器、智能設(shè)備等通過 modbus/RTU;modbus/tcp-ip 協(xié)議利有線網(wǎng)絡(luò)和wife無線模塊傳輸?shù)竭吘売嬎銠C;

系統(tǒng)支持層：讀取、轉(zhuǎn)換、交互獲得數(shù)據(jù);也支持平臺其他數(shù)據(jù)庫交互數(shù)據(jù)或從服務(wù)器上載和下載數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在系統(tǒng)支撐層進行處理，這里包含數(shù)據(jù)的規(guī)范化，數(shù)據(jù)協(xié)議兼容與轉(zhuǎn)化庫 SQL 和基于網(wǎng)絡(luò)拓撲分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)。

智能應(yīng)用層：基于各種專家算法，如神經(jīng)元算法，模糊算法等，將各種監(jiān)測、預(yù)警、故障診斷結(jié)果進行相應(yīng)的展示，包括狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障預(yù)測、維修保障、設(shè)備管理、巡檢管理、等模塊。對緊急信息通過彈出信息、短信和智能語音電話及時知。

三、單井健康管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)的關(guān)系

1、與傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)的區(qū)別

傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)側(cè)重于數(shù)據(jù)實時采集和集中控制管理，可以通過一套DCS系統(tǒng)時實現(xiàn)對海上平臺所有油井的集中管理。但是由于系統(tǒng)不具備大數(shù)據(jù)處理能力，所以不能對采集的數(shù)據(jù)進行對比、分析，而且系統(tǒng)本身也不支持復(fù)雜的軟件算法，因此只能對所有同類設(shè)備執(zhí)行同一套控制邏輯。而基于邊緣計算機的油井管理系統(tǒng)其優(yōu)勢在于分布式計算，每臺邊緣計算機只負責對一口油井的數(shù)據(jù)進行處理，同時邊緣計算機具有大數(shù)據(jù)處理、分析能力，可以通過積累大量的同一口油井的運行數(shù)據(jù)，總結(jié)出針對性的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)特性，從而形成特定油井的專屬控制策略。

2、是傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)的有益補充

基于邊緣計算機的油井健康管理系統(tǒng)不可能取代現(xiàn)有DCS系統(tǒng)的作用，但是可以發(fā)揮其邊緣計算的特點，通過分布式計算將大量數(shù)據(jù)進行本地處理，減少DSC系統(tǒng)的工作量。同時，通過對每口油井不同流程環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)性分析，依托各種專家算法，形成針對每口油井的局部優(yōu)化控制方案，實現(xiàn)精細化管理每一口油井，最終實現(xiàn)整個平臺油井管理水平的提升。

3、油井健康管理系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有兩項關(guān)鍵技術(shù)，分別是傳感器技術(shù)和嵌入式技術(shù)。基于邊緣計算機的油井健康管理系統(tǒng)將采油流

四、結(jié)束語

將采油行業(yè)各相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业闹R以及經(jīng)驗，通過軟件系統(tǒng)以算法的形式輸入邊緣計算機，結(jié)合邊緣計算的大數(shù)據(jù)處理能力，相當于在每口油井旁邊安排了一位行業(yè)專家對采油設(shè)備進行24小時不間斷健康管理，其油井管理效率的提升必將給油田穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)帶來巨大潛力。同時結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將若干口油井管理系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)匯總至云端，對數(shù)據(jù)進行積累、分析，總結(jié)出有價值的規(guī)律，更好的認識油田自身特點，對于提高油田整體開采效率將具有重要意義。

參考文獻

[1]設(shè)備狀體監(jiān)測及故障診斷技術(shù)問答 錢廣華等 ?中國石化出版社 2012 年 1 月.

[2]海上油氣生產(chǎn)設(shè)備健康管理平臺及應(yīng)用系統(tǒng)何曉勇1，牛會釗2，王 松2，魏方方3（1.中海油研究總院機械所，北京，100070;2.北京雅丹石油技術(shù)開發(fā)有限公司，北京102200;）

[3]面向配電物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計算技術(shù) 孫浩洋1 張冀川1 王鵬1 陳蕾2等 ? 2019-12-05（1. 中國電力科學研究院有限公司2. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司）.

[4]邊緣計算技術(shù)及應(yīng)用綜述.趙明（武漢數(shù)字工程研究所）.2020-6-15.

[5]工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算技術(shù)發(fā)展與行業(yè)需求分析.王凱，王靜.2019-10-25（機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所）

作者簡介

周江，職稱：電氣主管/工程師，1988年12月，研究方向：電力系統(tǒng) ?單位：中海石油（中國）有限公司天津分公司.