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★ 中國石油長慶油田分公司頁巖油開發(fā)分公司 賈志鵬 

★ 中國石油長慶油田分公司第一采油廠 崔強

★ 中國石油長慶油田分公司頁巖油開發(fā)分公司 周婷，余杰，趙一帆

1引言

目前，油氣行業(yè)正處于數(shù)字化轉型、智能化發(fā)展階段，油氣生產業(yè)務需要進行全業(yè)務融合和智能化水平提升，實現(xiàn)生產工況診斷、功圖量液、合規(guī)監(jiān)測，引入邊緣計算，促進油氣生產現(xiàn)場遠程操控水平的提升。通過油氣行業(yè)多層閉環(huán)管理系統(tǒng)，在優(yōu)化生產流程、優(yōu)化組織結構、提高生產效率、提升管理水平、減輕一線員工勞動強度、降低安全風險等方面取得了顯著效果，極大地促進了石油行業(yè)油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)的發(fā)展。

在油氣行業(yè)多層閉環(huán)管理系統(tǒng)總體框架下，緊密結合工業(yè)物聯(lián)網平臺發(fā)展思路和技術發(fā)展趨勢，重點結合油氣生產業(yè)務領域的實際需求，形成了基于工業(yè)領域的云端部署的大數(shù)據(jù)平臺軟件；該平臺完全基于B/S的架構設計，通過物聯(lián)網、云計算等技術，提供設備接入、控制系統(tǒng)運行監(jiān)控、設備資產管理等一站式服務，實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、存儲、計算、顯示和共享，搭建以設備運行和管理為核心的設備監(jiān)控、設備管理、設備運維等系統(tǒng)，支撐物聯(lián)網平臺應用的構建和快速上線。

在油氣行業(yè)多層閉環(huán)管理系統(tǒng)的框架下，依托云端部署的大數(shù)據(jù)平臺軟件，對邊緣計算產品性能進行提升。邊緣計算與感知智能息息相關，大量的感知特征需要通過海量終端來獲取數(shù)據(jù)，并且需要前端進行預處理，進而再回傳結論性的數(shù)據(jù)到后端。

智能遠程終端裝置（SmartRemoteTerminalUnit，智能RTU）作為邊緣計算前端設備，集成了邊緣計算算法，對油田的生產工況診斷、能耗分析、數(shù)據(jù)預測、無人化管理做有力支撐。通過智能RTU可以打開物聯(lián)網應用的鑰匙；智能RTU前置的數(shù)據(jù)處理模型，是解決海量數(shù)據(jù)處理的又一新型計算模型，是人工智能的神經末梢，因此智能RTU在具體實現(xiàn)“數(shù)字化智能化油田”進程中，將發(fā)揮其重要的作用。

智能RTU集成了邊緣計算的數(shù)據(jù)處理模型，是邊緣計算在油田現(xiàn)場的應用載體。因此本文中的應用場景與實踐主要是針對智能RTU在工況診斷、液量計量和合規(guī)監(jiān)測等方面的闡述和分析。

2邊緣計算

邊緣計算，是指在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的一側，采用網絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的開放平臺，就近提供最近端服務。邊緣計算涉足通信技術、運營技術、信息技術多個領域，與網絡聯(lián)接、數(shù)據(jù)聚合、芯片、傳感、行業(yè)應用等多個產業(yè)鏈有著交叉和融合。隨著各個產業(yè)鏈技術的發(fā)展與提升，邊緣計算發(fā)展也將進入關鍵階段。

掌握數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)及算法，做到事半功倍，少走彎路，同時加強與石油專業(yè)知識相結合，探尋適合油田開發(fā)領域數(shù)據(jù)挖掘方法，實現(xiàn)數(shù)字油田“讓數(shù)字說話，聽數(shù)據(jù)指揮”智能化管理。

本文邊緣計算涉及了三方面的算法和技術：功圖診斷、功圖量液、合規(guī)監(jiān)測。

隨著油氣行業(yè)智能化技術的快速發(fā)展，智能化油田技術也成為采油工程界的研究熱點，抽油機井的工況診斷、功圖量液和合規(guī)監(jiān)測也日益在采油行業(yè)受到重視。

抽油機井示功圖作為獲取抽油機井工作狀況的一個重要手段，在國內外油田得到廣泛應用，同時對示功圖測量方法的研究依然是重要的研究課題。經過長期探索研究，示功圖測量技術已取得很大的進展。

工況診斷和功圖量液智能算法則是基于先進的示功圖測量技術，利用專家系統(tǒng)，通過對抽油機井電機功率曲線的分析，結合電機的電壓、電流、轉速、功率因數(shù)等參數(shù)，實現(xiàn)對抽油機系統(tǒng)的工況進行診斷和液量計量。

工況診斷和功圖量液智能算法是一種兼顧井上電機的電壓、電流、轉速、功率因數(shù)等參數(shù)與井下抽油泵的運行工況參數(shù)的綜合方法，分析抽油機井電機的運行原理和抽油機系統(tǒng)的能耗，建立電參數(shù)與井下供液情況、抽油泵運行參數(shù)的數(shù)學模型。根據(jù)抽油機系統(tǒng)的能耗與電機的工作原理，對產液量、泵效、平衡度、電機利用率等分析，建立抽油機井工況的特征值的數(shù)學模型。如圖1所示。

圖1 智能算法模型診斷計量流程圖

在合規(guī)檢測方面，為了可靠且高效地處理大規(guī)模的視頻流數(shù)據(jù)，使用堆視頻流實時分析算法，涉及工服檢測算法、安全帽佩戴檢測算法、煙霧檢測算法、人員跌倒檢測算法、外來人員識別算法、車輛識別算法等，需要有一個可擴展、能容錯、松耦合的系統(tǒng)，使用開源的技術來構建這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了三個主要的組件：視頻流收集器、流數(shù)據(jù)緩沖以及視頻流處理器。

3智能RTU功能特點

油氣生產現(xiàn)場以智能RTU為中心，智能RTU是油氣行業(yè)設備智能化的關鍵。智能RTU集成了工況診斷、功圖量液、合規(guī)監(jiān)測等智能算法模型，通過示功圖完成對井站內每口井的工況進行分析、計量與監(jiān)測，并根據(jù)油井工況給出調節(jié)建議。數(shù)據(jù)的傳輸、分析、處理與存儲對網絡帶寬提出了巨大的挑戰(zhàn)，而智能RTU的邊緣計算能力，為解決這一問題提供了必要的技術手段。把大量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆朴嬎阒行娜ヌ幚恚瑢е聰?shù)據(jù)處理的不及時，在油氣行業(yè)VR/AR等要求可靠性、實時性比較高的應用場景下。

智能RTU作為油氣生產數(shù)字化轉型的關鍵設備，是油氣生產信息與業(yè)務分析的橋梁。設備通用性強，支持Tensorflow、Pytorch、Caffe等深度學習平臺；采用工業(yè)級設計，適用于寬溫環(huán)境。

智能RTU基于算力資源，自身可以完成部分，甚至全部處理任務，無需立刻回傳到云端進行處理，而是有進一步處理需求后，才進行數(shù)據(jù)的回傳。因此，智能RTU可以分擔云計算部分處理任務，開啟“云網端智”四位一體的處理模式，能夠實現(xiàn)就地采集、智能AI分析、狀態(tài)上傳，有效減少網絡負載，降低數(shù)據(jù)時延，提升數(shù)據(jù)價值。

主要具有以下功能特點：

（1）采用四核ARMCortex-A57高性能處理器，支持RS232、RS485、CAN、USB、以太網、ZigBee和4G等通信接口；

（2）集成128核Maxwell架構NVIDIA圖形處理器，可提供3TFlops的AI算力支持，支持Tensorflow、Caffe、Pytorch等AI計算框架；

（3）支持ModbusRTU、ModbusTCP和MQTT等通訊協(xié)議。

支持基于CAN總線的I/OBUS數(shù)據(jù)擴展協(xié)議，可添加模擬量、開關量和脈沖量等擴展板卡；

（4）支持IEC61131-3標準的二次開發(fā)平臺，可支持IL、ST、LD、FBD和SFC共5種標準編程語言；

（5）工業(yè)級環(huán)境適應能力，一體化、無風扇設計，工作溫度達-40~+70℃。

智能RTU應用系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

圖2智能RTU應用系統(tǒng)結構圖

4應用場景與實踐

依托云端部署的大數(shù)據(jù)平臺軟件，基于油井生產整體優(yōu)化技術，在邊緣計算算法的基礎上實現(xiàn)油井液量的實時在線計量。

智能RTU可以應用在石油產業(yè)鏈的每個環(huán)節(jié)，在油氣生產過程中，典型應用實踐場景包含功圖診斷、功圖量液、合規(guī)監(jiān)測。

4.1工況診斷

在油氣生產功圖診斷方面，智能RTU結合邊緣計算算法和技術，建立抽油機井況的數(shù)學模型，通過專家系統(tǒng)實現(xiàn)對油井生產工況的分析與判斷。

（1）智能RTU通過對每一口井的功圖信息采用算法模型進行診斷，可診斷出油井的工況信息，根據(jù)診斷出的工況給出合理的建議。智能RTU可對診斷過的功圖及診斷結果進行保存，云端部署的大數(shù)據(jù)平臺軟件可通過API查閱歷史功圖。

（2）工況診斷和預測：抽油機井工況復雜多樣，工況的變化和趨勢都會通過井上抽油機電機功率曲線和井下抽油泵工作參數(shù)變化體現(xiàn)，通過井上電機的電壓、電流、轉速、功率因數(shù)等參數(shù)與井下抽油泵的運行工況參數(shù)的綜合方法，分析、診斷和預測抽油機井的開關狀態(tài)、通訊狀態(tài)、特征參數(shù)及曲線。智能RTU對功圖診斷信息圖如圖3所示。

圖3智能RTU對功圖診斷信息圖

（3）功圖診斷實踐結果展示

根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過智能算法進行分析計算可知，井1診斷為供液不足。油井供液不足時，柱塞下行時接觸不到液面，卸載時間延長，使功圖表現(xiàn)出“刀把”的形狀，“刀把”長度占沖程的比例反映著供液不足的程度，如圖4所示。根據(jù)“刀把”長度和功圖面積監(jiān)測供液能力變化趨勢，當供液不足程度發(fā)生較大變化時預警，必要時采取調參、調整注水等措施挖掘油井生產潛力。也可用于監(jiān)測間抽井供排變化趨勢，合理制定間抽周期。

圖4井1功圖

根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過智能算法進行分析計算可知，井2診斷為桿斷脫，如圖5所示。

圖5井2功圖

根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過智能算法進行分析計算可知，井3診斷為固定凡爾漏失，如圖6所示。

圖6井3功圖

根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過智能算法進行分析計算可知，井4診斷為嚴重供液不足，如圖7所示。

圖7井4功圖

（4）功圖診斷準確率

通過智能算法診斷，診斷結果準確率在95%以上，見表1。

表1功圖診斷結果表

4.2功圖量液

油井產液量計量是油田生產管理中的一項重要工作。建立多種數(shù)學模型、應用智能算法編制計算軟件、編譯功圖量液分析程序，通過程序計算與現(xiàn)場A11計量系統(tǒng)進行實際產液量對比。

（1）抽油機系統(tǒng)效率分析：抽油機將井下液體舉升到地面的過程中有用功率與系統(tǒng)輸入的功率的比值，由地面效率和井下效率兩部分組成，地面效率取決于光桿載荷、光桿功率、四連桿機構、減速箱、電機效率，井下效率取決于盤根盒效率、抽油桿效率。管柱和抽油泵效率提高系統(tǒng)效率可采取參數(shù)優(yōu)化和調平衡等措施。

（2）功圖量液計算：對井下和井口常規(guī)數(shù)據(jù)、溫度、時間等海量數(shù)據(jù)，進行作業(yè)區(qū)單位級別的大數(shù)據(jù)分

析，結合抽油機井的工況優(yōu)化模型，對油井產量進行分析計算和預測，提高油田的整體產量。

（3）功圖量液計算信息對比

通過現(xiàn)場安裝的智能RTU對井101X和井102X兩口井進行實時功圖診斷和計量，并以天來求取平均日產液量；最后計算近23天的平均值與A11計量系統(tǒng)中的標記產液量進行對比。

井101-6X和井101-1X采用歷史功圖進行功圖量液計算，計算2021年1月10日至3月7日共50天的平均值與A11計量系統(tǒng)標記產量進行對比。

對比結果表明，功圖量液計量結果相對誤差在10%以內，見表2、表3。

表2功圖量液計算結果對比表1

表3功圖量液計算結果對比表2

4.3合規(guī)監(jiān)測

運用工服檢測算法、安全帽佩戴檢測算法、煙霧檢測算法、人員跌倒檢測算法、外來人員識別算法、車輛識別算法等進行智能識別，通過新技術的應用，更好地為油田管理提供服務，識別現(xiàn)場操作合規(guī)性，實現(xiàn)安全隱患自動識別，提升現(xiàn)場管理效率。

區(qū)域入侵識別：以視頻為核心，結合人工智能技術，拓展多維感知手段，對進入劃定區(qū)域的人員、動物、車輛等物體進行識別。

人員行為識別：利用攝像頭采集視頻圖像信息，計算人員行為模式，識別人員行為，實現(xiàn)安全帽佩戴、工作服著裝、可疑人物等監(jiān)控。

煙霧/火焰檢測識別：實現(xiàn)對監(jiān)控區(qū)域內的煙霧和火焰進行識別，并動態(tài)識別煙霧和火焰從無到有、從有到無、從小到大，從大到小、從小煙到濃煙的狀態(tài)轉換的識別、實時分析報警。

漏油/漏水檢測：漏油檢測原理是基于油和水在溫度、熱反射和熱發(fā)射率與周圍環(huán)境之間的差異，基于對現(xiàn)場配置的專業(yè)攝像機畫面進行分析，發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

（1）合規(guī)監(jiān)測應用

合規(guī)監(jiān)測可針對現(xiàn)場人員穿勞保服、戴安全帽、人員位置等信息進行監(jiān)測；可對未正確穿戴勞保服的人員進行標注，并存儲視頻截圖。如圖8、圖9所示。

合規(guī)監(jiān)測采用了AI人工智能模型，對人、車的識別準確度可達95%以上；單次獲取視頻流和處理視頻，只需要5秒即可完成。

圖8合規(guī)監(jiān)測圖1

圖9合規(guī)監(jiān)測圖2

（2）合規(guī)監(jiān)測結果（見表4）

5結論

本文主要對帶有智能邊緣計算算法和技術的智能RTU產品的功能、性能和穩(wěn)定性進行應用與實踐。應用與實踐時長27天，系統(tǒng)完全兼容且穩(wěn)定運行；功圖診斷智能算法得到應用，對現(xiàn)場實時功圖138幅和離線功圖1000幅進行分析，工況診斷結果準確率大于98%；液量虛擬計量功能采用歷史數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)結合實踐測試，計量精度10%以內；合規(guī)性視頻分析應用25天，檢測圖片43萬張，監(jiān)測保存人員或車輛進入圖片467張，其中違規(guī)截圖90張，識別準確率大于95%；所有參數(shù)均已滿足油田現(xiàn)場應用要求。

邊緣計算的應用，提升了智能RTU設備智能化水平。將智能化技術與油氣生產業(yè)務深入融合，實現(xiàn)油氣田業(yè)務的數(shù)字化轉型、智能化發(fā)展。隨著中國石油全面推進“十四五”信息技術總體規(guī)劃實施，油田數(shù)字化智能化建設邁上新臺階，對油氣田物聯(lián)網系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性和處理速度有更高的要求，邊緣計算的應用場景將有更廣闊的發(fā)展空間。AP

作者簡介：

賈志鵬（1984-），男，甘肅慶陽人，工程師，學士，現(xiàn)就職于中國石油長慶油田分公司頁巖油開發(fā)分公司，主要從事智能化、數(shù)字化、信息化方面的建設管理工作。

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摘自《自動化博覽》2022年8月刊