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摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油氣生產(chǎn)中的應(yīng)用推廣，基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的各種工業(yè)應(yīng)用得到快速發(fā)展。本文以游梁式抽油機(jī)的節(jié)能控制應(yīng)用為例，對傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下抽油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)架構(gòu)存在的問題，通過邊緣計算技術(shù)，對系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，良好的解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)下存在的問題，并為未來其它工業(yè)生產(chǎn)智能應(yīng)用提供建設(shè)思路。

關(guān)鍵詞：游梁式抽油機(jī)；節(jié)能控制；物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)；邊緣計算

Abstract: With the application and popularization of IoT technology in oil and gas production, industrial applications basedonIoTarchitecturehavebeenrapidly developed. Based on the energy saving control applicationof beam pumping unit as an example, the traditional Internet architecture energy-saving control system for pumpingunitisundertheproblemsexisting inthearchitecture,throughthecalculation of edge technology, optimize the system structure, good solve the problems existing in the traditional system architecture, and other industrialproductionintelligentapplication provides for the future construction.

Keywords: Beam pumping unit;Control of energy conservation; IoT architecture; Edge of computing

1 引言

在原油開采過程中，機(jī)械式采油是目前世界原油開采所采用的主要方式，其中游梁式抽油機(jī)是目前機(jī)械采油的主要設(shè)備之一，約占所有機(jī)械采油設(shè)備的70％。游梁式抽油機(jī)的能耗主要來自地下泵原油提升、桿柱摩擦、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、連桿及上下沖程工作過程中的游梁平衡等，而游梁平衡將隨著抽油機(jī)井下油泵吸油量的變化而變化。當(dāng)井下動液面出現(xiàn)明顯下降時，將導(dǎo)致井下抽油泵供液不足，抽油機(jī)的游梁平衡將出現(xiàn)不平衡工作狀態(tài)，若不及時調(diào)整抽油機(jī)平衡，將導(dǎo)致抽油機(jī)生產(chǎn)消耗的無效能耗明顯上升，經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，因抽油機(jī)游梁不平衡導(dǎo)致的無效能耗占總能耗比例將高達(dá)40%~80%^[1]（如空抽）。

抽油機(jī)的工作主要靠電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過皮帶、變速箱、四連桿和游梁把電機(jī)所做機(jī)械能傳遞到油井光桿，由油井光桿帶動井下抽油泵把原油抽汲到地面，抽油機(jī)通過皮帶、變速箱、四連桿和游梁把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為光桿的往復(fù)運(yùn)動，電機(jī)的機(jī)械能輸出是整個抽油機(jī)正常工作的能量來源。抽油機(jī)的工況主要依賴地面示功圖、電功率圖來反映，因此國內(nèi)外對抽油機(jī)示功圖及電功率圖的研究極為關(guān)注。抽油機(jī)示功圖也被稱為地面實測示功圖，即反映光桿載荷與懸點位移之間的關(guān)系曲線，它實際反映的是光桿、井下抽油泵等設(shè)備的工作狀態(tài)，是抽油機(jī)井故障診斷的重要基礎(chǔ)資料，示功圖可以用于判斷和分析抽油機(jī)下部分設(shè)備的工作狀態(tài)，以及用于判斷油井供液水平。電功率圖主要反映抽油機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)（電機(jī)、變速箱及連桿機(jī)構(gòu)等）機(jī)械能輸出效率，即有效能耗的轉(zhuǎn)化利用率，可以用來反映電機(jī)驅(qū)動能力、變速箱傳動效率、游梁平衡狀態(tài)等。油井供液狀態(tài)對游梁平衡有直接影響，若無法及時調(diào)整游梁平衡，抽油機(jī)在不平衡狀態(tài)下工作，將大大降低實際能耗的轉(zhuǎn)換效率，增加無效能耗^[2]。
油井管理的好壞直接影響著油井產(chǎn)能和油田開發(fā)效果，由于井下條件惡劣，油井工況受多種因素影響，及時準(zhǔn)確地獲得抽油機(jī)系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)、油桿、抽油泵的工作狀態(tài)，并對抽油機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行及時調(diào)整，優(yōu)化抽油機(jī)工作狀態(tài)，是提高抽油機(jī)井生產(chǎn)效率的重要手段。

2 抽油機(jī)節(jié)能控制技術(shù)

2.1 游梁式抽油機(jī)能耗分析

游梁式抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維護(hù)方便等特點，游梁式抽油機(jī)裝置主要由三部分組成：地面部分，即游梁式抽油機(jī)，它由驅(qū)動電機(jī)、減速箱、四連桿等組成；地下部分，即抽油泵，它懸掛在油管的底部；連接地面與地下部分的中間部分，即抽油桿柱，俗稱光桿，它由不同直徑的抽油桿和接箍組成。驅(qū)動電機(jī)通過柔性連接皮帶帶動減速箱，通過減速箱減速后，由四連桿把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為驢頭的往復(fù)運(yùn)動^[2]。典型抽油機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 游梁式抽油機(jī)簡圖

1—電動機(jī)；2—減速器；3—四連桿機(jī)構(gòu)；4—抽油桿柱；5—油管；6—套管；7—抽油泵；8—游動閥；9—固定閥

有桿抽油系統(tǒng)的目的是把地面電能傳遞給井下液體，從而把井下液體舉升至地面。整個系統(tǒng)工作時，就是能量的不斷轉(zhuǎn)換和傳遞的過程。在能量的轉(zhuǎn)換和傳遞過程中，均有不同程度的能量損耗，減去損失的能量后，就是抽油機(jī)系統(tǒng)傳遞給井下液體的能量。

游梁式抽油機(jī)的而主要能耗主要包括電機(jī)損耗、機(jī)械損耗及機(jī)械部分瞬時功率三個部分組成，電機(jī)部分的損耗主要包括銅損、鐵損、機(jī)械損耗和附加損耗。機(jī)械部分瞬時功率主要包括平衡塊、游梁以及其他機(jī)械部分的瞬時功率，其中平衡塊做功占主要部分，機(jī)械部分損耗主要包括皮帶傳動損失、減速箱損耗及四連桿機(jī)構(gòu)的功率損耗等^[1]。

抽油機(jī)一旦投入運(yùn)行，驅(qū)動電機(jī)、變速箱、四連桿以及井下部分設(shè)備的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，而對抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)研究，主要考慮抽油機(jī)可調(diào)整的工作參數(shù)及調(diào)整的機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此本文主要針對上述主要能耗相關(guān)的井下油泵、地面游梁平衡兩個主要研究對象，即抽油機(jī)沖次（影響井下油泵充滿度、泵效）和地面游梁平衡（平衡塊位置、游梁瞬時功率傳遞），系統(tǒng)根據(jù)井下油泵泵效，調(diào)整沖次，使油泵工作在高效狀態(tài)（充滿度＞60%）；根據(jù)平衡度，調(diào)整游梁平衡塊的位置，實現(xiàn)平衡度調(diào)整，抽油機(jī)工作在最佳平衡狀態(tài)（80%≤平衡度≤110%），降低無效能耗，提升生產(chǎn)效率，在油井不減產(chǎn)的情況下，達(dá)到整體節(jié)能降耗的目的。

2.2 游梁式抽油機(jī)的節(jié)能手段

在傳統(tǒng)生產(chǎn)管理過程中，針對抽油機(jī)生產(chǎn)過程的平衡及油井供液情況，主要依賴人工在一定間隔時間內(nèi)，一般為每個月測試一次，工人利用測試工具對動液面、上下沖程峰值電流及示功圖進(jìn)行測試記錄，根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行估算地下泵效及抽油機(jī)平衡度，進(jìn)而通過更換皮帶輪來調(diào)整沖次，通過調(diào)節(jié)平衡塊位置，實現(xiàn)游梁平衡度的調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方法需要進(jìn)行停機(jī)操作，且操作后期長，勞動強(qiáng)度大，實用性不強(qiáng)，在生產(chǎn)中難以推行。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油氣生產(chǎn)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，利用自動感知設(shè)備，自動實現(xiàn)油井工況參數(shù)的采集，并通過變頻器等電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以在線實現(xiàn)沖次及游梁平衡度的自動調(diào)節(jié)，無需人工參與，大大降低勞動強(qiáng)度，具有很好的實用性，該技術(shù)逐漸在原油生產(chǎn)中得到推廣，并形成了以此技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字化抽油機(jī)^[3]，其結(jié)構(gòu)特征如圖2所示。

圖2 數(shù)字化抽油機(jī)

該技術(shù)主要通過在抽油機(jī)光桿與懸點之間安裝載荷傳感器，感知抽油機(jī)抽油實時載荷；在游梁上安裝位置（角度）傳感器，實時感知抽油桿的工作位置變化；在配電柜中安裝電力參數(shù)采集模塊，實時感知抽油機(jī)運(yùn)行過程中，抽油機(jī)的對外做功情況，具體數(shù)據(jù)采集控制原理如圖3所示。抽油機(jī)的做功情況，主要依賴抽油機(jī)地面示功圖及功率圖等關(guān)鍵參數(shù)來進(jìn)行反映，其中通過示功圖的形狀變化，可以判斷抽油機(jī)地下抽油泵工況（充滿度及泵效），從而反映油井的供液情況；通過功率圖，結(jié)合抽油機(jī)地面示功圖，可以直接反映抽油機(jī)游梁的平衡度，給平衡度調(diào)整提供依據(jù)。

圖3 抽油機(jī)工況采集與控制原理示意圖

3 基于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的節(jié)能控制技術(shù)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在原油生產(chǎn)的應(yīng)用，提高了抽油機(jī)工況數(shù)據(jù)采集的精度及頻度，給抽油機(jī)的沖次及平衡度調(diào)整，實現(xiàn)低能耗生產(chǎn)，提供了更為準(zhǔn)確的依據(jù)，但抽油機(jī)的地面示功圖及功率圖采集，所需周期比較長，每個工作周期約為8~60秒之間，數(shù)據(jù)采集量大，每個工作周期產(chǎn)生的數(shù)據(jù)約為4800~54000個字節(jié)數(shù)據(jù)左右，且地面示功圖及功率圖的診斷計算比較復(fù)雜，在傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，需要把大量的示功圖及功率圖原始數(shù)據(jù)上傳至后臺計算服務(wù)器，由后臺計算服務(wù)器來完成示功圖及功率圖的診斷、分析，并根據(jù)分析結(jié)果通過通信鏈路回傳至現(xiàn)場油井?dāng)?shù)據(jù)采集設(shè)備，并根據(jù)回傳的計算結(jié)果進(jìn)行沖次與平衡度調(diào)節(jié)，系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)示意圖如圖4所示^[4]。

圖4 傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)抽油機(jī)節(jié)能應(yīng)用示意圖

大量現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的上傳，給通信鏈路及后臺計算服務(wù)帶來巨大壓力，因此限制了系統(tǒng)應(yīng)用的規(guī)模，為了減輕傳輸及數(shù)據(jù)集中計算處理的壓力，多采用現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈g隔加大，同時采用分區(qū)域部署應(yīng)用服務(wù)器的模式（設(shè)置區(qū)域控制中心），降低示功圖和功率圖的計算處理壓力，但也犧牲了節(jié)能調(diào)節(jié)的實時性，同時提高了數(shù)據(jù)處理中心的軟硬件復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)對生產(chǎn)事件的響應(yīng)速度。

4 邊緣計算在節(jié)能控制中的應(yīng)用

4.1 邊緣計算^[5]

近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用，智能硬件性能大幅提升及信息技術(shù)的快速發(fā)展，智能邊緣計算開始在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中出現(xiàn)。它提出了一種新模式，讓物聯(lián)網(wǎng)的每個邊緣設(shè)備都具備數(shù)據(jù)采集、分析計算、通信及智能處理的能力。邊緣處理設(shè)備不再需要持續(xù)不斷將各種傳感數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心，而在邊緣側(cè)即可完成各種感知數(shù)據(jù)的處理，只需要把處理及分析后的少量結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳即可，大大減少了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的傳輸量。新的智能邊緣計算可利用云技術(shù)對邊緣設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模的安全配置、部署和管理，并根據(jù)生產(chǎn)場景，適配邊緣設(shè)備的“能力”，與數(shù)據(jù)中心共同分擔(dān)智能計算任務(wù)。

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油氣開采生產(chǎn)中的應(yīng)用，已經(jīng)逐步從數(shù)據(jù)采集控制的自動化，向智能感知、智能分析與優(yōu)化控制方向發(fā)展，利用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，與工業(yè)生產(chǎn)場景緊密結(jié)合，人工智能技術(shù)，對圖形的識別、系統(tǒng)自學(xué)習(xí)、快速建模等方面，得到快速發(fā)展，為工業(yè)生產(chǎn)智能控制提供了良好的技術(shù)支撐。

隨著嵌入式硬件、軟件技術(shù)的快速發(fā)展，硬件性能不斷提升，大量數(shù)據(jù)處理、模型學(xué)習(xí)、智能識別技術(shù)已經(jīng)開始在現(xiàn)場側(cè)智能設(shè)備上得到應(yīng)用推廣，在原油開采生產(chǎn)領(lǐng)域，嵌入式智能設(shè)備已經(jīng)得到全面應(yīng)用，為邊緣計算與云計算在油氣生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了良好的示范。通過邊緣計算硬件及軟件的應(yīng)用，在實時計算、短周期數(shù)據(jù)處理、本地決策等方面發(fā)揮著不可替代的作用，基于云計算及邊緣計算的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，為行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)工業(yè)化和信息化深度融合，奠定了良好的基礎(chǔ)，將助力工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)造更大價值。

4.2 邊緣計算在抽油機(jī)節(jié)能控制中的應(yīng)用

基于傳統(tǒng)架構(gòu)下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)處理能力限制，導(dǎo)致抽油機(jī)節(jié)能控制的實時性不能得到滿足，如何實現(xiàn)實時采集處理現(xiàn)場示功圖、功率圖等較大容量的 感知數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)方法無法得到很好的解決。隨著工業(yè)嵌入式系統(tǒng)硬件及軟件技術(shù)的快速發(fā)展，得益于嵌入式系統(tǒng)性能的快速提升，在抽油機(jī)節(jié)能控制的應(yīng)用中引入了具有邊緣計算能力的控制處理系統(tǒng)，并采用云中心+邊緣處理器協(xié)作的方式，把現(xiàn)場數(shù)據(jù)的整理、圖形生成、圖形分析和圖形識別等要求實時性較高的任務(wù)，在現(xiàn)場側(cè)邊緣處理器上完成。用于圖形分析與圖形識別的建模、自學(xué)習(xí)、優(yōu)化等實時性要求不高，較為復(fù)雜的任務(wù)由云中心完成，且定期根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況的變化，進(jìn)行優(yōu)化更新，自動推送到現(xiàn)場邊緣處理器中，保持處理器的最優(yōu)化?；谶吘売嬎慵夹g(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 基于邊緣計算節(jié)能應(yīng)用示意圖

通過邊緣計算技術(shù)及云計算技術(shù)的結(jié)合，重新構(gòu)架油氣生產(chǎn)節(jié)能控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮邊緣處理器能力，采用邊緣實時處理，企業(yè)云上人工智能、自學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等工具的運(yùn)用，簡化了整個油氣生產(chǎn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了抽油機(jī)生產(chǎn)過程節(jié)能技術(shù)的推廣難度，節(jié)約了系統(tǒng)綜合投資成本，同時在系統(tǒng)服務(wù)的承載規(guī)模上有了極大的提升，為未來生產(chǎn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步加工挖掘，提升企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的價值，奠定良好基礎(chǔ)。

4.3 應(yīng)用效果

利用邊緣計算技術(shù)的全新應(yīng)用架構(gòu)，實現(xiàn)了實時感知、實時計算及實時控制輸出的效果，可實現(xiàn)每個工作周期進(jìn)行一次計算調(diào)節(jié)。利用云計算技術(shù)，取消區(qū)域控制中心，實現(xiàn)抽油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的云化應(yīng)用，簡化系統(tǒng)架構(gòu)，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，可節(jié)約后期運(yùn)行維護(hù)成本。

目前該技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)部分油氣田企業(yè)得到推廣應(yīng)用。利用邊緣計算技術(shù)的應(yīng)用與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)應(yīng)用
比較，現(xiàn)場調(diào)節(jié)效果有明顯提升，控制時效性提高了80%，控制調(diào)節(jié)周期由原來的每30分鐘減小到每5分鐘計算調(diào)節(jié)一次，控制的平滑度有了明顯提升，控制調(diào)節(jié)對設(shè)備的沖擊顯著減小，消除了運(yùn)行過程的明顯波動。通過邊緣計算處理，實現(xiàn)示功圖數(shù)據(jù)、功率圖數(shù)據(jù)本地化處理，上傳云中心（數(shù)據(jù)中心）數(shù)據(jù)不到原傳統(tǒng)架構(gòu)的5%，窄帶傳輸網(wǎng)絡(luò)即可滿足數(shù)據(jù)傳輸要求，且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸出現(xiàn)故障中斷時，現(xiàn)場控制處理依然可以獨立運(yùn)行，提升了系統(tǒng)可用性及環(huán)境適應(yīng)能力，降低系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路的依賴。未來利用人工智能與邊緣計算的組合，邊緣計算將不止于計算，將更添一份智能 。

5 結(jié)語

游梁式抽油機(jī)是目前國內(nèi)外原油生產(chǎn)中采用的最為常用的機(jī)械采用方式，具有覆蓋面廣，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可滿足各種工況下的原油開采要求。鑒于原油開采生產(chǎn)地理位置分散，生產(chǎn)管理、生產(chǎn)控制對網(wǎng)絡(luò)鏈路的依賴非常嚴(yán)重。近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油氣生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，如中國石油集團(tuán)的“油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)”，中國石化集團(tuán)的“四化”建設(shè)，已經(jīng)形成了一套基于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的油氣生產(chǎn)管理應(yīng)用，但因網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬瓶頸問題，應(yīng)用效果欠佳，僅限于數(shù)據(jù)采集和簡單的控制（如遠(yuǎn)程開關(guān)井等），很難實現(xiàn)生產(chǎn)管理上的智能化應(yīng)用。

基于邊緣計算技術(shù)的游梁式抽油機(jī)節(jié)能控制應(yīng)用是在傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用當(dāng)前先進(jìn)的邊緣計算處理器，形成基于全新架構(gòu)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，為后期的人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)與油氣藏優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，對油氣生產(chǎn)優(yōu)化提供了良好的驗證，邊緣計算技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)了部分以前必須在數(shù)據(jù)中心才能完成的計算與分析任務(wù)，為后期推進(jìn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化、工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供建設(shè)思路。

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摘自《自動化博覽》2018年增刊《邊緣計算2018專輯》