边缘计算的智能油田物联网油井监控系统的研究与应用

边缘计算的智能油田物联网油井监控系统的研究与应用

李玉兴 ，孙源， 张峰志 ，谢玮

西安长庆同欣石油科技有限公司，陕西西安，710018

摘要：随着数字化智能油田建设的快速推进，对油井生产工艺数据的实时连续高精度监测和控制已成为智能油田物联网建设的重中之重，其中井口智能RTU的边缘计算是实现该目的的有效途径。本文提出了基于边缘计算的智能油田物联网油井监控系统，该系统采用井口前端的边缘计算构建了油井监控系统物联网架构，设计了油井监控系统的硬件与软件，实现了油井生产工艺数据的实时高精度连续采集、处理与传输。

关键词：智能油田；边缘计算；物联网；油井监控；RTU；

一.边缘计算的智能油田物联网油井监控应用现状

通常油井处在偏远地区，自然条件恶劣且设备携带不便，工人定时巡查监视、记录各种数据难以实现，更难以实时处理数据。采用传统的油井监测手段已经无法实时对油井进行全方位的监控，难以提高采油效率和出油产量。在现代物联网技术和新一代电子信息技术的快速发展下，将各种传感器、无线检测设备基于物联网技术有机结合在一起，构成了一个智能化的物联网油井监控系统。油井监控系统中的传感器和检测仪表等终端设备会采集大量的油井生产数据，一方面这些数据可以为油井的实时监控提供支持，另一方面海量数据直接上传至服务器和云端会极大程度地增加运算负担，但是终端设备本身处理数据能力有限，难以实时处理采集数据。因此，在监控系统终端设备中引进一个边缘处理器来扩展终端设备处理数据的能力是有必要的。将终端数据传输到边缘处理器进行分析处理，利用边缘计算将云端计算能力下放到边缘端，可以减轻云端的运算负担，数据在边缘端处理，可以加快数据的处理和分析速度，确保该系统的稳定运行。

二.边缘计算

现阶段的油田物联网系统多是通过云端或远程数据中心进行数据处理，因网络延迟容易出现现场响应不及时等情况，因此网络通信质量是制约海上油田物联网发展的重要瓶颈。边缘计算能够充分利用边缘网关的计算能力，显著改善网络服务质量，降低物联网系统对网络的依赖程度，提升油田自动化水平，对于数字化油田建设意义重大。边缘计算的含义是在近数据源头的网络边缘进行计算存储，以实现服务应用的本地化部署，进而缓解网络负载压力，因此可以将其看作是云计算的有效补充边缘计算应用先进的网络、计算、存储技术，为物联网提供近端网络服务。油田物理网建设中，边缘计算与云计算的相互融合能够将远端计算下沉至边缘端，通过业务本地化降低因网络拥塞导致的数据中断，进而降低油田安全生产风险。

三.基于边缘计算的智能油田物联网油井监控系统构成

智能油田油井监控系统是智能油田生产管控的重要一环，承担油井数据实时采集和分析、井况实时监控及智能报警，为油井管理人员提供决策依据。传统油井监控系统往往采集大量井口数据，直接通过物联网传输至云端，致使云端运算压力极大和数据传输速度缓慢。为了解决这一问题，引入边缘计算的思想，相对于云计算，边缘计算拥有低延迟、高效率、安全可靠等特点，将井口监测的终端设备采集的数据先汇总于井口智能RTU进行初步处理，再通过井场智能RTU上传至监控管理中心进行深度处理。基于边缘计算的智能油田物联网油井监控系统由感知层、边缘层、传输层、决策层构成。感知层是由摄像机、流量计、压力计、温度计、液面监测仪、角位移传感器及载荷传感器组成，实时采集油井各项数据，监测油井的生产状况和环境数据。边缘层是由井口智能RTU构成的，井口监测仪表采集的数据集中传输于此，进行数据的预处理并储存，减轻监控管理中心数据分析及运算压力，同时通过4G无线网络将数据传输给井场智能RTU。传输层在油田监控系统中承担着承上启下、数据整合及转发的关键作用。传输层的核心设备是井场智能RTU，集中收集井口智能RTU的数据，通过内部的4G模块，采用4G无线网络将数据远距离无线传输给监控管理中心。决策层包括后台服务器、数据库、PC管理平台等，负责分析处理与监控从井场智能RTU传输至监控管理中心的数据，以及储存和管理实时、历史数据与图像。

四.油井监控系统硬件组成

1.井口监测电路硬件组成

井口监测电路由井口智能RTU和井口监测仪表设备组成，其中井口智能RTU作为其控制核心，硬件组成。井口智能RTU主要由主控芯片模块、供电模块、存储器模块、以太网模块、WiFi模块、4G模块、RS485通信、语音模块、OLED模块、按键模块及指示灯模块等组成。井口监测设备由摄像机、流量计、压力计、温度计、液面监测仪、角位移传感器及载荷传感器组成。

2.油井监控系统软件设计

通过C语言、C++语言及Java语言在Windows系统平台上开发了油井监控系统，基于边缘计算的智能油田物联网油井监控系统软件由工艺数据采集程序、工艺数据传输程序、图像抓拍与处理程序、上位机监控管理程序四部分构成。其中，工艺数据采集程序实现井口监测仪表数据的采集与储存；工艺数据传输程序确保井场智能RTU一方面有序接收各井口智能RTU处理后的数据，另一方面负责将数据打包上传至监控中心，防止工艺数据传输混乱。

五.应用效果与分析

基于边缘计算的智能油田物联网油井监控系统在中石油某采油厂投入运行，实际应用效果良好，基于边缘计算的智能油田物联网油井监控系统利用4G网络作为传输方式，该系统经济可行、运行可靠、节能效果良好，并较好地解决了监控效率低、处理数据缓慢及数据传输效率低等问题，对油田的智能监控建设和生产维护具有重要意义；基于边缘计算的智能油田物联网油井监控系统在油田实际运行中性能稳定，能够对油井生产过程的基本数据进行实时采集与展示，对油井井口安全进行实时监控，同时能够快速分析数据与图像，实现井口生产安全的预报警。

结语

基于边缘计算的智能油田物联网油井监控系统前端的边缘计算，将各种传感器及仪表采集获得的数据，先集中于井口智能RTU设备进行处理，之后再将过滤处理后的数据定时有序上传至井场智能RTU。井场智能RTU将各个井口智能RTU上传的数据打包上传至监控管理中心。基于边缘计算的智能油田物联网油井监控系统可以进行生产数据的实时高精度连续采集、处理、大数据分析，制定并优化生产目标，实现油田智能高效生产管控。

参考文献：

[1]期治博，杜磊，霍如，等.基于边缘计算的多摄像头视频协同分析方法[J].通信学报，2023，44（8）：14-26.