基于边缘计算的气举智能控制装置

技术领域

本发明涉及油气生产技术领域，具体为一种基于边缘计算的气举智能控制装置。

背景技术

随着油气田地层能量衰减，携液能力下降，积液、水淹现象频繁出现，气举采油工艺已成为ADNOC主要的人工举升方式之一，气举采油工艺是把一定量的高压天然气通过油套环空经气举阀连续不断地注入油管，在油管内与井液充分混合后形成混合流体，从而降低井液密度，在较低的井底压力条件下将混合井液举出，达到举升采油的目的。

对气举采油工艺拥有一套管理系统即气举智能控制装置系统，气举智能控制装置系统应用物联网、边缘计算、人工智能技术，建立气举井生产运行协同优化决策控制模型，实现气举井工况监测、工况诊断、生产预警、优化决策、智能调控等。

然而当前ADNOC气举智能控制装置系统模式存在以下问题：采用单相流量计进行注湿天然气计量和人工调节闸门，造成注气量不稳定，无法实施准确控制，达不到实时精准调配注气量，降低了气举井的产量，影响开发井开发效果，同时也增加开采成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于边缘计算的气举智能控制装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：包括流量调节阀、流量变送器、第一压力变送器、温度变送器、电动执行机构、智能控制器、第二压力变送器，所述流量调节阀套接在管道表面，所述流量调节阀的前方设置有流量变送器，所述流量调节阀的后方设置有温度变送器，所述流量变送器的顶部设置有智能控制器，所述流量变送器的前方设置有第二压力变送器，所述温度变送器的顶部后方设置有第一压力变送器，所述第二压力变送器、第一压力变送器、温度变送器的顶部通过管道与智能控制器的底部相连接，所述流量控制阀的顶部设置有电动执行机构，所述智能控制器的侧面通过管道与电动执行机构的底部一侧相连接。

优选的，所述第一压力变送器和第二压力变送器采集压力值，所述流量变送器采集流量值，所述温度变送器采集温度值，所述流量调节阀控制阀开度，所述智能控制器应用第一压力变送器、第二压力变送器、流量变送器和温度变送器采集的压力值、流量值和温度值的数据进行AI算法控制策略优化计算，并将计算结果传输给电动执行机构和流量调节阀，所述电动执行机构和流量调节阀根据智能控制器计算结果进行联锁，用于定量、稳压给定控制功能。

优选的，所述流量变送器选配型号有两种，即FC-S喷嘴差压流量计和基于数据融合的FC-D喷嘴差压流量计，当气举气来自于压缩机组或干气井，使用FC-S喷嘴差压流量计，FC-S喷嘴差压流量计进行单相计量，采用喷嘴作为节流件的差压式计量原理；计算基于喷嘴节流元件的计算模型，其计算公式为：

式中q为流量，C为流出系数，ε为可膨胀系数，

当计量气液两相的流量时选配基于数据融合的FC-D喷嘴差压流量计，基于数据融合的FC-D喷嘴差压流量计分为信号处理模块、数据融合模块、计算模型模块；

所述信号处理模块是测量设备管道内待计量流体的温度和压力，计算气相和混合液相的密度、粘度，采集高频差压传感器的实测差压值，采集频率保持在15秒约3000差压点；

所述计算模型模块是建立与气相密度、液相密度、波动标准差相关联的气相差压修正模型，用气相差压计算气相流量，虚高模型进行修正，计算气相差压修正模型，其计算公式为：

式中W

湿气流经差压式流量计时，由于气相对液相的携带与液相对气相流动的阻塞，且存在相间内摩擦因素，导致压差偏高，对虚高进行修正，计算虚高模型，其计算公式为：

式中x为干度，ρ

优选的，所述电动执行机构采用非入侵式设计，是一种智能非侵入式电动执行器。

优选的，所述流量调节阀采用平衡式结构设计，是一种标准钻孔式套筒调节阀，阀前后不平衡力小，导向面大，避免阀芯振动。

优选的，所述智能控制器的定量控制步骤如下：

S1：当流量测量值与流量设定值之间拥有一定的差值后，产生一种自动检测采集信号给智能控制器；

S2：所述智能控制器产生4～20mA的信号给电动执行机构；

S3：所述电动执行机构自动调节流量调节阀的开度；

S4：当流量测量值与流量设定值相吻合时，自动检测采集信号将消失。

优选的，所述智能控制器的稳压控制步骤如下：

S1：当阀后压力大于阀前压力时，产生一种自动检测采集信号给智能控制器；

S2：所述智能控制器产生4～20mA的信号给电动执行机构；

S3：所述电动执行机构使流量调节阀的阀门关闭，此时阀门的开度为0，避免出现气举梯度逆转现象。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明根据地面注气计量和控制通过在变化的地层供液状况下找出气举井的合理配气量，减少高压气量的浪费，改善气举井的工况，达到最优的生产开发制度。气举井的精准计量和有效控制，既是提高开发效果的需要，也是数字化转型与智能化发展的趋势。

本发明可以根据不同要求进行自由设置，如定量控制、定时控制、温度控制(井口电伴热防管线冻结)、压力控制(防返吐)、按比例控制等，有很大的自由度。

本发明精细化管控气举注气量，而且无需人员实时抄送数据和人工调节，气举井口无需连接其他设备观察压力和流量变化，能相应的减少生产成本。

本发明的使用能使每日的产油量和产气量进行相应的提升，具体的提升量根据开发井实际情况而定。

附图说明

图1为本发明的控制装置结构示意图；

图2为本发明的智能控制器稳压控制原理图；

图3为本发明的智能控制器定量控制原理图。

图中：1、流量调节阀；2、流量变送器；3、第一压力变送器；4、温度变送器；5、电动执行机构；6、智能控制器；7、第二压力变送器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：基于边缘计算的气举智能控制装置，包括流量调节阀1、流量变送器2、第一压力变送器3、温度变送器4、电动执行机构5、智能控制器6、第二压力变送器7，流量调节阀1套接在管道表面，流量调节阀1的前方设置有流量变送器2，流量调节阀1的后方设置有温度变送器4，流量变送器2的顶部设置有智能控制器6，流量变送器2的前方设置有第二压力变送器7，温度变送器4的顶部后方设置有第一压力变送器3，第二压力变送器7、第一压力变送器3、温度变送器4的顶部通过管道与智能控制器6的底部相连接，流量控制阀1的顶部设置有电动执行机构5，智能控制器6的侧面通过管道与电动执行机构5的底部一侧相连接。

具体的，井站现场部署有FC-GK边缘一体化机，其具有全面感知、智能处理、自主可控、安全可信的特点，对控制装置和喷嘴差压流量计进行控制，其中FC-GK边缘一体化机中智能边缘网关中硬件平台采用多核高速智能处理器，自研开源嵌入式操作系统，“自主可控、安全可信”。为工业生产提供场景感知、实时分析、动态决策与云-边-端协同的智能应用，实现工业生产现场设备“可监测、可控制、自优化”的智能运行方式，FC-GK边缘一体化机用在油气生产领域中依据油气井注入、举升、计量、集输等信息，通过实时采集油气井流量、温度、压力、动液面、及注入及举升设备工况数据，实现对举升井运行工况的实时分析、智能诊断、自适应优化与控制，实现智能运行，改进油气生产方式，为油气生产企业创造全新价值。

进一步的，第一压力变送器3和第二压力变送器7采集压力值，流量变送器2采集流量值，温度变送器4采集温度值，流量调节阀1控制阀开度，智能控制器6应用第一压力变送器3、第二压力变送器7、流量变送器2和温度变送器4采集的压力值、流量值和温度值的数据进行AI算法控制策略优化计算，并将计算结果传输给电动执行机构5和流量调节阀1，所述电动执行机构5和流量调节阀1根据智能控制器6计算结果进行联锁，用于定量、稳压给定控制功能。

在这需要说明一点的是此处数据的处理将采用边缘计算的方式，边缘计算是在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的开发平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求，是一种新型计算模式，通过在靠近物或数据源头的网络边缘侧，为应用提供融合计算、存储和网络等资源。同时，边缘计算也是一种使能技术，通过在网络边缘提供这些资源，满足行业在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。

进一步的，流量变送器2选配型号有两种，即FC-S喷嘴差压流量计和基于数据融合的FC-D喷嘴差压流量计，当气举气来自于压缩机组或干气井，使用FC-S喷嘴差压流量计，FC-S喷嘴差压流量计进行单相计量，采用喷嘴作为节流件的差压式计量原理；计算基于喷嘴节流元件的计算模型，其计算公式为：

式中q为流量，C为流出系数，ε为可膨胀系数，

当计量气液两相的流量时选配基于数据融合的FC-D喷嘴差压流量计，基于数据融合的FC-D喷嘴差压流量计分为信号处理模块、数据融合模块、计算模型模块；

信号处理模块是测量设备管道内待计量流体的温度和压力，计算气相和混合液相的密度、粘度，采集高频差压传感器的实测差压值，采集频率保持在15秒约3000差压点；

数据融合模块是对差压、压力、温度生产数据信号进行特征提取，将特征量进行数据融合，此处采用现有技术，在此处将不再赘述；

计算模型模块是建立与气相密度、液相密度、波动标准差相关联的气相差压修正模型，用气相差压计算气相流量，虚高模型进行修正，计算气相差压修正模型，其计算公式为：

式中W

湿气流经差压式流量计时，由于气相对液相的携带与液相对气相流动的阻塞，且存在相间内摩擦因素，导致压差偏高，对虚高进行修正，计算虚高模型，其计算公式为：

式中x为干度，ρ

在这里需要说明的是，通过FC-S喷嘴差压流量计和基于数据融合的FC-D喷嘴差压流量计计算出来的数据将上传至云端。

在这进一步说明一点的是基于数据融合的FC-D喷嘴差压流量计可以计量气液两相流量，其具有体积较小，一体式，安装简易的优点，与同类型的多相流量计具有安装容易且没有放射源的优点。

具体的，需要说明的是基于数据融合的FC-D喷嘴差压流量计和FC-S喷嘴差压流量计，从计算模型和结构设计凸显的优点和先进性，保证了产品的计量精度和稳定性，从计算模型上开看，喷嘴差压流量计进行高频采集计算，可以修正流出系数、修正可膨胀系数、虚高修正模型、在线稳定补偿、在线压力补偿，并且拥有数据融合计算模型、分相含率计算模型、混合密度计算模型、均相流计算模型，在结构设计中，其进行温压流一体化设计和节流件圆弧形设计，并且无分离器、无不可动部件、无污染、无液柱现象、耐气蚀、耐砂磨，拥有平滑的压差特性和进行毛细管测压。

进一步的，电动执行机构5采用非入侵式设计，是一种智能非侵入式电动执行器。

进一步的，流量调节阀1采用平衡式结构设计，是一种标准钻孔式套筒调节阀，阀前后不平衡力小，导向面大，避免阀芯振动。

进一步的，智能控制器6的定量控制步骤如下：

S1：当流量测量值与流量设定值之间拥有一定的差值后，产生一种自动检测采集信号给智能控制器6；

S2：智能控制器6产生4～20mA的信号给电动执行机构5；

S3：电动执行机构5自动调节流量调节阀1的开度；

S4：当流量测量值与流量设定值相吻合时，自动检测采集信号将消失。

进一步的，智能控制器6的稳压控制步骤如下：

S1：当阀后压力大于阀前压力时，产生一种自动检测采集信号给智能控制器6；

S2：智能控制器6产生4～20mA的信号给电动执行机构5；

S3：电动执行机构5使流量调节阀1的阀门关闭，此时阀门的开度为0，避免出现气举梯度逆转现象。

具体的，气举智能控制装置采集的所有数据最终将上传至云端，云端通过运用、服务、算法的下发控制气举智能控制装置进行下一步操作，比如控制流量调节阀1的开度，进而实现井口注天然气的定流量和定压力调控。

需要说明的是，控制装置作为气举智能控制装置的重要核心设备，可以实时采集注气温度、压力、流量等状态数据、控制调节阀开度，实现井口注天然气的定流量和定压力调控。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围有所附权利要求及其等同物限定。