基于WIA技術(shù)的油井遠程計量與優(yōu)化控制系統(tǒng)

（中國科學院 沈陽自動化研究所，沈陽 110016） 曾 鵬，王 軍

1 引言

油田生產(chǎn)作業(yè)設備大多位于野外且分布散遠，因而油井遠程生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)外油田得到了推廣應用。我國部分油田建立了用于油井田監(jiān)控的SCADA系統(tǒng)[1][2]，此類系統(tǒng)主要由監(jiān)控設備、通信網(wǎng)絡和后臺管理系統(tǒng)等部分構(gòu)成。

油井監(jiān)控設備主要包括監(jiān)測儀表和控制裝置兩類，監(jiān)測儀表包括各種通用型監(jiān)測儀表，如溫度計、壓力計、流量計，以及油田專用監(jiān)測儀表，如示功儀、電機監(jiān)測儀等?？刂蒲b置主要包括油井的間抽控制器、變頻控制器、RTU以及氣井的自動閉鎖裝置等。

現(xiàn)有的油井監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡大多采用單層無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，小范圍內(nèi)的多個監(jiān)控設備通過有線方式連接到安裝有窄帶數(shù)傳電臺或GPRS模塊的RTU，對數(shù)據(jù)進行匯總后再通過數(shù)傳電臺或GPRS網(wǎng)絡傳送到油田監(jiān)控管理中心。RTU一般只能連接半徑幾十米范圍內(nèi)的測控設備，接入的測控設備數(shù)目較少，整個系統(tǒng)造價和維護費用都很高。

當前我國大部分油田已經(jīng)進入高含水期，單井產(chǎn)量小，邊際經(jīng)濟效益較低，因而要求油井監(jiān)測儀表和控制裝置必須具備低成本、高可靠性的特點，只有設備成本和運行維護成本都非常低，才有在數(shù)量眾多的低產(chǎn)井上應用的經(jīng)濟上的可能性。

隨著Wireless HART[3]和WIA[4]等工業(yè)無線技術(shù)的發(fā)展和成熟，在一個較大的作業(yè)區(qū)域內(nèi)，多個無線監(jiān)控設備、無線中繼器和無線網(wǎng)關可以組成一個多跳MESH網(wǎng)絡。網(wǎng)絡內(nèi)的各種監(jiān)控設備及中繼器、網(wǎng)關等網(wǎng)絡設備將符合統(tǒng)一的通信標準，可以方便地任意新增或替換無線監(jiān)控設備，從而使油田監(jiān)控系統(tǒng)的經(jīng)濟性、易用性以及可擴展性大大改善。

2 工業(yè)無線WIA技術(shù)

工業(yè)無線技術(shù)是滿足工業(yè)應用高可靠性、低能耗、硬實時等特殊需求的一類無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，是傳感器網(wǎng)絡技術(shù)最具代表性的重要分支。基于工業(yè)無線技術(shù)的測控系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的有線測控系統(tǒng)相比，具有以下一些優(yōu)勢：

? 低成本、易施工。

在傳統(tǒng)的有線系統(tǒng)中，布線的成本是$30～$100/每米，在一些惡劣環(huán)境下，可達到$2000/每米。使用工業(yè)無線技術(shù)將使測控系統(tǒng)的安裝與維護成本最高可降低90%，是實現(xiàn)低成本測控系統(tǒng)的關鍵技術(shù)。

? 高可靠、易維護。

在有線系統(tǒng)中，大部分系統(tǒng)故障是由電纜的連接器件損壞而引起的，其維護復雜程度、維護費用都很高。使用無線技術(shù)將從根本上杜絕此類故障的發(fā)生。

? 高靈活、易使用。

使用無線技術(shù)后，現(xiàn)場設備擺脫了電纜的束縛，從而增加了現(xiàn)場儀表與被控設備的可移動性、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的靈活性以及工程應用的多樣性。用戶可以根據(jù)工業(yè)應用需求的變化，快速、靈活、方便地重構(gòu)測控系統(tǒng)。

WIA標準是我國科研機構(gòu)在863計劃的支持下，于2007年開始制定的面向工業(yè)自動化應用的無線網(wǎng)絡技術(shù)標準體系。目前已完成了WIA-PA規(guī)范國家標準征求意見稿和IEC PAS、NP文件的制訂，成為在國際上與Wireless HART被同時承認的僅有的兩個國際標準之一。

WIA-PA協(xié)議架構(gòu)如圖1所示，其物理層、MAC層直接采用了IEEE802.15.4協(xié)議標準[5]，鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層由我國自主制定，其抗干擾、低能耗、實時通信等核心技術(shù)主要體現(xiàn)在鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層。WIA的用戶應用進程包含的功能模塊是多個用戶應用對象。設備管理應用進程包含的功能模塊有：設備管理模塊、網(wǎng)絡管理模塊、安全管理模塊、網(wǎng)絡管理代理模塊、安全管理代理模塊、管理信息庫等。

WIA采用分簇的組織架構(gòu)和骨干Mesh網(wǎng)結(jié)合星型子網(wǎng)的兩層拓撲結(jié)構(gòu)，是高可靠自組織網(wǎng)絡，具有以下技術(shù)特征：

? TDMA/CSMA混合接入模式支持周期性和非周期性通信負載；

? 自適應跳頻通信方式提高了點到點通信的抗干擾能力；

? 鏈路層自動請求重傳和應用層端到端重傳機制保證了報文傳輸?shù)母叱晒β剩?/p>

? 多路徑Mesh路由保證了端到端通信的可靠性；

? 集中式與分布式結(jié)合的系統(tǒng)管理綜合考慮了系統(tǒng)的易管理與擴展的靈活性；

? 自組網(wǎng)模式提高了系統(tǒng)易用性；

? 采用休眠模式的低占空比工作方式使終端具有超低能耗。

通過使用工業(yè)無線網(wǎng)絡WIA技術(shù)，用戶可以以較低的投資和使用成本實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)的全程感知，獲取之前由于成本原因無法在線監(jiān)測的重要工業(yè)過程參數(shù)，并以此為基礎實施優(yōu)化控制，來達到提高產(chǎn)量、質(zhì)量和節(jié)能降耗的目標。

3 基于WIA技術(shù)的油井遠程計量與優(yōu)化控制系統(tǒng)

和現(xiàn)有油井遠程監(jiān)控系統(tǒng)相比，基于WIA技術(shù)的系統(tǒng)改進主要體現(xiàn)在底層網(wǎng)絡的連接方式和后臺數(shù)據(jù)的處理上。由于WIA技術(shù)適合大量現(xiàn)場設備的無線互聯(lián)，井口的設備網(wǎng)絡將不再需要有線連接到RTU，而是完全實現(xiàn)低成本無線連接，因此能夠?qū)崟r監(jiān)測更多之前SCADA系統(tǒng)所不能監(jiān)測的參數(shù)。以此為基礎，構(gòu)建起后臺實時數(shù)據(jù)處理平臺的專家系統(tǒng)，可以完成之前系統(tǒng)所不能完成的控制和優(yōu)化任務。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于WIA技術(shù)的油井遠程計量和優(yōu)化控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可以分為前端的數(shù)據(jù)采集和后臺的專家系統(tǒng)兩大主要部分。其中，前端的數(shù)據(jù)采集部分主要完成井口各項參數(shù)的檢測和控制參數(shù)的實時傳輸，后臺的專家系統(tǒng)[6][7]則完成人機交互、遠程計量、工況分析以及優(yōu)化控制等任務，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要由現(xiàn)場終端設備、WIA網(wǎng)關及WIA網(wǎng)絡上位機三部分組成。井口的現(xiàn)場終端設備主要包括WIA無線壓力變送器、WIA無線溫度變送器、WIA無線示功儀及WIA無線電測儀等，單口油井的設備安裝如圖3所示。

圖3 單口油井部分無線設備安裝示意圖

終端設備用來周期性從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)信息，包括壓力、溫度、示功、電機狀態(tài)參數(shù)等通過無線電波發(fā)送給WIA無線網(wǎng)關；WIA無線網(wǎng)關的主要功能是對整個數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)網(wǎng)絡進行管理及維護，匯集終端設備的數(shù)據(jù)信息并通過無線方式發(fā)送給數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)中心模塊；WIA網(wǎng)絡上位機安裝在工作站，主要功能是用來顯示網(wǎng)絡拓撲、實時數(shù)據(jù)信息、設備狀態(tài)、歷史記錄及配置網(wǎng)絡設備數(shù)據(jù)率等信息。

3.2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件主要分為兩類。一類是無線網(wǎng)關，用于網(wǎng)絡管理，另一類是WIA設備，用于現(xiàn)場的各類參數(shù)檢測裝置和執(zhí)行器。

3.2.1 WIA無線網(wǎng)關

WIA無線網(wǎng)關是集成WIA工業(yè)無線網(wǎng)絡核心協(xié)議的短程無線通信設備，工作在2.4GHz頻段。WIA無線網(wǎng)關負責整個網(wǎng)絡的管理、調(diào)度和優(yōu)化，設定和維護網(wǎng)絡通信參數(shù)，統(tǒng)一為網(wǎng)絡設備分配通信資源和路由，配置網(wǎng)絡的運行，調(diào)度WIA網(wǎng)絡設備間的通信，監(jiān)控并定時報告網(wǎng)絡的運行狀態(tài)。

WIA無線網(wǎng)關還作為全網(wǎng)的時間同步源，提供消息緩沖與保存，橋接所有網(wǎng)絡設備。WIA無線網(wǎng)關支持一個或多個網(wǎng)絡接入點和服務接入點。網(wǎng)絡接入點提供連接其他網(wǎng)絡的接口。服務接入點為上位機應用提供訪問和管理網(wǎng)絡的接口。WIA網(wǎng)關的主要功能與技術(shù)指標如下：

? 網(wǎng)絡規(guī)模：一臺WIA無線網(wǎng)關最多可以管理100個現(xiàn)場無線設備，通過互連多個網(wǎng)關可構(gòu)建起大規(guī)模的復雜網(wǎng)絡；

? 波段：2.4GHz；

? 用戶接口：為用戶應用提供OPC、XML及HART三種接口方式；

? 全面API接口：支持一個或多個網(wǎng)絡接入點和服務接入點，實現(xiàn)不同協(xié)議的互連接和互操作；

? 多種通信接口：支持以太網(wǎng)、RS232等通信接口。

3.2.2 WIA無線儀表

檢測、控制儀表和執(zhí)行機構(gòu)是檢測工藝過程數(shù)據(jù)、執(zhí)行控制系統(tǒng)命令的關鍵設備，因此要求井口的無線儀表和執(zhí)行機構(gòu)除了必須滿足其所需的精度要求外，處于爆炸環(huán)境的儀表防爆等級不低于ExdIIBT4，現(xiàn)場儀表防護等級不低于IP65，所有儀表設備必須在溫度-40～85℃，濕度≤95%RH環(huán)境下正常工作。具體包括以下一些主要的WIA無線儀表：

? WIA低功耗無線載荷、位移、沖次一體化傳感器；

? WIA微功耗無線壓力傳感器；

? WIA微功耗無線溫度傳感器；

? WIA三相電量智能采集控制模塊；

? WIA微功耗無線流量傳感器；

? WIA高壓智能流量計；

? WIA微功耗數(shù)據(jù)采集控制終端。

3.3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件主要分為兩部分，一個是WIA網(wǎng)絡的管理軟件，該軟件運行在WIA無線網(wǎng)關上，用于管理WIA網(wǎng)絡設備。另一個是后臺用戶支撐軟件，用以完成對油井生產(chǎn)的自動化遠程監(jiān)控。

3.3.1 WIA網(wǎng)絡管理軟件

WIA網(wǎng)絡管理軟件主要負責網(wǎng)絡管理、設備的入網(wǎng)認證和網(wǎng)絡安全管理，除了負責組網(wǎng)、維護網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)之外，WIA網(wǎng)絡管理軟件的上位機部分還具有人機交互功能，使網(wǎng)絡用戶可以隨時了解網(wǎng)絡的運行狀態(tài)并調(diào)整網(wǎng)絡的工作參數(shù)。WIA網(wǎng)絡上位機具有下列功能：

? 顯示網(wǎng)絡拓撲視圖；

? 顯示網(wǎng)絡所有設備基本信息；

? 設置網(wǎng)絡中設備的工作參數(shù)；

? 查詢網(wǎng)絡設備歷史數(shù)據(jù)信息；

? 查詢網(wǎng)絡設備路由信息。

3.3.2 后臺用戶支撐軟件

后臺用戶支撐軟件的主體是一個油井數(shù)據(jù)采集、工況分析與優(yōu)化控制專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有油井自動監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集、油井液量計量、油井工況診斷、系統(tǒng)效率優(yōu)化設計等功能。具體包括如下功能：

（1）油井工況檢測功能

采集并顯示電壓、電流、功率、載荷、沖次、沖程、井口壓力、油溫、動液面、含水率、轉(zhuǎn)速、扭矩、變頻器相關數(shù)據(jù)等生產(chǎn)參數(shù)。

（2）故障報警功能

停電、停機、回壓異常、缺相及電流異常、抽油機抽空、防盜紅外監(jiān)控，曲柄銷松動脫落等；預測故障位置和故障原因并進行相應提示。

（3）控制保護功能

對油井間抽控制；變頻器遠程控制；缺相、三相電流不平衡、曲柄銷脫落自動停機；油井動液面實時監(jiān)測；實現(xiàn)對產(chǎn)液量的自動計量。

（4）數(shù)據(jù)管理功能

圖形方式實時顯示壓力、溫度、載荷、扭矩、電流、電壓、功率等各種生產(chǎn)參數(shù)及泵、機等生產(chǎn)設備運行狀態(tài)。

（5）生產(chǎn)管理及遙控指揮

自動記錄巡井時間；與油田局域網(wǎng)數(shù)據(jù)共享；可以通過現(xiàn)有局域網(wǎng)絡，在網(wǎng)上遠端監(jiān)控油井生產(chǎn)現(xiàn)場并進行指揮。

（6）油井生產(chǎn)系統(tǒng)分析與優(yōu)化決策功能

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，進行生產(chǎn)井參數(shù)優(yōu)化設計、在線診斷、油井系統(tǒng)效率分析等。

（7）網(wǎng)絡查詢功能

通過IE瀏覽器和專用的視頻播放軟件，在油田信息網(wǎng)上可隨時瀏覽各井的監(jiān)控畫面、實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)等，查詢有關生產(chǎn)報表及分析結(jié)果。

4 結(jié)論

基于WIA技術(shù)的油井遠程計量與優(yōu)化控制系統(tǒng)可以較低的成本提高油田生產(chǎn)的自動化程度，減少抽油機能耗。通過系統(tǒng)得到的大量數(shù)據(jù)，可完成精細化的油藏管理系統(tǒng)，以此為起點，通過精細化的采油工藝配合，可以達到提高采收率的目的。此外，通過部署遠程在線計量與優(yōu)化控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)“單管集油”、“撤銷計量站”等目標，從而大大減少地面管線投資和維護成本。

[1] 曲長波等. 基于ADAM控制器和GPRS的油井遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，石油化工自動化[J]. 2008. 44（3）.

[2] 楊瑞等. 油井遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應用與展望，石油化工自動化[J]. 2009. 45（4）.

[3] www.hart.com.

[4] www.industrialwireless.cn.

[5] www.ieee802.org/15/pub/TG4.html.

[6]馬成才等. YD-2油井遠程產(chǎn)量計量及分析優(yōu)化系統(tǒng)在馬廠油田的應用[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2008（9）.

[7]李小兵等. 油井功圖法自動計量與監(jiān)測技術(shù)研究[J]. 石油化工自動化，2008（02）.