基于無線傳感技術(shù)的油氣井地面測試系統(tǒng)

胥 林 ，張 琴 ，王丹東 ，胡長翠

（1.西南石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，四川 成都610500；2.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 廣漢618300）

隨著油氣勘探開發(fā)[1]的不斷深入，對(duì)試油資料錄取質(zhì)量的要求越來越高。目前國內(nèi)外油氣井地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都采用有線傳輸方式，而隨著油氣井測試的數(shù)字化、自動(dòng)化越來越強(qiáng)，測試采集參數(shù)越來越多，有線地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被無線地面測試數(shù)據(jù)采集所替代是必然的趨勢。它也將成為油田進(jìn)行科學(xué)試油的發(fā)展方向。

有線地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于油氣井試油地面測試作業(yè)中，經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)存在以下不足：(1)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境惡劣，布線困難，工作量大；(2)地面溫度太低時(shí)，易導(dǎo)致信號(hào)傳輸電纜破裂損壞；(3)信號(hào)電纜維護(hù)成本較高；(4)信號(hào)電纜現(xiàn)場出現(xiàn)故障時(shí)，檢修焊接不方便；(5)現(xiàn)場布置的信號(hào)電纜經(jīng)常被割走等。

針對(duì)以上問題，提出了數(shù)字化、無線化、智能化的設(shè)計(jì)模式，研制開發(fā)了一套無線地面測試數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并無線傳輸?shù)浆F(xiàn)場操作中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和處理等功能。

1 系統(tǒng)目標(biāo)

本系統(tǒng)主要采用采集器與中間服務(wù)器相連，采集器采集傳感器的數(shù)據(jù)，然后通過無線射頻方式將數(shù)據(jù)傳送到中間服務(wù)器。中間服務(wù)器將接收到的無線射頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳送到工控機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、處理等。該技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、延時(shí)短、成本低等優(yōu)點(diǎn)。此外在該系統(tǒng)中，與傳感器配套的無線采集終端具有數(shù)據(jù)處理能力，能夠根據(jù)用戶需求增加多種智能化的功能，提供了更多、更有效的數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析、決策輔助等功能[2-4]。

2 試油地面測試數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 無線采集監(jiān)控裝置的體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)多年現(xiàn)場測試經(jīng)驗(yàn)和部分井的實(shí)際情況，試油地面測試數(shù)據(jù)測點(diǎn)距離現(xiàn)場控制中心直線距離約500 m，井場內(nèi)常有壓裂車、酸罐、泥漿池等大型遮擋物。無線射頻方式傳輸距離與功率成正比，功率越大則傳輸距離越遠(yuǎn)，電池的使用壽命越短，成本越高。為了降低直接成本，采集器必須設(shè)計(jì)為低功耗，而低功耗采集器通過試驗(yàn)，在周圍無大型遮擋物的情況下，傳輸距離為500 m左右，不能滿足現(xiàn)場測試需要。為了很好地解決既節(jié)約用電又有較遠(yuǎn)的傳輸距離這個(gè)矛盾，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了中繼器，將信號(hào)放大后再傳輸給接收器。

油氣井鉆采集測試現(xiàn)場每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有固定的地址，數(shù)據(jù)的傳輸采用主從站方式，節(jié)點(diǎn)數(shù)量不多，而且都處于主站的無線通信范圍內(nèi)，由主站統(tǒng)一控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信時(shí)序。根據(jù)這一特點(diǎn)，無線采集監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)為一個(gè)實(shí)用的集中式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

系統(tǒng)采用先進(jìn)的三層結(jié)構(gòu)，并采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)，最底層數(shù)據(jù)服務(wù)層由SQL Server數(shù)據(jù)庫承擔(dān)，通過表、視圖、存儲(chǔ)過程、觸發(fā)器、規(guī)則和缺省值等工具進(jìn)行數(shù)據(jù)控制，以事務(wù)方式保證數(shù)據(jù)完整性和一致性。中間層為業(yè)務(wù)邏輯層，以DLL動(dòng)態(tài)庫或后臺(tái)服務(wù)的方式，完成數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)邏輯處理。頂層位為表示層，以應(yīng)用程序或網(wǎng)頁的形式提供人機(jī)接口，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入輸出。它通過業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)服務(wù)層打交道，獲取或提交需要的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)流程

圖2 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

首先由低功耗傳感器將模擬量傳給采集板，采集板進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換生成數(shù)字信號(hào)，然后通過無線方式發(fā)給中繼器，中繼器再以無線方式轉(zhuǎn)發(fā)給接收器，接收器通過局域網(wǎng)絡(luò)，以TCP/IP方式發(fā)給控制中心?？刂浦行耐ㄟ^一個(gè)上位機(jī)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，并利用ADO技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到SQL Server數(shù)據(jù)庫中；同時(shí)控制中心還通過一個(gè)下位機(jī)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理，它與上位機(jī)共用同一個(gè)SQL Server數(shù)據(jù)庫，也利用ADO技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫操作，生成實(shí)時(shí)曲線及預(yù)警報(bào)警，完成采集數(shù)據(jù)的歷史曲線回放、打印、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)查詢、導(dǎo)出及基本信息維護(hù)等工作。

3 無線采集監(jiān)控裝置的終端硬件設(shè)計(jì)

地面測試數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及無線傳輸系統(tǒng)硬件包括四部分：第一部分為數(shù)據(jù)采集器，負(fù)責(zé)采集傳感器的數(shù)據(jù)，然后通過無線射頻方式將數(shù)據(jù)傳送到中繼器；采集器又分為壓力采集器、溫度采集器、差壓采集器、液體流量采集器和氣體流量采集器等；第二部分為中繼器，它接收采集器發(fā)來的數(shù)據(jù)信號(hào)并無線轉(zhuǎn)發(fā)給接收器；第三部分為接收器，它在總控室內(nèi)通過無線接收中繼器發(fā)來的數(shù)據(jù)，并通過RJ45口或DB9接入局域網(wǎng)；第四部分為現(xiàn)場控制中心，通過PC機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析和處理[5]。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.1 采集器

地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集壓力、溫度、流量和差壓信號(hào)。根據(jù)測試現(xiàn)場需要主要有壓力采集器、溫度采集器、流量采集器等。主要功能是采集測點(diǎn)數(shù)據(jù)，并通過無線射頻方式將采集到的信息無線發(fā)送到中繼器。

數(shù)據(jù)采集器主要完成傳感器信號(hào)輸入、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換（脈沖輸出型流量計(jì)無需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可以直接由MCU進(jìn)行檢測）、采集和記錄傳感相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過無線射頻方式將采集到的信息無線發(fā)送到中繼器。采集器由傳感器、單片機(jī)、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、無線射頻芯片和電池電源管理五個(gè)部分構(gòu)成。即傳感器采集測點(diǎn)數(shù)據(jù)通過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸給低功耗單片機(jī)（MCU），單片機(jī)經(jīng)過處理后通過射頻電路和天線發(fā)送給中繼器。采集器和中繼器之間可以雙向通信，即采集器可以向中繼器發(fā)送數(shù)據(jù)信息，同時(shí)也可以通過中繼器向采集器傳遞操作指令。采用無線通信協(xié)議為分時(shí)協(xié)議，工作頻率為 433 MHz，通過檢測和現(xiàn)場試驗(yàn)，效果良好。采集器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 接收器

接收器主要功能是通過無線通道接收中繼器或采集器發(fā)出的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口經(jīng)局域網(wǎng)傳送到控制中心。與中心服務(wù)器連接中斷時(shí)，暫存無線通道送來的數(shù)據(jù)到板載的Flash中，待正常連接后，將Flash中的數(shù)據(jù)補(bǔ)發(fā)給中心服務(wù)器。中繼器和接收器之間可以雙向通信。接收器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

接收器工作時(shí)放置在現(xiàn)場控制中心，采用外電源供電。接收器的設(shè)計(jì)選用了高性能的嵌入式CPU和大功率收發(fā)模塊，配置高增益的全向天線，保證實(shí)時(shí)接收采集器或中繼器傳來的數(shù)據(jù)。

4 試油地面測試數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)現(xiàn)場測試

試油地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在富順1井開展了現(xiàn)場試驗(yàn)，測試層位為須二下段；地面測試設(shè)備為節(jié)流管匯、轉(zhuǎn)向管匯、熱交換器、分離器、數(shù)據(jù)采集房等；無線采集系統(tǒng)設(shè)備為 0～70 MPa壓力采集器 1只，0～16 MPa壓力采集器1只，-50℃～150℃溫度采集器 1只和液體流量采集器1只，中繼器1只，接收器1只，網(wǎng)絡(luò)集線器1只，網(wǎng)線1根，接收機(jī)天線 1根，筆記本電腦 1臺(tái)和無線數(shù)據(jù)采集軟件。

0～70 MPa壓力采集器安裝在套壓處，0～16 MPa壓力采集器安裝在流量計(jì)孔板上壓處，-50℃～150℃溫度采集器安裝在熱交換器出口處，流量采集器未安裝在設(shè)備上，作為測量設(shè)備傳輸距離和抗干擾能力。接收機(jī)天線安裝在數(shù)據(jù)采集房房頂上。接收機(jī)和網(wǎng)絡(luò)集線器放在數(shù)據(jù)采集房內(nèi)。測試具體情況如下：

(1)未安裝中繼器時(shí)，套壓和熱交換器處信號(hào)較好，井場內(nèi)效果均良好；

(2)中繼器放置在鉆臺(tái)司鉆房頂，所有采集器通過中轉(zhuǎn)后發(fā)送給接收機(jī)，效果非常好。將流量采集器放置在距采集房約800 m處，傳輸信號(hào)良好，無數(shù)據(jù)丟失情況發(fā)生；

(3)酸化時(shí)兩臺(tái)壓裂車同時(shí)開泵工作，整個(gè)工作期間無干擾信號(hào)產(chǎn)生，無線采集器工作穩(wěn)定；

(4)和有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，測試數(shù)據(jù)值一致，精度相當(dāng)，無明顯延時(shí)滯后現(xiàn)象。

現(xiàn)場無線采集器布置圖及系統(tǒng)測試曲線圖如圖6、圖7所示。

本文中的地面測試數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)，改變了原有線采集傳輸方式，實(shí)現(xiàn)了地面測試數(shù)據(jù)采集無線傳輸功能，解決了試油測試現(xiàn)場布線困難等實(shí)際問題。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，研制開發(fā)的無線地面數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)運(yùn)行可靠、性能穩(wěn)定、安全性高、自動(dòng)化程度高、仿真效果直觀、數(shù)據(jù)庫集中管理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確可靠，充分滿足了油氣井試油信息的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制和信息處理的需要，實(shí)現(xiàn)了試油地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的升級(jí)。

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