基于DSP和GPRS的油井原油含水率遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

楊　柱，賈惠芹，朱倩倩，艾治余，王　攀（西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

基于DSP和GPRS的油井原油含水率遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

楊柱，賈惠芹，朱倩倩，艾治余，王攀
（西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

介紹了一種基于DSP和GPRS技術(shù)的油井原油含水率遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。將井口參數(shù)采集模塊和GPRS通信控制模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對油井原油含水參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測、分析、記錄，從而得出評價(jià)油井原油開采質(zhì)量的指標(biāo)。系統(tǒng)以TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理為平臺(tái)，結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大，具有較好的應(yīng)用前景。

GPRS；數(shù)字信號(hào)處理器；遠(yuǎn)程監(jiān)控

0　引言

在石油工業(yè)中，及時(shí)掌握油井生產(chǎn)的各種參數(shù)，了解油井的運(yùn)行情況，對油田安全高效生產(chǎn)至關(guān)重要。原油的含水率是油井生產(chǎn)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通過它可以評價(jià)油井產(chǎn)能，評估原油產(chǎn)量和開采價(jià)值，預(yù)測原油開采程度和油井的開發(fā)壽命并依此制定相應(yīng)的開采方案。

在我國，目前對原油含水率的測量仍普遍采用傳統(tǒng)的人工取樣再蒸餾的方法，這種方法不但取樣時(shí)間長、隨機(jī)性大，誤差也大，而且還費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響設(shè)備監(jiān)控和采油數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，由此致使上層無法獲知油田現(xiàn)場真實(shí)情況，因而也就不能確定實(shí)際所需生產(chǎn)成本，制定合理高效的開采方案，因此滿足不了油田生產(chǎn)自動(dòng)化的要求［1］。研發(fā)自動(dòng)化程度高的原油含水在線測量和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)顯得頗為重要［2-3］。

國內(nèi)外原油含水率測試產(chǎn)品不多，性能指標(biāo)與適用范圍差異也大。如國外的采用γ射線法測量的CTC的原油含水測量儀；采用短波法測量的AGAR 的CORPOW-102 PopelineBS&W Moitors產(chǎn)品等。國內(nèi)的產(chǎn)品有北京北斗星化學(xué)研究所石油儀器部的手持式石油/液體水分檢測儀H-BD4M等。這些產(chǎn)品大都因受油田當(dāng)?shù)丨h(huán)境，測量儀器的分辨率、穩(wěn)定性、價(jià)格等限制，不能在油田得到大量推廣應(yīng)用。基于此，本文介紹一種快速、實(shí)時(shí)、經(jīng)濟(jì)的原油含水遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)［4-5］。

基于 TMS320F2812的油井原油含水遠(yuǎn)程在線測量監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用了遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)［6-7］，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的獲取及傳輸，采用DS P為主的硬件系統(tǒng)為平臺(tái)，充分發(fā)揮了DSP的快速性與靈活性，利用DSP在數(shù)字信號(hào)處理［3］的快速實(shí)時(shí)性，完成整個(gè)系統(tǒng)的搭建。

1　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)選用 TMS320F2812和 GPRS作為系統(tǒng)核心部件，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制和處理。其設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。各模塊所包含的功能如下：（1）油井終端：該模塊是傳感器［8］的安裝部分，負(fù)責(zé)對系統(tǒng)感應(yīng)信號(hào)的獲取。（2）信號(hào)采集處理：該模塊由信號(hào)放大調(diào)理電路、DSP最小系統(tǒng)電路等構(gòu)成，負(fù)責(zé)對獲取的感應(yīng)信號(hào)的采集處理。（3）GPRS通信控制模塊：該模塊負(fù)責(zé)對采集處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳送和監(jiān)控中心控制指令的接收。（4）GPRS網(wǎng)絡(luò)［9］、網(wǎng)關(guān)及 INTERNET：該模塊作為數(shù)據(jù)的傳輸通道，負(fù)責(zé)采集處理后數(shù)據(jù)和控制命令數(shù)據(jù)的傳送。（5）服務(wù)監(jiān)控中心：該模塊負(fù)責(zé)對采集處理后數(shù)據(jù)的分析，預(yù)測原油產(chǎn)量以及遠(yuǎn)程調(diào)整測量設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)［10］等。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)由兩個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)采集處理和服務(wù)監(jiān)控。前者進(jìn)行信息的獲取、采集及處理；后者通過對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、發(fā)送控制指令來調(diào)整設(shè)備標(biāo)定參數(shù)達(dá)到對測量設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控［11-12］。

2.1數(shù)據(jù)采集處理部分

數(shù)據(jù)采集處理結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)采集處理結(jié)構(gòu)框圖

（1）油井終端

該部分為傳感器安置部分。傳感器由安裝在絕緣管道內(nèi)壁上的8個(gè)環(huán)形金屬電極組成，電極1和電極8為一對激勵(lì)電極，給傳感器提供恒流源，在管道中建立電流場；電極2與電極7構(gòu)成含水率測量電極對；電極3、4、5、6為日后儀器升級擴(kuò)展使用。集流后，待測流體沿著上圖所示方向從傳感器內(nèi)管道流過。

（2）信號(hào)調(diào)理部分

在連續(xù)相的條件下，通過8個(gè)電極電導(dǎo)式傳感器在油井現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，而采集后的數(shù)據(jù)需要在信號(hào)調(diào)理部分進(jìn)行處理。此處對傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整流等前置處理，以保證采樣數(shù)據(jù)的精確性。

（3）DSP處理

DSP處理采用TI的TMS320F2812，其片內(nèi)集成有高達(dá) 128 KB 16位的 Flash存儲(chǔ)器，128 KB 16位的 ROM，12位ADC，其轉(zhuǎn)換速度高達(dá)80 ns/12.5 MSPS，采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，大大降低其功耗。

（4）GPRS通信

GPRS通信控制部分采用廈門四信通信科技有限公司的F2103 GPRS DTU 模塊，該模塊利用GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，提供高速、可靠、永遠(yuǎn)在線、透明傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通道，該模塊的原理框圖如圖3所示。

圖3　DTU模塊原理框圖

該DTU采用低功耗高性能的嵌入式處理器，可高速處理協(xié)議和大量數(shù)據(jù)；支持雙數(shù)據(jù)中心備份傳輸及多數(shù)據(jù)中心同步傳輸；支持 RS232/RS485接口，且有多種工作模式選擇，便于日后軟件升級和遠(yuǎn)程維護(hù)；其內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，大大減輕客戶的開發(fā)難度，支持透明數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)終端永遠(yuǎn)在線，使得 GPRS得到最有效的利用。其嵌入的主頻為100 MHz的高性能工業(yè)級MCU可用于管理客戶應(yīng)用，從而減少了對外部控制器的依賴。

2.2服務(wù)監(jiān)控部分

該部分負(fù)責(zé)從INTERNET數(shù)據(jù)傳輸通道上獲取采集處理后的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析。隨后通過發(fā)送控制指令給終端DSP調(diào)整設(shè)備標(biāo)定參數(shù)值。該部分結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4　服務(wù)監(jiān)控結(jié)構(gòu)框圖

3　系統(tǒng)的軟件輔助

本系統(tǒng)借助DTU來進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。DTU通過RS232串口與PC機(jī)或DSP相連接，借助軟件DTUConfig-Tool對 GPRS設(shè)備進(jìn)行配置，波特率為 9 600 B/s，通過AT命令對模塊進(jìn)行設(shè)置以便 GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。終端工作流程如下：

（1）終端設(shè)備上電后，首先初始化 CPU，DSP完成其外圍模塊間的協(xié)商處理，同時(shí)對DTU模塊進(jìn)行初始化，檢查SIM卡狀態(tài)等。

（2）DSP通過相應(yīng)的 AT指令來控制 DTU進(jìn)行撥號(hào)和PPP協(xié)商，待協(xié)商成功后，將與數(shù)據(jù)處理中心的服務(wù)器進(jìn)行 TCP連接，一旦連接成功后，系統(tǒng)就保持在 INTERNET連接狀態(tài)上。

（3）終端如若向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)，則需先進(jìn)行中斷請求的發(fā)送，雙方建立TCP連接后才可進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

（4）如若數(shù)據(jù)從 DSP采樣得到，則先啟動(dòng)相應(yīng)操作程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，隨后將處理好的數(shù)據(jù)歸置好以便發(fā)送。

（5）DSP時(shí)刻進(jìn)行中斷掃描監(jiān)控中心是否有數(shù)據(jù)發(fā)送過來，一旦收到監(jiān)控中心發(fā)來的數(shù)據(jù)，DSP將啟動(dòng)相應(yīng)操作程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理。

（6）如若沒有數(shù)據(jù)傳輸，則系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入節(jié)能工作模式。

4　服務(wù)監(jiān)控中心

服務(wù)監(jiān)控中心由一臺(tái)服務(wù)器和一臺(tái)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器組成，其中數(shù)據(jù)處理服務(wù)器安裝有監(jiān)控軟件，用來負(fù)責(zé)對原油含水檢測數(shù)據(jù)的管理。

當(dāng)DTU參數(shù)配置好后，將其與測量設(shè)備進(jìn)行連接。當(dāng)設(shè)備上電后，設(shè)備會(huì)按設(shè)定的程序運(yùn)行，把所檢測到的原油含水值通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器接收到終端傳來的檢測數(shù)據(jù)后對其進(jìn)行處理，并把處理結(jié)果傳給服務(wù)器，以便上層查閱，并根據(jù)數(shù)據(jù)顯示狀況適時(shí)變更開采方案，使得原油的開采更加經(jīng)濟(jì)、高效。

5　實(shí)例分析

選取某油井7月份的生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表來分析，如表1所示。

表1　某油井生產(chǎn)月報(bào)表

表1可以看出，該油井產(chǎn)出的原油含水量較大，屬低產(chǎn)井，且其在整個(gè)7月份里原油的日含水比是變化的，整體趨于下降趨勢。

目前常用蒸餾法和電解法來測原油含水比，本文以實(shí)際油田采樣蒸餾化驗(yàn)結(jié)果與遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)果作對照。相對應(yīng)的月含水比走勢如圖5所示。

圖5　月含水比走勢及感應(yīng)電平變化

從圖5可以獲悉，用定時(shí)采樣蒸餾法獲取的月原油含水比如系列B所示，監(jiān)控中心接收到的經(jīng)DSP處理后的原油含水比日均值數(shù)據(jù)如系列D所示，系列C為電極傳感器所感應(yīng)到的電平日均值。從圖中可知該油井在整個(gè)7月中的產(chǎn)液含水比呈現(xiàn)下降趨勢。因?yàn)槊刻於〞r(shí)采樣數(shù)據(jù)量有限，其均值僅是個(gè)別時(shí)刻的原油含水比的平均，而該系統(tǒng)基于DSP每天進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，其采樣數(shù)據(jù)量較大，其均值反映的是一天的原油含水比的平均，通過對比可知，遠(yuǎn)程監(jiān)控獲取的含水日均值更能反映原油的日含水情況。

6　結(jié)束語

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性已在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。本文提出的原油含水監(jiān)控系統(tǒng)和技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對原油含水狀況的長期監(jiān)視，及時(shí)記錄原油在不同時(shí)刻的含水狀況，便于監(jiān)控中心依此評價(jià)油井產(chǎn)能，降低工人勞動(dòng)成本，對原油產(chǎn)量和開采價(jià)值進(jìn)行評估，制定合理高效的開采方案，進(jìn)而提高采油廠的自動(dòng)化和信息化水平。

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DSP and GPRS-based crude oil and moisture content remote monitoring system design and realization

Yang Zhu，Jia Huiqin，Zhu Qianqian，Ai Zhiyu，Wang Pan
（School of Electronic Engineering，Xi′an Petroleum University，Xi′an 710065，China）

A water content of crude oil remote monitoring system based on DSP and GPRS technology was introduced. Combining the wellhead parameter acquisition module and the GPRS communication control module，remote monitoring，analysis，record for the crude oil moisture parameters is achieved，wells draw record crude oil quality indicators is obtained.The system uses TMS320F2812 digital signal processing as the platform.The structure is simple，powerful，and has good prospects.

general packet radio service；digital signal processing；remote monitoring system

TP274

A

1674-7720（2015）05-0006-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50974103）

（2014-10-09）

楊柱（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：原油含水率在線監(jiān)測與測量儀器現(xiàn)場校正方法。

賈惠芹（1972-），女，博士，副教授，主要研究方向：超聲波流量測量技術(shù)。

朱倩倩（1989-），女，碩士研究生，主要研究方向：出砂信號(hào)處理技術(shù)。