基于WiFi的原油含水率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

賈志鵬，念 彬，周 婷，余 杰

（長(zhǎng)慶油田分公司隴東頁巖油開發(fā)項(xiàng)目部，甘肅 慶城 745100）

0 引 言

在油田開發(fā)過程中，油井原油含水率是油井生產(chǎn)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它直接影響其開采、脫水、儲(chǔ)運(yùn)和銷售等環(huán)節(jié)[1]。因此，在原油開采過程中，需要對(duì)含水率及其變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握油井的開發(fā)狀態(tài)。目前國內(nèi)外油田企業(yè)中，對(duì)油井含水率的測(cè)量仍然以傳統(tǒng)的“蒸餾法”為主，化驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且手工取樣化驗(yàn)以點(diǎn)概面不具有代表性[2]。國內(nèi)含水率監(jiān)測(cè)普遍仿照美國AGAR公司早期技術(shù)—射頻法或短波法分析儀，其不足是：探頭技術(shù)不穩(wěn)定，低含水不夠精確，高含水靈敏度不高，此外，大多數(shù)含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用GPRS通信方式實(shí)現(xiàn)井口儀表和監(jiān)控后臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸，GPRS通信方式容易發(fā)生數(shù)據(jù)包出錯(cuò)、丟失等情況；同時(shí)，還需向運(yùn)營商繳納大量的通信費(fèi)用，增加了系統(tǒng)成本，不利于產(chǎn)品的推廣使用。

本文對(duì)油井原油含水率微波實(shí)時(shí)檢測(cè)方法進(jìn)行研究，提出了一種基于WiFi的原油含水率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由井口儀表、RTU、含水率監(jiān)控后臺(tái)組成。井口儀表實(shí)時(shí)采集油管中的含水率數(shù)據(jù)，RTU作為數(shù)據(jù)傳輸中轉(zhuǎn)站，搭建WiFi無線通信網(wǎng)絡(luò)，并建立Socket連接，使得含水率數(shù)據(jù)在井口儀表和監(jiān)控后臺(tái)之間進(jìn)行可靠傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)原油含水率的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，在含水率監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

1 含水率微波檢測(cè)技術(shù)原理

原油含水率監(jiān)測(cè)以微波檢測(cè)為手段，井口儀表中的微波發(fā)射器將恒幅、恒頻的電磁波發(fā)射到含水的原油中，由于原油中含水量的不同，介質(zhì)所吸收的波能量也不同[3]，微波探測(cè)器將因透過介質(zhì)含水率不同而引起能量不同的微波信號(hào)輸入基于ARM的井口儀表中，進(jìn)行信號(hào)的濾波、放大、校正后，將數(shù)據(jù)分包、加密，采用WiFi傳輸至后臺(tái)監(jiān)控服務(wù)器。后臺(tái)服務(wù)器采用獨(dú)有的油井含水率實(shí)時(shí)計(jì)算模型和大數(shù)據(jù)分析自適應(yīng)校正模型進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度穩(wěn)定計(jì)算，確保一井一方法，實(shí)現(xiàn)油井含水率實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。微波檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 微波檢測(cè)原理框圖

2 含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

基于WiFi的原油含水率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由井口儀表、RTU和監(jiān)控后臺(tái)構(gòu)成[4-5]，如圖2所示。

圖2 含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

井口儀表由含水率數(shù)據(jù)采集模塊和WiFi通信模塊構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集管道中的含水率數(shù)據(jù)，由WiFi通信模塊上傳數(shù)據(jù)。RTU負(fù)責(zé)組建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，借助WiFi通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸含水率數(shù)據(jù)[6]。監(jiān)控后臺(tái)主要包括主機(jī)（安裝SQL Server數(shù)據(jù)庫）、服務(wù)器以及手機(jī)等終端設(shè)備，主機(jī)選擇戴爾XPS17-9700，將RTU傳來的含水率加密數(shù)據(jù)包根據(jù)事先約定的協(xié)議進(jìn)行解析計(jì)算，得出當(dāng)前的含水率實(shí)際值。選擇聯(lián)想ST558服務(wù)器存儲(chǔ)最終計(jì)算得到的含水率數(shù)據(jù)，它是終端設(shè)備含水率信息查看時(shí)的數(shù)據(jù)來源。主機(jī)通過獨(dú)有的含水率計(jì)算模型計(jì)算得到實(shí)際含水率數(shù)據(jù)后，再回傳給井口儀表，供現(xiàn)場(chǎng)人員查看，同時(shí)，還將數(shù)據(jù)分類保存到SQL Server數(shù)據(jù)庫，以便管理員查看，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而為制定下一步的采油計(jì)劃提供依據(jù)。也可通過手機(jī)在采油現(xiàn)場(chǎng)登錄含水率監(jiān)測(cè)APP，實(shí)時(shí)查閱油井含水率數(shù)據(jù)信息，使含水率監(jiān)測(cè)更加便捷。

3 含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 井口儀表設(shè)計(jì)

井口儀表根據(jù)微波檢測(cè)法計(jì)算得到原油含水率。井口儀表選用型號(hào)為STM32F103RET6的ARM芯片作為主控芯片，對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行采集、處理和數(shù)據(jù)封包；選用ESP-07S WiFi模塊作為無線數(shù)據(jù)的傳輸模塊。井口儀表硬件組成如圖3所示。

圖3 井口檢測(cè)裝置硬件組成

井口儀表測(cè)試管道底部的流量傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)管道中是否有液體流過，當(dāng)有液體流過時(shí)，主控制器便控制繼電器閉合，從而為底部的微波探測(cè)發(fā)射器提供直流電源[7]，發(fā)射器發(fā)射電磁波，正對(duì)頂部的微波探測(cè)器接收器，將探測(cè)波形通過STM32F103的A/D口傳輸至主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并通過串口模塊將數(shù)據(jù)傳輸至WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的封包加密，最終，含水率數(shù)據(jù)包上傳到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端RTU。WiFi模塊ESP-07S和主控芯片STM32F103的接口加密，發(fā)送給含水率監(jiān)控后臺(tái)。WiFi與STM32接口電路如圖4所示。

圖4 WiFi與STM32接口電路

3.2 井口RTU設(shè)計(jì)

RTU作為井口儀表和監(jiān)控后臺(tái)之間的傳輸媒介，主控芯片采用基于ARM的S3C4510B01微控制器，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議和IEEE802.11協(xié)議，提供無線接入點(diǎn)，依據(jù)TCP/IP協(xié)議，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控后臺(tái)的通信，完成井口儀表與含水率監(jiān)控后臺(tái)間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。RTU硬件組成如圖5所示。

圖5 RTU硬件組成

4 含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件開發(fā)

4.1 含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件組成

含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)采集與通信程序、數(shù)據(jù)解密與含水率計(jì)算程序組成，如圖6所示。數(shù)據(jù)采集與通信程序包含含水率數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加密處理和WiFi通信傳輸3個(gè)子程序；數(shù)據(jù)解密與含水率計(jì)算程序包含數(shù)據(jù)解析處理、含水率數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)展示與存儲(chǔ)3個(gè)子程序。

圖6 含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件組成

4.2 數(shù)據(jù)采集與通信程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與通信程序?qū)⒅骺刂破鲗?shí)時(shí)接收的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、A/D轉(zhuǎn)換、分包、加密等處理后，檢測(cè)附近可以接入的WiFi信號(hào)并成功連接，之后基于TCP/IP通信協(xié)議將數(shù)據(jù)包發(fā)送到含水率監(jiān)控后臺(tái)。數(shù)據(jù)采集與通信流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集與通信流程

4.3 數(shù)據(jù)解析與含水率計(jì)算程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)解析與含水率計(jì)算程序?qū)TU上傳到監(jiān)控后臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密、運(yùn)算、展示和存儲(chǔ)。當(dāng)RTU和服務(wù)器連接成功后，含水率加密數(shù)據(jù)包傳輸至后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行解密、處理后，計(jì)算得到含水率，并將該數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，以供用戶或者管理員在遠(yuǎn)程客戶端登錄獲取原油的含水率信息。數(shù)據(jù)解析與含水率計(jì)算流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)解析與計(jì)算流程

5 結(jié) 語

（1）提出了一種基于WiFi的原油含水率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用微波作為探測(cè)手段，將WiFi作為傳輸方式，較好地解決了傳統(tǒng)原油含水率檢測(cè)方法實(shí)時(shí)性不高、精度不高等問題。

（2）設(shè)計(jì)了一種基于WiFi的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，井口儀表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)含水率數(shù)據(jù)，通過RTU發(fā)送給監(jiān)控后臺(tái)，監(jiān)控后臺(tái)可實(shí)時(shí)接收、解析、計(jì)算含水率數(shù)據(jù)，借助瀏覽器可實(shí)時(shí)查閱含水率數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了原油含水率在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在數(shù)字智能油田與智慧油田建設(shè)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。