無線傳感技術(shù)在燃油氣井測試系統(tǒng)中的運(yùn)用

伴隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入，對試油資料接收質(zhì)量提出了更高的要求。

油氣井地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)目前國內(nèi)外均采用有線傳輸方式，但隨著油氣井測試數(shù)字化、自動化程度的提高，測試參數(shù)越來越多，采用有線傳輸方式取代傳統(tǒng)的地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成為必然趨勢。這也將成為油田科學(xué)試油的發(fā)展方向。

有線地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在油氣井地面測試作業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了以下不足：

(1)現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣、線路布置困難、工作量大；

(2)當(dāng)?shù)孛鏈囟冗^低時(shí)，容易造成信號傳輸電纜的破裂和損壞；

(3)維護(hù)信號電纜的費(fèi)用較高；

(4)信號電纜在現(xiàn)場發(fā)生故障時(shí)，不方便檢修焊接；

(5)現(xiàn)場布置的信號電纜等常常被切斷。

為解決上述問題，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)采集與管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并可無線傳輸至現(xiàn)場作業(yè)中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、存儲和處理。

制度目標(biāo)。

該系統(tǒng)主要是利用采集器連接到中間服務(wù)器，采集器采集傳感器的數(shù)據(jù)，然后通過無線射頻傳輸傳輸?shù)街虚g服務(wù)器。中端服務(wù)器將接收到的無線射頻信號進(jìn)行數(shù)據(jù)整合處理，并通過局域網(wǎng)將處理后的數(shù)據(jù)傳送給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲、顯示和處理。它具有抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，延遲時(shí)間短，成本低等特點(diǎn)。另外，與傳感器配套的無線采集終端還具有數(shù)據(jù)處理能力，可根據(jù)用戶需求增加各種智能功能，提供更多更有效的數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析和輔助決策等功能。

油品地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

一是無線采集監(jiān)控設(shè)備的架構(gòu)。

基于多年的現(xiàn)場測試經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合一些井的實(shí)際情況，地面測試數(shù)據(jù)測點(diǎn)與現(xiàn)場控制中心直線距離約500米，并在井場中設(shè)置了壓裂車、酸液、泥漿池等大型遮擋物。采用無線射頻方式，傳輸距離與功率成正比，功率越大，傳輸距離越遠(yuǎn)，電池壽命越短，成本越高。為減少直接成本，采集器必須設(shè)計(jì)成低功耗的結(jié)構(gòu)，但由于周圍沒有大型遮擋物，采集器通過測試時(shí)，傳輸距離僅為500米，無法滿足現(xiàn)場測試要求。為解決既節(jié)省電力又有較長傳輸距離這一矛盾，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了中繼器，將信號放大后再傳送到接收機(jī)。

油氣井井采油測試現(xiàn)場，各節(jié)點(diǎn)均有固定地址，數(shù)據(jù)傳輸均采用主從站方式，節(jié)點(diǎn)數(shù)目不大，且均在主站無線通信范圍內(nèi)，主站統(tǒng)一控制網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)序。針對這種特點(diǎn)，無線采集監(jiān)控裝置被設(shè)計(jì)成一個(gè)實(shí)用的集中式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

該系統(tǒng)采用先進(jìn)的三層結(jié)構(gòu)，采用模塊化和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，最底層的數(shù)據(jù)服務(wù)層由SQLServer數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)，通過諸如表、視圖、存儲過程、觸發(fā)器、規(guī)則和默認(rèn)值等工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，從而保證事務(wù)處理方式下的數(shù)據(jù)完整性和一致性。中間層為業(yè)務(wù)邏輯層，通過DLL動態(tài)庫或后臺服務(wù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯處理。最上層為表示層，以應(yīng)用程序或網(wǎng)頁的形式提供人機(jī)界面，負(fù)責(zé)輸入和輸出數(shù)據(jù)。其處理業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)服務(wù)層，獲取或提交所需的數(shù)據(jù)。

二是數(shù)據(jù)處理。

模擬量先由低功耗的傳感器傳送到采集板，采集板通過A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生數(shù)字信號，然后通過無線方式發(fā)送到中繼器，中繼器再通過局域網(wǎng)絡(luò)以TCP/IP方式發(fā)送到控制中心。通過上位機(jī)控制中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，并利用ADO技術(shù)實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)存儲在SQLServer數(shù)據(jù)庫中；通過下位機(jī)控制中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的管理，并與上位機(jī)共用一個(gè)SQLServer數(shù)據(jù)庫，還利用ADO技術(shù)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫操作，生成實(shí)時(shí)曲線和預(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)出和基本信息的維護(hù)。

無線采集監(jiān)控裝置終端的硬件設(shè)計(jì)。

地測數(shù)據(jù)自動采集和無線傳輸系統(tǒng)的硬件包括：

(1)數(shù)據(jù)采集器，負(fù)責(zé)對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過無線射頻方式向中繼器傳輸數(shù)據(jù)；二是采集器，包括壓力采集器、溫度采集器、差壓采集器、液流采集器、氣流采集器等；

(2)中繼器，它接收采集器發(fā)送的數(shù)據(jù)信號并將其無線轉(zhuǎn)發(fā)給接收機(jī)；

該系統(tǒng)采用無線傳輸方式，通過RJ45接口或DB9接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偪厥遥瑢?shí)現(xiàn)對局域網(wǎng)的無線傳輸；

最后一部分是現(xiàn)場控制中心，數(shù)據(jù)在PC上經(jīng)過顯示、分析和處理[5]。

一、采集設(shè)備。

地測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集的是壓力，溫度，流量和壓差信號。按現(xiàn)場需要主要有壓力采集器、溫度采集器、流量采集器等。其主要功能是采集測點(diǎn)數(shù)據(jù)，并以無線射頻方式向中繼器傳輸所采集到的信息。

該數(shù)據(jù)采集器主要完成傳感器信號輸入、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換(不需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可直接由MCU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換)、傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和記錄，并通過無線射頻向中繼器傳送所采集的信息。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、電池電源管理五部分組成。該方法是通過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將傳感器采集的測點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后傳送到低功耗的單片機(jī)上，經(jīng)處理后通過射頻電路和天線傳送到中繼器上。采集器與中繼器可以雙向通信，即采集器既能向中繼器發(fā)送數(shù)據(jù)信息，又能通過中繼器將操作指令傳遞給采集器。

該系統(tǒng)采用無線通訊協(xié)議作為分時(shí)協(xié)議，工作頻率為433MHz，檢測和現(xiàn)場測試效果良好。

二、接收機(jī)。

接收端的主要功能是通過無線信道接收中繼器或收集器發(fā)出的數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)口經(jīng)局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制中心。當(dāng)與中央服務(wù)器的連接中斷時(shí)，通過臨時(shí)無線信道發(fā)送的數(shù)據(jù)就會被傳送到板載的Flash中，在正常連接之后，將Flash中的數(shù)據(jù)重新發(fā)送到中央服務(wù)器。增音機(jī)與接收機(jī)可以雙向通訊。

接收裝置工作時(shí)置于現(xiàn)場控制中心，由外部電源供電。該接收機(jī)采用高性能的嵌入式CPU和大功率的收發(fā)模塊，采用高增益的全向天線，以確保采集器或中繼器發(fā)出的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)接收。

油品地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)的現(xiàn)場測試；

(1)試油地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在富順1井進(jìn)行現(xiàn)場測試，試油層為下二層；地面測試設(shè)備有節(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)備有0~70MPa壓力采集器1個(gè)，0~16MPa壓力采集器1個(gè)，-50℃~150℃溫度采集器1個(gè)，液流采集器1個(gè)，中繼器1個(gè)，網(wǎng)絡(luò)集線器1個(gè)，網(wǎng)線1個(gè)，接收器1個(gè)，便攜式電腦1個(gè)，無線數(shù)據(jù)采集軟件1個(gè)。

在套壓處安裝0~70MPa壓力采集器，在流量計(jì)孔板上壓處安裝0~70MPa壓力采集器，在熱交換器出口安裝-50℃~150℃，在設(shè)備上未安裝流量采集器，作為測量設(shè)備傳輸距離和抗干擾能力的工具。接收天線安裝在數(shù)據(jù)采集機(jī)房的頂部。接收和網(wǎng)絡(luò)集線器位于數(shù)據(jù)采集室。以下是試驗(yàn)結(jié)果：

在沒有安裝中繼器的情況下，套壓和換熱器處的信號都比較好，在井場中的效果都很好；

(2)增壓器安裝在鉆臺司鉆房頂，經(jīng)中轉(zhuǎn)后全部送至接收機(jī)，具有良好的效果。在距采集房約800m的地方放置流量采集器，傳輸信號良好，無數(shù)據(jù)丟失；

(3)酸化時(shí)兩臺壓裂車同時(shí)開動泵工作，整個(gè)工作過程中無干擾信號產(chǎn)生，無線采集裝置工作穩(wěn)定；

與有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)值一致，精度相當(dāng)，且沒有明顯的時(shí)滯。

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