基于GPRS的數(shù)字油田智能監(jiān)控系統(tǒng)

付長(zhǎng)順 侯萬(wàn)雍 金德明 趙長(zhǎng)宏

(遼寧遼河泰利達(dá)石油技術(shù)有限公司,遼寧 盤(pán)錦 124010)

隨著無(wú)線通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，智能監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的一種技術(shù)，遠(yuǎn)程智能監(jiān)控也已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)[1]。數(shù)字油田智能監(jiān)控具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、提高效率和方便管理者的優(yōu)點(diǎn)；對(duì)每一口油井的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以為分析某一區(qū)域的生產(chǎn)能力和編制新開(kāi)發(fā)方案提供依據(jù)；監(jiān)測(cè)到的單井油溫、油壓、套壓、載荷及示功圖等數(shù)據(jù)是油田企業(yè)重要的信息。

遼河油田曙光采油廠油水井?dāng)?shù)量眾多，但由于油水井地理位置分布比較分散并且距離較遠(yuǎn)，使得實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變得非常困難[2]。針對(duì)油田油水井存在地理位置較為分散并且距離較遠(yuǎn)的問(wèn)題，筆者借助GPRS通信方式設(shè)計(jì)了一種對(duì)油水井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)字油田智能監(jiān)控系統(tǒng)。

數(shù)字油田智能監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線傳感器、數(shù)據(jù)接收終端、GPRS模塊、無(wú)線路由器和服務(wù)器組成，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)采集端

數(shù)據(jù)采集端主要由無(wú)線傳感器(WM1000-TW1型無(wú)線溫度傳感器和WM1000-PLW1型無(wú)線壓力傳感器)、RTU和GPRS模塊組成，完成數(shù)據(jù)采集和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能。RTU負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場(chǎng)傳感器的數(shù)據(jù)，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。

1.2 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是整個(gè)數(shù)字油田智能監(jiān)控系統(tǒng)的處理、操作和監(jiān)控核心，包含數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理兩部分。監(jiān)控中心配置了Web服務(wù)器和SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，用于存儲(chǔ)當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)，方便用戶查詢，同時(shí)監(jiān)控中心的服務(wù)器還接入了互聯(lián)網(wǎng)，能夠?qū)崟r(shí)發(fā)布數(shù)據(jù)。

無(wú)線數(shù)據(jù)接收部分接收數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)據(jù)處理部分可從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理部分由SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和Web服務(wù)器組成：SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于保存數(shù)據(jù)，Web服務(wù)器用于顯示采集到的數(shù)據(jù)。

監(jiān)控中心為申請(qǐng)的固定IP地址(即專網(wǎng)接入)，采用GPRS方式接收數(shù)據(jù)。

2 通信方式的選擇

目前常用的無(wú)線通信方式有GPRS、Wi-Fi、無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)、衛(wèi)星通信及ZigBee等，根據(jù)系統(tǒng)不同部分的位置和各無(wú)線通信方式的特點(diǎn)，各部分選擇相應(yīng)的無(wú)線通信方式。本系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線傳感器與數(shù)據(jù)采集端由于距離比較近，采用ZigBee方式；監(jiān)控中心與現(xiàn)場(chǎng)距離較遠(yuǎn)，采用GPRS方式[3]。

ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它具有功耗低、成本低、支持大量節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?fù)雜度低、可靠及安全等特點(diǎn)。

GPRS是位于2G和3G之間的移動(dòng)通信技術(shù)。它通過(guò)利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。它具有延遲時(shí)間短、通信不受距離及地理位置限制等特點(diǎn)。GPRS移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的信道提供TCP/IP連接[4]，并可用于Internet連接及數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線傳感與RTU之間的通信

使用RTU之前，需要進(jìn)行參數(shù)配置，RTU需設(shè)置的參數(shù)主要有：串口通信參數(shù)配置、通信端口參數(shù)、信道設(shè)置及IP地址(申請(qǐng)的固定IP)設(shè)置等。

3.2 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心的軟件設(shè)計(jì)需要完成無(wú)線數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理兩部分。監(jiān)控中心采用Visual Studio 2010作為開(kāi)發(fā)工具完成軟件的設(shè)計(jì)。

無(wú)線數(shù)據(jù)接收部分采用VB編程。首先判斷申請(qǐng)者是否為專網(wǎng)用戶，如果是專網(wǎng)用戶，則允許將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)；將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)后，數(shù)據(jù)處理部分就能隨時(shí)查詢和調(diào)用數(shù)據(jù)了。

數(shù)據(jù)處理部分采用ASP.NET技術(shù)，使用C#編程，數(shù)據(jù)連接采用LINQ技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)Web與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。LINQ可以查詢Access、SQL Server及Oracle等數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)處理部分主要完成數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表打印、功圖量油及動(dòng)液面測(cè)試等功能。

功圖量油的基本原理是有效沖程法，它主要是通過(guò)示功圖的有效沖程長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算油井的液量[5]。有效沖程法計(jì)量過(guò)程如圖2所示。首先通過(guò)安裝于井口的示功儀測(cè)得油井的地面示功圖，然后通過(guò)Gibbs波動(dòng)方程的初始條件、連接條件和邊界條件建立數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算井下泵功圖。再采用梯度法來(lái)計(jì)算泵功圖的拐點(diǎn)，進(jìn)而通過(guò)圓或橢圓逼近的方式獲取油井的凡爾開(kāi)閉點(diǎn)。最后通過(guò)獲取的凡爾開(kāi)閉點(diǎn)來(lái)計(jì)算油井的有效沖程長(zhǎng)度，從而達(dá)到計(jì)算油井產(chǎn)量的目的。

圖2 有效沖程法計(jì)量過(guò)程

抽油系統(tǒng)在正常工況下，油管錨定時(shí)泵示功圖為矩形，橫坐標(biāo)表示活塞沖程，縱坐標(biāo)表示液體載荷，泵在無(wú)漏失時(shí)產(chǎn)液量的計(jì)算公式為：

(1)

式中A——柱塞橫截面積，m2；

N——沖次，次/min；

Q——井口日產(chǎn)液量，m3；

S——柱塞有效沖程，m；

ε——泵的充滿系數(shù)。

動(dòng)液面深度是油機(jī)井的井口到井下油層表面的距離，由動(dòng)液面深度還可計(jì)算出井管內(nèi)的平均聲速。動(dòng)液面深度、井管內(nèi)的平均聲速與其他測(cè)試項(xiàng)目的結(jié)果相結(jié)合可以充分反映抽油機(jī)井的工作狀態(tài)和產(chǎn)量情況，為油井的診斷和維護(hù)提供依據(jù)。

動(dòng)液面深度測(cè)試儀器通過(guò)采集由安裝在井口的炮槍發(fā)出并經(jīng)過(guò)井管接頭反射的節(jié)箍波信號(hào)和經(jīng)過(guò)油層表面反射的液面波信號(hào)，找出井口位置、動(dòng)液面位置和基準(zhǔn)節(jié)箍波，然后利用公式來(lái)計(jì)算動(dòng)液面深度。節(jié)箍波和液面波波形如圖3所示。

圖3 節(jié)箍波和液面波波形

動(dòng)液面深度計(jì)算公式為：

(2)

其中，A、B、C和D分別代表井口位置、液面位置、參考節(jié)箍波起點(diǎn)和參考節(jié)箍波終點(diǎn)；L為單節(jié)井管長(zhǎng)度；N為介于C、D之間的參考節(jié)箍波個(gè)數(shù)。由于每個(gè)節(jié)箍波對(duì)應(yīng)一節(jié)井管，因此N就是C、D之間的井管個(gè)數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于GPRS的數(shù)字油田智能監(jiān)控系統(tǒng)成功設(shè)計(jì)后，目前已在遼河油田曙光采油廠投入運(yùn)行，整個(gè)數(shù)字油田智能監(jiān)控系統(tǒng)工作正常，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)油水井的實(shí)時(shí)智能監(jiān)控和數(shù)據(jù)的Web發(fā)布，方便了公司的管理和監(jiān)控，提高了工作效率。GPRS模式的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，較好地完成了通信。該系統(tǒng)能夠滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控，很好地體現(xiàn)了系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，滿足了曙光采油廠的實(shí)際工作要求。

[1] 高志亮,梁寶娟.數(shù)字油田在中國(guó):油田物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與進(jìn)展[M].北京:科學(xué)出版社,2013.

[2] 顧簡(jiǎn),施云波,修德斌,等.基于GPRS的環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011,19(3):61～64.

[3] 郭啟軍.基于GPRS的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].金華:浙江師范大學(xué),2009.

[4] 郭少華,李曉林,李麗宏.基于Modbus/TCP協(xié)議和ASP.NET技術(shù)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011，19(3):21～24.

[5] 王秀娟,張立慶,宋子學(xué),等.一種改進(jìn)的功圖量油技術(shù)及應(yīng)用研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版理工卷),2010,7(3):242～244.