基于無源無線感知技術(shù)的油田油井一體化數(shù)據(jù)采集裝置研究

李兵元 李愷 韓光 丁煜暉

[摘? ? 要] 結(jié)合無源無線傳感技術(shù)和低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一種一體化的油田油井數(shù)據(jù)采集裝置。裝置集成了無源無線儀表采集解析模塊、無線本地查詢模塊、低功耗廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)遠傳模塊及RFID資產(chǎn)管理模塊。整合了油井工作狀態(tài)管理所需的所有幾乎功能，簡化了管理流程，使單井成為物聯(lián)網(wǎng)的一個全功能基本單元，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、資產(chǎn)信息和人員工作的融合統(tǒng)一管理提供了基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 聲表面波;無源無線;數(shù)據(jù)采集;LORA;低功耗廣域網(wǎng)

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 01. 040

[中圖分類號] F270.7? ? [文獻標識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2020）01- 0094- 04

0? ? ? 引? ? 言

在油田日常運行管理中，油井的工作狀態(tài)監(jiān)控是重中之重。為清楚了解、有力監(jiān)督油田油井的作業(yè)情況，各油田都建立了比較完善的油井巡檢巡更制度。然而在實際工作中，由于油井數(shù)量繁多，油井位置偏遠且分散，油井數(shù)據(jù)采集自動化程度低，人員勞動強度大疲勞程度高，巡檢制度的執(zhí)行往往無法到位，存在漏檢、誤報等情況，造成油井工作狀況數(shù)據(jù)缺失或數(shù)據(jù)不實，給實際的生產(chǎn)監(jiān)督造成困擾。同時，大量的管理數(shù)據(jù)依靠手工記錄謄寫，電子化程度低，并且與設(shè)備資產(chǎn)管理脫節(jié)嚴重，使油井管理信息更新滯后，缺乏統(tǒng)一性和綜合性。

在油田進一步減員增效的背景下，對油井工作狀態(tài)管理的自動化和智能化的要求越來越迫切?；谝苿踊ヂ?lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，相關(guān)研究工作者提出了一些方案來提升其智能化水平，例如基于RFID和移動互聯(lián)網(wǎng)的油井巡檢系統(tǒng)[1]，基于LoRa低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[2]等。但這些系統(tǒng)往往只考慮單一功能，對巡檢、數(shù)據(jù)采集、資產(chǎn)信息、人員管理的整合缺乏綜合考慮。這一方面是由于目前油井設(shè)備的自動化監(jiān)測程度仍然不高，無線傳感系統(tǒng)發(fā)展尚未成熟，仍然需要人員頻繁地進行巡檢維護及更換電池，另一方面油井監(jiān)測傳感設(shè)備和資產(chǎn)隨年代不斷增加且設(shè)備間各自為戰(zhàn)，對采集設(shè)備本身的管理進一步增加了管理的復(fù)雜度，缺乏一種具有高集成度的采集裝置來簡化工作流程。

無源無線傳感技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種新型傳感技術(shù)，其最大的優(yōu)勢在于傳感器一側(cè)無須任何電池供電，因此如果傳感器本身不發(fā)生損壞，就無須考慮電池壽命等附加問題，同時其采集頻次也不再受到電池容量的限制，并且在防爆環(huán)境中極易實現(xiàn)本質(zhì)安全。實現(xiàn)無源無線傳感的一種重要方法是聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）傳感技術(shù)[3]，目前已通過該技術(shù)實現(xiàn)了溫度和壓力的傳感[4-6]。本文結(jié)合無源無線傳感技術(shù)和低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一種一體化的油田油井數(shù)據(jù)采集裝置，該裝置集成了無源無線儀表采集解析模塊、無線本地查詢模塊、低功耗廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)遠傳模塊及RFID資產(chǎn)管理模塊。無源無線儀表解析模塊采用可重構(gòu)的射頻硬件結(jié)構(gòu)，可兼容多種無源無線儀表和其他無線儀表;內(nèi)部采用標準的485總線和Modbus協(xié)議，可對接多種低功耗廣域網(wǎng)傳輸模塊;一體化數(shù)據(jù)采集裝置可同時實現(xiàn)無源無線儀表解析、數(shù)據(jù)遠傳平臺記錄、手持終端井口數(shù)據(jù)采集、資產(chǎn)管理和巡檢，整合了油井工作狀態(tài)管理所需的所有幾乎功能，簡化了管理流程，使單井成為物聯(lián)網(wǎng)的一個全功能基本單元，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、資產(chǎn)信息和人員工作的融合統(tǒng)一管理提供了基礎(chǔ)。

1? ? ? 一體化數(shù)據(jù)采集裝置架構(gòu)與功能

一體化數(shù)據(jù)采集裝置架構(gòu)和實物如圖1所示，由無源無線儀表解析模塊、WiFi本地查詢數(shù)據(jù)模塊，低功耗廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)遠傳模塊以及作為資產(chǎn)管理模塊入口的戶外特種RFID。一體化數(shù)據(jù)采集裝置的電源采用12V直流供電，可以方便地布置在井口任意位置。

一體化數(shù)據(jù)采集裝置的功能如圖2所示，通過不同的模塊可以完成如下功能：

①傳感器數(shù)據(jù)采集;

②井口現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄;

③數(shù)據(jù)遠傳和定期采集;

④資產(chǎn)管理和巡檢。

無源無線儀表解析模塊是該裝置的核心，此模塊完成所有的井口儀表數(shù)據(jù)的采集和解析。該模塊由可重構(gòu)的射頻模塊和數(shù)字處理模塊構(gòu)成，不僅可以讀取無源無線儀表的信息，還可以讀取其他無線傳感器的信息，具備采集多種無線傳感器的能力。該模塊的原理和實現(xiàn)在本文之后的章節(jié)里介紹。

無源無線儀表解析模塊通過485總線以Modbus協(xié)議與WiFi本地通訊模塊和低功耗廣域網(wǎng)遠傳模塊通信，可兼容多種近距和遠傳通信方式。

WiFi本地查詢模塊與配套的手持終端配合，可以完成對儀表數(shù)據(jù)的本地查詢和數(shù)據(jù)記錄，既照顧了油田原有的生產(chǎn)巡檢習(xí)慣，在遠傳通路出現(xiàn)故障時，也能保障監(jiān)測工作的正常進行。

低功耗廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)遠傳模塊通過以LoRa為代表的遠距傳輸技術(shù)，將采集得到的信息按照設(shè)定的采集周期傳輸至遠端的數(shù)據(jù)平臺，完成數(shù)據(jù)的自動采集、記錄和分析。

一體化數(shù)據(jù)采集裝置集成有適用于戶外的特種RFID，可作為資產(chǎn)信息管理和智能巡檢的入口，目前已具有如下功能：①可記錄油井的資產(chǎn)設(shè)備臺賬、維修、更換、位置等信息;②可調(diào)用后臺數(shù)據(jù)庫的實施信息及歷史信息;③可擴展工作單下發(fā)、到場考勤、故障上傳、巡檢路徑等工作。

通過應(yīng)用一體化閱讀器，可同時實現(xiàn)無源無線儀表解析、數(shù)據(jù)遠傳平臺記錄、手持終端本地抄表、資產(chǎn)管理和巡檢等多種功能，使單井成為油田物聯(lián)網(wǎng)的一個全功能基本單元，為實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、資產(chǎn)信息和人員工作的融合統(tǒng)一管理提供了基礎(chǔ)。

2? ? ? 無源無線傳感器

在井口參數(shù)傳感方面，數(shù)據(jù)采集裝置采用基于聲表面波的無源無線傳感器為核心，該類傳感器不需要電池，對于油井這種戶外分散的環(huán)境下，在維護和安裝上具有很大的優(yōu)勢。其基本技術(shù)是SAW諧振器，原理如圖3 所示，閱讀器通過閱讀器天線發(fā)射窄帶電磁波，該電磁波被傳感器天線接收，激勵由壓電工藝制作的單端口SAW諧振器，通過逆壓電效應(yīng)，叉指換能器（IDT）將傳感器天線接收的電磁波轉(zhuǎn)換為SAW。單端口聲表面波諧振器的實際諧振頻率則由諧振腔的結(jié)構(gòu)以及基片所處的環(huán)境影響決定（如被測物處的溫度、應(yīng)變等）。當激勵消失之后，帶內(nèi)各頻率分量的聲表面波會以不同的時間常數(shù)自由衰減振蕩，只有頻率與SAWR固有諧振頻率相同的電磁波持續(xù)時間最長。IDT通過壓電效應(yīng)將SAW再次轉(zhuǎn)化為電磁波并由天線輻射出來。閱讀器接收被測量影響的衰減振蕩電磁波后估計出其諧振頻率，可實現(xiàn)相關(guān)傳感量的無線測量。

由SAW的工作原理可知，如果僅以單個SAW諧振器進行測量，則諧振頻率必然會受到工作環(huán)境變化的影響，導(dǎo)致測量結(jié)果失真，同時現(xiàn)場還存在其他干擾。為此，每個SAW傳感器均采用兩個諧振器組成差動結(jié)構(gòu)，兩個諧振器布置在基片上的不同位置，將兩個諧振器之間的頻率差值作為測量的依據(jù)，從而抵消干擾的影響。

結(jié)合油田工況的實際需要，我們設(shè)計研發(fā)了壓力和溫度兩種傳感器，其中壓力傳感器量程0～6MPa，敏感區(qū)間0～3.5MPa，敏感區(qū)間內(nèi)精度達到0.5級。溫度傳感器測量范圍-40℃～200℃，敏感區(qū)間-40℃～160℃，敏感區(qū)間內(nèi)精度達到0.5級。圖4、圖5分別是用于油井的溫度傳感器和壓力傳感器實物，兩者封裝均兼容現(xiàn)有油井的標準安裝接口，安裝工藝和原有機械儀表一致。

從工作原理可知，對該類傳感器的數(shù)據(jù)解析不能通過傳統(tǒng)的無線通信方式進行，需要設(shè)計專門的解析模塊，該模塊也將成為一體化數(shù)據(jù)采集裝置的核心。在本文的第3部分將對該模塊的實現(xiàn)進行詳細的介紹。

3? ? ? 無源無線儀表解析模塊的實現(xiàn)

從第2部分的SAW工作原理和油田的實際應(yīng)用需求可知，無源無線解析模塊不能簡單地采用一般的無線數(shù)字通信體制，并且差動結(jié)構(gòu)的傳感器還對解析模塊查詢的動態(tài)型提出了要求。另一方面，為了兼容其他類型的無線傳感器，需要針對SAW無源無線傳感器的特點，開發(fā)具備可重構(gòu)能力的解析模塊。同時為了利于推廣，模塊的成本也不宜過高。

為在可控成本內(nèi)實現(xiàn)這些要求，解析模塊采用了如圖6的框架結(jié)構(gòu)，整個模塊由發(fā)射鏈路和接收鏈路組成。兩個集成發(fā)射器和一個合路器用于產(chǎn)生同時包含兩個諧振器頻率的激勵信號，從而可以同時激勵差動式傳感器的兩個諧振器，具備很好的查詢動態(tài)性，同時相比過去采用高速DA和混頻器的方案，成本顯著降低。圖7是采用這種發(fā)射架構(gòu)得到的傳感器回波信號。

激勵信號經(jīng)過功率放大后經(jīng)天線發(fā)射至傳感器，傳感器被激勵后反射回波信號，回波信號經(jīng)過天線和低噪聲放大器后，被下變頻器直接下變頻至基帶，經(jīng)濾波和調(diào)理后由AD進行數(shù)字化，再由數(shù)字信號處理器進行解析。

這種結(jié)構(gòu)具備良好的查詢動態(tài)性，相較高速DA和混頻器方案具備顯著的成本優(yōu)勢。同時收發(fā)結(jié)構(gòu)可以直接兼容其他的數(shù)字調(diào)制方式如FSK、PSK、ASK等，可以直接兼容其他的無線傳感器。

4? ? ? 現(xiàn)場應(yīng)用

在新疆油田公司某油田選取了25口生產(chǎn)井進行了無源無線傳感器和一體化數(shù)據(jù)采集裝置。圖8是現(xiàn)場安裝情況。

測量數(shù)據(jù)通過Lora網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控平臺，傳感器運行狀況良好，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，如圖9所示。

同時進行了配套手持終端的部署和應(yīng)用，通過手持終端可完成對數(shù)據(jù)的現(xiàn)場獲取和對油井各種設(shè)備的資產(chǎn)信息管理，如圖10所示。

5? ? ? 結(jié)? ? 論

本文結(jié)合無源無線傳感技術(shù)和低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一種一體化的油田油井數(shù)據(jù)采集裝置，該裝置集成了無源無線儀表采集解析模塊、無線本地查詢模塊、低功耗廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)遠傳模塊及RFID資產(chǎn)管理模塊。針對無源無線儀表特點，設(shè)計了解析模塊，且無源無線儀表解析模塊采用可重構(gòu)的射頻硬件結(jié)構(gòu)，可兼容多種無源無線儀表和其他無線儀表;內(nèi)部采用標準的485總線和Modbus協(xié)議，可對接多種低功耗廣域網(wǎng)傳輸模塊;一體化數(shù)據(jù)采集裝置可同時實現(xiàn)無源無線儀表解析、數(shù)據(jù)遠傳平臺記錄、手持終端井口數(shù)據(jù)采集、資產(chǎn)管理和巡檢，整合了油井工作狀態(tài)管理所需的所有幾乎功能，簡化了管理流程，使單井成為物聯(lián)網(wǎng)的一個全功能基本單元，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、資產(chǎn)信息和人員工作的融合統(tǒng)一管理提供了基礎(chǔ)。

主要參考文獻

[1]黃慧鵬.油田采油井站巡檢系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2016（6）：170-172，176.

[2]孟開元，韓佳佳，曹慶年，等.基于LoRa技術(shù)的油田井口數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].智能計算機與應(yīng)用，2017，7（6）：83-85.

[3]韓韜，吉小軍，李平，等.聲表面波無線無源傳感器[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2018，52（10）：1314-1323.

[4]T Han，C Zhang， Yue Hu，et al.Recent Research Results on Wireless Passive Acoustic Sensors for Smart Grids Application[C]//Proceedings of 2016 IEEE International Ultrasonics Symposium（IUS）Conference，2016：1-5.

[5]Along Kang，Jinqiu Lin，Xiaojun Ji，et al.A High-sensitivity Pressure Sensor Based on Surface Transverse Wave[J]. Sensors & Actuators A：Physical，2012，187：141-146.

[6]劉有群.脈沖查詢式無線聲面橫波壓力傳感器系統(tǒng)[C]//2011中國西部聲學(xué)學(xué)術(shù)交流會論文集，2011：4.