基于無線傳感技術的油氣井地面測試系統

胥 林 ，張 琴 ，王丹東 ，胡長翠

（1.西南石油大學 計算機科學學院，四川 成都610500；2.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，四川 廣漢618300）

隨著油氣勘探開發[1]的不斷深入，對試油資料錄取質量的要求越來越高。目前國內外油氣井地面測試數據采集系統都采用有線傳輸方式，而隨著油氣井測試的數字化、自動化越來越強，測試采集參數越來越多，有線地面測試數據采集系統被無線地面測試數據采集所替代是必然的趨勢。它也將成為油田進行科學試油的發展方向。

有線地面測試數據采集系統已廣泛應用于油氣井試油地面測試作業中，經過現場應用，發現該系統存在以下不足：(1)現場作業環境惡劣，布線困難，工作量大；(2)地面溫度太低時，易導致信號傳輸電纜破裂損壞；(3)信號電纜維護成本較高；(4)信號電纜現場出現故障時，檢修焊接不方便；(5)現場布置的信號電纜經常被割走等。

針對以上問題，提出了數字化、無線化、智能化的設計模式，研制開發了一套無線地面測試數據采集及管理系統，實現了現場測試數據實時采集并無線傳輸到現場操作中心計算機進行顯示、存儲和處理等功能。

1 系統目標

本系統主要采用采集器與中間服務器相連，采集器采集傳感器的數據，然后通過無線射頻方式將數據傳送到中間服務器。中間服務器將接收到的無線射頻信號進行數據的整合處理，并將處理后的數據通過局域網傳送到工控機中進行存儲、顯示、處理等。該技術具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、延時短、成本低等優點。此外在該系統中，與傳感器配套的無線采集終端具有數據處理能力，能夠根據用戶需求增加多種智能化的功能，提供了更多、更有效的數據處理、統計分析、決策輔助等功能[2-4]。

2 試油地面測試數據無線采集系統設計

2.1 無線采集監控裝置的體系結構

根據多年現場測試經驗和部分井的實際情況，試油地面測試數據測點距離現場控制中心直線距離約500 m，井場內常有壓裂車、酸罐、泥漿池等大型遮擋物。無線射頻方式傳輸距離與功率成正比，功率越大則傳輸距離越遠，電池的使用壽命越短，成本越高。為了降低直接成本，采集器必須設計為低功耗，而低功耗采集器通過試驗，在周圍無大型遮擋物的情況下，傳輸距離為500 m左右，不能滿足現場測試需要。為了很好地解決既節約用電又有較遠的傳輸距離這個矛盾，該系統設計了中繼器，將信號放大后再傳輸給接收器。

油氣井鉆采集測試現場每個節點都有固定的地址，數據的傳輸采用主從站方式，節點數量不多，而且都處于主站的無線通信范圍內，由主站統一控制網絡內的通信時序。根據這一特點，無線采集監控裝置設計為一個實用的集中式無線傳感器網絡，如圖1所示。

系統采用先進的三層結構，并采用模塊化、結構化的設計，最底層數據服務層由SQL Server數據庫承擔，通過表、視圖、存儲過程、觸發器、規則和缺省值等工具進行數據控制，以事務方式保證數據完整性和一致性。中間層為業務邏輯層，以DLL動態庫或后臺服務的方式，完成數據的業務邏輯處理。頂層位為表示層，以應用程序或網頁的形式提供人機接口，負責數據的輸入輸出。它通過業務邏輯層與數據服務層打交道，獲取或提交需要的數據。系統層次結構圖如圖2所示。

2.2 數據流程

圖2 系統層次結構圖

首先由低功耗傳感器將模擬量傳給采集板，采集板進行A/D轉換生成數字信號，然后通過無線方式發給中繼器，中繼器再以無線方式轉發給接收器，接收器通過局域網絡，以TCP/IP方式發給控制中心。控制中心通過一個上位機，負責數據采集，并利用ADO技術將數據實時存儲到SQL Server數據庫中；同時控制中心還通過一個下位機，負責數據管理，它與上位機共用同一個SQL Server數據庫，也利用ADO技術對數據庫進行讀寫操作，生成實時曲線及預警報警，完成采集數據的歷史曲線回放、打印、數據計算、數據查詢、導出及基本信息維護等工作。

3 無線采集監控裝置的終端硬件設計

地面測試數據自動采集及無線傳輸系統硬件包括四部分：第一部分為數據采集器，負責采集傳感器的數據，然后通過無線射頻方式將數據傳送到中繼器；采集器又分為壓力采集器、溫度采集器、差壓采集器、液體流量采集器和氣體流量采集器等；第二部分為中繼器，它接收采集器發來的數據信號并無線轉發給接收器；第三部分為接收器，它在總控室內通過無線接收中繼器發來的數據，并通過RJ45口或DB9接入局域網；第四部分為現場控制中心，通過PC機對數據進行顯示、分析和處理[5]。系統層次結構圖如圖3所示。

3.1 采集器

地面測試數據采集系統主要采集壓力、溫度、流量和差壓信號。根據測試現場需要主要有壓力采集器、溫度采集器、流量采集器等。主要功能是采集測點數據，并通過無線射頻方式將采集到的信息無線發送到中繼器。

數據采集器主要完成傳感器信號輸入、ADC模數轉換（脈沖輸出型流量計無需進行A/D轉換，可以直接由MCU進行檢測）、采集和記錄傳感相關數據，并通過無線射頻方式將采集到的信息無線發送到中繼器。采集器由傳感器、單片機、ADC模數轉換電路、無線射頻芯片和電池電源管理五個部分構成。即傳感器采集測點數據通過ADC模數轉換電路轉換為數字信號后傳輸給低功耗單片機（MCU），單片機經過處理后通過射頻電路和天線發送給中繼器。采集器和中繼器之間可以雙向通信，即采集器可以向中繼器發送數據信息，同時也可以通過中繼器向采集器傳遞操作指令。采用無線通信協議為分時協議，工作頻率為 433 MHz，通過檢測和現場試驗，效果良好。采集器內部結構如圖4所示。

3.2 接收器

接收器主要功能是通過無線通道接收中繼器或采集器發出的數據，并將接收到的數據通過網口經局域網傳送到控制中心。與中心服務器連接中斷時，暫存無線通道送來的數據到板載的Flash中，待正常連接后，將Flash中的數據補發給中心服務器。中繼器和接收器之間可以雙向通信。接收器內部結構如圖5所示。

接收器工作時放置在現場控制中心，采用外電源供電。接收器的設計選用了高性能的嵌入式CPU和大功率收發模塊，配置高增益的全向天線，保證實時接收采集器或中繼器傳來的數據。

4 試油地面測試數據無線采集系統現場測試

試油地面測試數據采集系統在富順1井開展了現場試驗，測試層位為須二下段；地面測試設備為節流管匯、轉向管匯、熱交換器、分離器、數據采集房等；無線采集系統設備為 0～70 MPa壓力采集器 1只，0～16 MPa壓力采集器1只，-50℃～150℃溫度采集器 1只和液體流量采集器1只，中繼器1只，接收器1只，網絡集線器1只，網線1根，接收機天線 1根，筆記本電腦 1臺和無線數據采集軟件。

0～70 MPa壓力采集器安裝在套壓處，0～16 MPa壓力采集器安裝在流量計孔板上壓處，-50℃～150℃溫度采集器安裝在熱交換器出口處，流量采集器未安裝在設備上，作為測量設備傳輸距離和抗干擾能力。接收機天線安裝在數據采集房房頂上。接收機和網絡集線器放在數據采集房內。測試具體情況如下：

(1)未安裝中繼器時，套壓和熱交換器處信號較好，井場內效果均良好；

(2)中繼器放置在鉆臺司鉆房頂，所有采集器通過中轉后發送給接收機，效果非常好。將流量采集器放置在距采集房約800 m處，傳輸信號良好，無數據丟失情況發生；

(3)酸化時兩臺壓裂車同時開泵工作，整個工作期間無干擾信號產生，無線采集器工作穩定；

(4)和有線數據采集系統相比，測試數據值一致，精度相當，無明顯延時滯后現象。

現場無線采集器布置圖及系統測試曲線圖如圖6、圖7所示。

本文中的地面測試數據無線采集系統，改變了原有線采集傳輸方式，實現了地面測試數據采集無線傳輸功能，解決了試油測試現場布線困難等實際問題。通過現場試驗，研制開發的無線地面數據采集及管理系統運行可靠、性能穩定、安全性高、自動化程度高、仿真效果直觀、數據庫集中管理數據、數據處理準確可靠，充分滿足了油氣井試油信息的數據采集、監視控制和信息處理的需要，實現了試油地面測試數據采集系統的升級。

[1]馬永峰，莊建山，張紹禮.油氣井測試工藝技術(第1版)[M].北京：石油工業出版社，2007.

[2]李永紅，那凱鵬.基于無線傳感網絡技術的糧庫監控網絡的研究[J].儀表技術，2008(11)：47-49.

[3]潘偉，黃東.基于Zigbee技術的無線傳感網絡研究[J].計算機技術與發展，2008，18(9)：541-544.

[4]董海濤，屈玉貴，趙保華.Zigbee無線傳感器網絡平臺的設計與實現[J].電子技術應用，2007，33(12)：125-126.

[5]李海濤，儀維，吳筱堅.PIC單片機應用開發典型模塊[M].北京：人民郵電出版社，2007：243-249.