油井多參量遠程監測系統設計

(蘭州工業學院電子信息工程系,甘肅 蘭州 730050)

0 引言

隨著石油工業的發展，智能儀器儀表在油氣開發中得到越來越廣泛的應用與發展，而油井多參量監測技術已成為智能油田生產過程中的一個熱點問題。但是采油廠一般地處偏遠、環境相對惡劣地區，因此對測量系統本身提出了較高要求。另外，來自各類傳感器的數據量龐大，加之油層地質結構和地層壓力、溫度等諸多因素影響，給數據處理和解釋[1]帶來了巨大挑戰。因此，有必要引進新的方法加以優化。而嵌入式技術可把軟件固化、集成到硬件系統中，將硬件系統與軟件系統一體化，構成嵌入式系統。若嵌入式系統能夠連接到Internet，則可以方便、低廉地將信息傳送到幾乎世界上的任何一個地方。

基于此，本文提出一種以嵌入式技術搭建油井多參量遠程監測系統的設計方法。在此系統中，油井開采現場傳感器把采集的各類油井參量信息交給嵌入式操作系統VxWorks[2]進行處理，以滿足油井多參量采集模塊的實時多任務要求；而控制中心可通過嵌入式Web服務器GoAhead[3-4]訪問PC104，實現原油組分信息可視化和相關油井、儀表參數設置的任務。

1 系統構成

監測系統主要由現場儀表和系統控制單元組成。現場儀表包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量測量傳感器、含水率監測傳感器、含氣率監測傳感器、含沙量監測傳感器；系統控制單元包括現場儀表信號的采集和計算處理。系統功能框圖如圖1所示。

圖1 系統功能框圖

在該系統中，現場儀表部分為石油工業常用的標準儀表，系統將根據儀表使用說明進行應用；數據采集和控制單元為系統的核心部分。各模塊功能說明如下。

① 數據采集處理模塊采集現場儀表的監測信號，將采集到的儀表信號根據儀表參數進行數據轉換。

② 參數配置模塊包括儀表參數配置和油井參數配置。儀表參數配置模塊將根據系統所使用的儀表，對其進行配置，便于計算處理。其中，油井參數可用于配置油井的介質參數如油密度、水密度、氣密度等，此模塊功能主要通過Web服務器以遠程方式完成。

③ 壓力體積溫度(pressure-volume-temperature,PVT)轉換模塊將根據現場儀表數據將監測到的原油流量進行組分分析、計算，并將工況條件下的油井參數轉換為標況條件下對應的油井參數，方便分析油井的生產狀況。

④ 數據存儲模塊主要保存監測所得的油井數據，方便歷史數據的查詢和數據分析。

⑤ 遠程傳輸控制模塊主要實現監測數據的遠程傳輸等功能。

2 系統硬件

系統采用瑞士數字邏輯公司生產的MSM586SL PC104主板。PC104是Intel x86系列處理器，具有豐富的系統應用外設和標準接口，有較寬的工作溫度和較好的工業參數，廣泛應用于工業控制領域，適用于現場條件惡劣的油田開采環境。PC104微處理器通過工業標準結構(industrial standard architecture,ISA)總線與網卡和A/D轉換板[5]連接，建立了油井監測點與工業網絡的互聯通道。網卡接口對外通過RJ45網口與上位機通信。此外，PC104自帶RAM、ROM和Flash存儲器、串口等資源，方便應用。系統硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖

3 系統軟件

建立硬件平臺后，需要實現監測系統的軟件系統。首先需要完成VxWorks操作系統在PC104上的移植[6]，然后還需實現GoAhead在VxWorks上的移植。系統軟件部分由引導系統、操作系統、板卡驅動和應用軟件組成。系統上電后，先啟動DOS引導程序，調用VxLoad文件，VxLoad文件一旦啟動即調用BootRom引導文件；然后BootRom啟動VxWorks操作系統，操作系統初始化硬件系統接口，并調用應用軟件，使其進入工作狀態。系統軟件框圖如圖3所示。圖中的GoAhead服務器負責接收、處理和應答主控中心遠程用戶的請求。

圖3 系統軟件框圖

4 A/D驅動設計

在該系統中，油田開采現場儀表信號為4～20 mA的電流信號，信號經A/D轉換電路轉換為數字信號。數據采集單元負責A/D轉換電路的控制和儀表信號的轉換計算，將采集到的數字信號根據儀表配置參數轉換為監測值。如溫度傳感器，其根據油井溫度，輸出4～20 mA的電流信號。其中，4 mA代表溫度傳感器的量程下限，20 mA代表溫度傳感器的上限。數據采集單元將根據采集到的溫度傳感器電流和設置的量程上下限計算出油井的實際溫度。

油井多參量采集模塊主要具有A/D轉換以及I/O接口功能，驅動的開發主要由驅動函數與ioDrv()完成。按照A/D驅動的基本流程，系統首先啟動代碼調用驅動程序安裝函數adDrv()，然后調用設備創建函數，創建設備adDevCreate()，最后用戶可以調用VxWorks的標準I/O接口函數對設備進行操作。完成以上各項內容后，就基本完成了石油多參量采集模塊的驅動。在WindShell中可以調用I/O控制函數adIoctl()檢查設備是否正確識別。

5 基于GoAhead的遠程傳輸控制模塊

基于GoAhead的遠程傳輸控制模塊，使遠程用戶在瀏覽器地址欄輸入監測系統網址即可登錄系統、查看油井實時參量、設置儀表參數和油井參數等。如用戶可以在系統界面設置油井編號選擇不同的油井，通過點選開始測量按鈕，系統控制軟件根據所配置的油

井參數和采集到的現場儀表信號進行計算處理，將油井參量的計算結果輸出到當前監測界面。

6 結束語

本監測系統以PC104處理器為硬件平臺，利用VxWorks操作系統來處理復雜多變的油井參量信息，采用GoAhead實現網絡化的監控功能，遠程管理中心借助普通瀏覽器就可登錄PC104，實現對油井參數的實時訪問和設置。該系統所做的工作最終可為油田開采部門提供原油的油、水、氣等組分信息。同時，油田管理部門能及時了解油井生產狀況[7]、產能配置等情況，從而為其進行科學決策、優化生產管理提供技術保障。

[1] 周彬.基于VxWorks的原油產量動態監測系統設計[J].自動化與儀器儀表,2013(3):22-24.

[2] 蔣爽,袁成奎.基于VxWorks的復雜道口監控系統軟件研究[J].鐵道通信信號,2011,47(1):8-9,10.

[3] 安佰秀.基于嵌入式Web服務器的監測系統設計[D].青島：山東科技大學，2011.

[4] 周彬,秦玉娟,劉馨.基于GoAhead的油井多參量遠程監測系統的設計[J].低壓電器,2013(11):23-26.

[5] 徐惠民.基于VxWorks的嵌入式系統及試驗[M].北京:北京郵電大學出版社,2006.

[6] 李方敏.VxWorks高級程序設計[M].北京:清華大學出版社,2004.

[7] Yin Bangtang,Li Xiangfang,Meng Yuexin,et al.Measurement techniques for multiphase flow in productivity evaluation in petroleum industry[C]∥Mechanic Automation and Control Engineering(MACE),2011 Second International Conference on，2011:4132-4135.