基于GPRS的數(shù)字油田智能監(jiān)控系統(tǒng)

付長順 侯萬雍 金德明 趙長宏

(遼寧遼河泰利達石油技術(shù)有限公司,遼寧 盤錦 124010)

隨著無線通信技術(shù)與計算機技術(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)，遠程智能監(jiān)控也已成為必然的發(fā)展趨勢[1]。數(shù)字油田智能監(jiān)控具有遠程監(jiān)控、提高效率和方便管理者的優(yōu)點；對每一口油井的動態(tài)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，可以為分析某一區(qū)域的生產(chǎn)能力和編制新開發(fā)方案提供依據(jù)；監(jiān)測到的單井油溫、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，使得實時監(jiān)測變得非常困難[2]。針對油田油水井存在地理位置較為分散并且距離較遠的問題，筆者借助GPRS通信方式設(shè)計了一種對油水井?dāng)?shù)據(jù)進行實時監(jiān)測的數(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)場無線傳感器、數(shù)據(jù)接收終端、GPRS模塊、無線路由器和服務(wù)器組成，系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)采集端

數(shù)據(jù)采集端主要由無線傳感器(WM1000-TW1型無線溫度傳感器和WM1000-PLW1型無線壓力傳感器)、RTU和GPRS模塊組成，完成數(shù)據(jù)采集和無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能。RTU負責(zé)接收現(xiàn)場傳感器的數(shù)據(jù)，并通過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)庫服務(wù)器，用于存儲當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)，方便用戶查詢，同時監(jiān)控中心的服務(wù)器還接入了互聯(lián)網(wǎng)，能夠?qū)崟r發(fā)布數(shù)據(jù)。

無線數(shù)據(jù)接收部分接收數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并存儲到數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)處理部分可從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理部分由SQL Server數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和Web服務(wù)器組成：SQL Server數(shù)據(jù)庫服務(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

目前常用的無線通信方式有GPRS、Wi-Fi、無線數(shù)傳電臺、衛(wèi)星通信及ZigBee等，根據(jù)系統(tǒng)不同部分的位置和各無線通信方式的特點，各部分選擇相應(yīng)的無線通信方式。本系統(tǒng)中，現(xiàn)場無線傳感器與數(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)場距離較遠，采用GPRS方式[3]。

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

GPRS是位于2G和3G之間的移動通信技術(shù)。它通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。它具有延遲時間短、通信不受距離及地理位置限制等特點。GPRS移動數(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

3.1 無線傳感與RTU之間的通信

使用RTU之前，需要進行參數(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)計需要完成無線數(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作為開發(fā)工具完成軟件的設(shè)計。

無線數(shù)據(jù)接收部分采用VB編程。首先判斷申請者是否為專網(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；將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫后，數(shù)據(jù)處理部分就能隨時查詢和調(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)，從而實現(xiàn)Web與數(shù)據(jù)庫的連接。LINQ可以查詢Access、SQL Server及Oracle等數(shù)據(jù)庫。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、報表打印、功圖量油及動液面測試等功能。

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

圖2 有效沖程法計量過程

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

(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)。

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

動液面深度測試儀器通過采集由安裝在井口的炮槍發(fā)出并經(jīng)過井管接頭反射的節(jié)箍波信號和經(jīng)過油層表面反射的液面波信號，找出井口位置、動液面位置和基準(zhǔn)節(jié)箍波，然后利用公式來計算動液面深度。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

動液面深度計算公式為：

(2)

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

4 結(jié)束語

基于GPRS的數(shù)字油田智能監(jiān)控系統(tǒng)成功設(shè)計后，目前已在遼河油田曙光采油廠投入運行，整個數(shù)字油田智能監(jiān)控系統(tǒng)工作正常，實現(xiàn)了對現(xiàn)場油水井的實時智能監(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)中心對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集、實時監(jiān)控，很好地體現(xiàn)了系統(tǒng)的優(yōu)勢，滿足了曙光采油廠的實際工作要求。

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

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

[3] 郭啟軍.基于GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計[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)的遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子設(shè)計工程,2011，19(3):21～24.

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