基于無源無線感知技術的油田油井一體化數據采集裝置研究

李兵元 李愷 韓光 丁煜暉

[摘? ? 要] 結合無源無線傳感技術和低功耗廣域網技術，設計了一種一體化的油田油井數據采集裝置。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、低功耗廣域網數據遠傳模塊及RFID資產管理模塊。整合了油井工作狀態管理所需的所有幾乎功能，簡化了管理流程，使單井成為物聯網的一個全功能基本單元，為實現數據采集、資產信息和人員工作的融合統一管理提供了基礎。

[關鍵詞] 聲表面波;無源無線;數據采集;LORA;低功耗廣域網

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，油井的工作狀態監控是重中之重。為清楚了解、有力監督油田油井的作業情況，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，由于油井數量繁多，油井位置偏遠且分散，油井數據采集自動化程度低，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據缺失或數據不實，給實際的生產監督造成困擾。同時，大量的管理數據依靠手工記錄謄寫，電子化程度低，并且與設備資產管理脫節嚴重，使油井管理信息更新滯后，缺乏統一性和綜合性。

在油田進一步減員增效的背景下，對油井工作狀態管理的自動化和智能化的要求越來越迫切。基于移動互聯網和物聯網技術，相關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和移動互聯網的油井巡檢系統[1]，基于LoRa低功耗廣域網技術的數據采集系統[2]等。但這些系統往往只考慮單一功能，對巡檢、數據采集、資產信息、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備的自動化監測程度仍然不高，無線傳感系統發展尚未成熟，仍然需要人員頻繁地進行巡檢維護及更換電池，另一方面油井監測傳感設備和資產隨年代不斷增加且設備間各自為戰，對采集設備本身的管理進一步增加了管理的復雜度，缺乏一種具有高集成度的采集裝置來簡化工作流程。

無源無線傳感技術是近年發展起來的一種新型傳感技術，其最大的優勢在于傳感器一側無須任何電池供電，因此如果傳感器本身不發生損壞，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，并且在防爆環境中極易實現本質安全。實現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[3]，目前已通過該技術實現了溫度和壓力的傳感[4-6]。本文結合無源無線傳感技術和低功耗廣域網技術，設計了一種一體化的油田油井數據采集裝置，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、低功耗廣域網數據遠傳模塊及RFID資產管理模塊。無源無線儀表解析模塊采用可重構的射頻硬件結構，可兼容多種無源無線儀表和其他無線儀表;內部采用標準的485總線和Modbus協議，可對接多種低功耗廣域網傳輸模塊;一體化數據采集裝置可同時實現無源無線儀表解析、數據遠傳平臺記錄、手持終端井口數據采集、資產管理和巡檢，整合了油井工作狀態管理所需的所有幾乎功能，簡化了管理流程，使單井成為物聯網的一個全功能基本單元，為實現數據采集、資產信息和人員工作的融合統一管理提供了基礎。

1? ? ? 一體化數據采集裝置架構與功能

一體化數據采集裝置架構和實物如圖1所示，由無源無線儀表解析模塊、WiFi本地查詢數據模塊，低功耗廣域網數據遠傳模塊以及作為資產管理模塊入口的戶外特種RFID。一體化數據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。

一體化數據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傳感器數據采集;

②井口現場數據記錄;

③數據遠傳和定期采集;

④資產管理和巡檢。

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據的采集和解析。該模塊由可重構的射頻模塊和數字處理模塊構成，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在本文之后的章節里介紹。

無源無線儀表解析模塊通過485總線以Modbus協議與WiFi本地通訊模塊和低功耗廣域網遠傳模塊通信，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，可以完成對儀表數據的本地查詢和數據記錄，既照顧了油田原有的生產巡檢習慣，在遠傳通路出現故障時，也能保障監測工作的正常進行。

低功耗廣域網數據遠傳模塊通過以LoRa為代表的遠距傳輸技術，將采集得到的信息按照設定的采集周期傳輸至遠端的數據平臺，完成數據的自動采集、記錄和分析。

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

通過應用一體化閱讀器，可同時實現無源無線儀表解析、數據遠傳平臺記錄、手持終端本地抄表、資產管理和巡檢等多種功能，使單井成為油田物聯網的一個全功能基本單元，為實現生產數據、資產信息和人員工作的融合統一管理提供了基礎。

2? ? ? 無源無線傳感器

在井口參數傳感方面，數據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境下，在維護和安裝上具有很大的優勢。其基本技術是SAW諧振器，原理如圖3 所示，閱讀器通過閱讀器天線發射窄帶電磁波，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，叉指換能器（IDT）將傳感器天線接收的電磁波轉換為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構以及基片所處的環境影響決定（如被測物處的溫度、應變等）。當激勵消失之后，帶內各頻率分量的聲表面波會以不同的時間常數自由衰減振蕩，只有頻率與SAWR固有諧振頻率相同的電磁波持續時間最長。IDT通過壓電效應將SAW再次轉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，可實現相關傳感量的無線測量。

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境變化的影響，導致測量結果失真，同時現場還存在其他干擾。為此，每個SAW傳感器均采用兩個諧振器組成差動結構，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，從而抵消干擾的影響。

結合油田工況的實際需要，我們設計研發了壓力和溫度兩種傳感器，其中壓力傳感器量程0～6MPa，敏感區間0～3.5MPa，敏感區間內精度達到0.5級。溫度傳感器測量范圍-40℃～200℃，敏感區間-40℃～160℃，敏感區間內精度達到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，對該類傳感器的數據解析不能通過傳統的無線通信方式進行，需要設計專門的解析模塊，該模塊也將成為一體化數據采集裝置的核心。在本文的第3部分將對該模塊的實現進行詳細的介紹。

3? ? ? 無源無線儀表解析模塊的實現

從第2部分的SAW工作原理和油田的實際應用需求可知，無源無線解析模塊不能簡單地采用一般的無線數字通信體制，并且差動結構的傳感器還對解析模塊查詢的動態型提出了要求。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，開發具備可重構能力的解析模塊。同時為了利于推廣，模塊的成本也不宜過高。

為在可控成本內實現這些要求，解析模塊采用了如圖6的框架結構，整個模塊由發射鏈路和接收鏈路組成。兩個集成發射器和一個合路器用于產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是采用這種發射架構得到的傳感器回波信號。

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

這種結構具備良好的查詢動態性，相較高速DA和混頻器方案具備顯著的成本優勢。同時收發結構可以直接兼容其他的數字調制方式如FSK、PSK、ASK等，可以直接兼容其他的無線傳感器。

4? ? ? 現場應用

在新疆油田公司某油田選取了25口生產井進行了無源無線傳感器和一體化數據采集裝置。圖8是現場安裝情況。

測量數據通過Lora網絡傳輸至監控平臺，傳感器運行狀況良好，數據穩定，如圖9所示。

同時進行了配套手持終端的部署和應用，通過手持終端可完成對數據的現場獲取和對油井各種設備的資產信息管理，如圖10所示。

5? ? ? 結? ? 論

本文結合無源無線傳感技術和低功耗廣域網技術，設計了一種一體化的油田油井數據采集裝置，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、低功耗廣域網數據遠傳模塊及RFID資產管理模塊。針對無源無線儀表特點，設計了解析模塊，且無源無線儀表解析模塊采用可重構的射頻硬件結構，可兼容多種無源無線儀表和其他無線儀表;內部采用標準的485總線和Modbus協議，可對接多種低功耗廣域網傳輸模塊;一體化數據采集裝置可同時實現無源無線儀表解析、數據遠傳平臺記錄、手持終端井口數據采集、資產管理和巡檢，整合了油井工作狀態管理所需的所有幾乎功能，簡化了管理流程，使單井成為物聯網的一個全功能基本單元，為實現數據采集、資產信息和人員工作的融合統一管理提供了基礎。

主要參考文獻

[1]黃慧鵬.油田采油井站巡檢系統設計與應用[J].信息技術，2016（6）：170-172，176.

[2]孟開元，韓佳佳，曹慶年，等.基于LoRa技術的油田井口數據監測系統設計[J].智能計算機與應用，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].上海交通大學學報，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[C]//2011中國西部聲學學術交流會論文集，2011：4.