基于B/S結構的油田堵水調剖井遠程監控管理系統設計

田殿龍，于洋，艾信，黃天虎

(1. 中國石油長慶油田分公司 油氣工藝研究院，陜西 西安 710018；2. 低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西 西安 710018)

堵水調剖技術一直是油田改善注水開發效果、實現油藏穩產的有效手段。堵水一般是針對油井施工而言，就是控制水油比或控制產水，其目的是補救油井固井質量差的狀況和降低水淹層的滲透率，提高油層的采收率。目前長慶油田常用的堵水方法是化學法，該方法是用堵劑的化學作用對出水層進行堵塞。調剖一般是指針對注水井施工而言，就是調整注水井的吸水剖面，改變水驅的縱向和平面的流動特性，其實質是提高注入水在地層中的驅油面積，從而提高受效油層的采收率。目前采用的方法也是將調剖劑注入水井地層中，利用其化學作用調整水井的吸水剖面。

長慶油田注水井堵水調剖施工量逐年增多，年施工量達到450口井以上，施工隊伍數量眾多，且現場施工具有流動性的特點，即并不固定在某個井場，施工完一個井場便會前往下一個井場進行施工，存在同時施工多口井的現象。現有的堵水調剖施工數據錄入仍然以人工填寫的手工報表為主，沒有實現信息數字化，缺乏實時監控和實時曲線展示分析，為了提高堵水調剖的現場管理和監督效率，同時也為了現場各項施工數據采集的全面和準確，急需提高堵水現場施工監測的實時性和便捷性。

當前，物聯網技術發展迅速，硬件成本不斷降低，可以通過傳感器自動采集技術[1-4]，依托互聯網平臺來實現基于物聯網的堵水調剖施工現場監測及管理。本次研究將借助物聯網USN(ubiquitous sensor networks)體系結構，依托感應端、服務端和應用端三端框架技術[5-8]，設計并實現基于B/S架構的物聯網堵水調剖遠程監測及管理系統，對堵水現場施工實時監控，及時準確地自動記錄工藝現場施工數據，通過Web進行發布，從而建立起各個監測節點的互聯互通和數據處理融合體系結構。

1 系統總體設計及構成

該系統遵循物聯網USN三層架構設計原則，融合儀表、RTU(remote terminal unit)、視頻監控、GPRS(general packet radio service)通信、數據庫、網絡等技術，將整個系統分為前端采集單元、網絡傳輸層和應用層三部分[9-12]。該系統三層框架結構如圖1所示，堵水調剖遠程監測及管理系統結構如圖2所示。

圖1 系統三層框架結構示意

圖2 堵水調剖遠程監測及管理系統結構示意

前端采集單元由現場傳感器和采集模塊組成，主要負責實時數據和視頻的采集[13-16]；網絡傳輸層也稱網絡通信鏈路層，主要負責將采集到的數據發送至監控平臺；應用層相當于前端和后端監控平臺，主要負責將接收到的數據按照用戶的需求以表格和曲線的形式展示出來[17]。

2 前端采集單元的組成及特點

前端采集單元主要由GPRS數據傳輸單元、網絡視頻服務器(DVS)、人機界面(HMI)及RTU等部分組成，主要負責采集堵水調剖的實時壓力、流量、累積流量、井號、段塞號等數據，并將現場視頻上傳，RTU支持標準4～20 mA模擬信號和RS-485協議，可采集現場傳感器采集到的數據，同時支持Modbus標準協議。

前端采集單元主要特點包括：

1)室外防沙、防塵設計，落地安裝，便于移動使用，自動溫控調節，內置溫控器、風扇散熱，避免室外爆曬造成箱體內溫度過高。

2)具備人機管理功能，配備就地顯示平臺及軟件，數據傳輸一目了然。

3)支持井場名和段塞號的中文錄入。

4)支持壓力、流量數據超限語音報警。

5)支持數據本地存儲與查詢。

6)無線數據透明遠傳，可追蹤中間傳輸數據，無需第三方管理服務。

3 網絡通信鏈路設計

考慮到現場油區部分井場未實現數字化的實際情況，因此無法采用WLAN傳輸，為了滿足該現狀，采用了WLAN傳輸和無線GPRS傳輸相結合的通信方式。兩種網絡通信流程如圖3和圖4所示。

圖3 WLAN傳輸流程示意

圖4 無線GPRS傳輸流程示意

在WLAN傳輸模式下： 流量計、壓力變送器和攝像頭通過電纜與前端采集單元相連，其采集的數據和視頻經過編碼處理后傳輸給井場無線網橋進入油田網絡。在廠級服務器建立C/S采集程序[1]，從前端采集單元獲取數據，并對獲取的數據進行ASCII碼轉換，變為可用數據，并將轉換后的數據存入廠級數據庫服務器，再上傳到公司級數據庫，公司級Web服務器從該數據庫中讀取數據，再發布出去。

在無線GPRS傳輸模式下： 流量計、壓力變送器和攝像頭通過電纜與前端采集單元相連，其采集的數據和視頻經過編碼處理后進入4G網絡，經由公司級C/S數據采集軟件直接發送至公司級數據庫服務器，公司級Web服務器從該數據庫中讀取數據，再發布出去。

4 監控平臺結構

4.1 前端監控平臺

為了方便現場操作人員能就地觀察堵水調剖施工效果，并能在斷網的情況下，將施工數據保存，便于日后導出，在HMI上采用組態軟件開發了現場前端監控平臺。此次選用的HMI自帶WindowsXP系統，組態軟件內嵌于HMI中，為本地管理平臺、數據顯示提供軟件支持。該現場前端監控平臺主要功能包括以下幾個方面：

1)實時顯示現場施工數據，如實時注入壓力、瞬時流量、累積注入量等數據。

2)能在界面中輸入中文井場號和現場施工段塞號。

3)能現場實時顯示施工曲線，包括注入壓力和瞬時流量曲線。

4)支持壓力異常報警功能。管理人員可以在界面設置注入壓力報警限值，系統出現報警事件時，會發出聲光報警，以便管理人員及時處理事件；系統支持對報警事件的縱向檢索，可隨時查詢某臺裝置的歷史報警記錄。

5)具有數據存儲、檢索能力，向用戶提供方便實用的數據查詢功能。現場技術人員可以查詢指定時間段的施工數據。

現場人員在HMI上的現場前端監控組態界面上輸入施工井號和將要施工的注入段塞號，然后將其發送至RTU，同時RTU獲得的實時壓力、實時流量等數據會發送到HMI上的現場前端監控組態界面上顯示。

4.2 后端監控平臺

后端監控平臺采用J2EE平臺架構的B/S系統和C/S數據采集軟件。平臺從軟件架構上劃分為四個層次： 數據服務層、應用服務層、系統服務層、Web服務層[18]。

1)數據服務層。數據服務層主要由系統底層數據庫構成，負責整個平臺的數據存儲、發布和管理任務。數據服務層是整個系統的數據源，按照數據來源設計為生產指揮系統關系數據庫、A2系統數據、實時數據庫。

2)應用服務層。應用服務層主要由系統應用模塊構成，負責整個系統的業務實現，具體包括段塞監控、壓力流量預警、短信發送等。

3)系統服務層。系統服務層主要將系統應用功能進行整合，以統一風格的界面面向最終用戶，該層承載用戶的所有增、刪、改、查等具體應用。

4)Web服務層。Web服務層主要負責系統功能的發布，最終用戶通過Web服務層提供的網頁地址登錄系統進行工作。該層采用Apache Web服務器集群進行搭建，由3個Jboss 2/Tomcat 7 Web服務應用組成。采用系統熱備份的方式運行，當某個Web服務出現問題時系統自動切換到備用Web服務上，確保系統的無間隔使用[19-20]。

后端監控平臺從應用功能上劃分為： 堵水調剖井數據采集、堵水調剖井實時監控、堵水調剖井預警監控、堵水調剖井歷史查詢、堵水調剖井數據維護、系統日志管理、系統權限管理、系統擴展接口八部分，系統功能架構如圖5所示。

圖5 系統功能架構示意

后端監控平臺主界面主要通過報表形式展示公司級和各廠級注堵水調剖井的井名、施工開始時間、施工結束時間、調剖前壓力、調剖前注入量、當前段塞名稱、實時壓力、實時流量、累計注入量、當前狀態、數據更新時間等的指標情況。

標準化按鈕可滿足用戶對界面信息的操作。視頻按鈕可以連接到對應單機的視頻；曲線按鈕打開查看當前井的實時段塞號、實時壓力、累計注入量、實時流量曲線；點擊參數按鈕對參數進行設定；文檔按鈕可以上傳、查看當前井地質方案、施工方案及施工總結。

5 結束語

該系統實現了對油田堵水調剖施工現場的信息化管理，達到了對施工過程的實時監控目的，有效提高了堵水調剖的現場管理水平和施工過程的質量控制，并對后期堵水調剖技術分析提供了可靠的數據來源。

面對復雜的施工現場，系統支持WLAN和無線GRPS兩種方式進行數據通信，將堵水調剖施工現場的壓力、流量等實時數據和視頻遠傳至公司服務器，同時為了便于現場工作人員的管理，其前端采集單元內置液晶觸摸屏，可進行施工數據的顯示和錄入，液晶界面操作簡單，數據維護便捷，方便現場應用。系統監控管理平臺以Web界面實時顯示堵水調剖過程中的流量、壓力等主要參數，對堵水調剖現場實現遠程監控，實現按油田公司、廠處兩級堵水調剖遠程監控及管理，并能實現對堵水調剖過程的預警判斷，實現歷史數據查詢功能，后臺支持數據的錄入管理、維護功能等，實現了注堵水調剖井工況的實時分析、預警、指標統計、曲線報表自動生成等功能，滿足了油田數字化管理模式下對注堵水調剖井精細化、數字化、扁平化的管理要求。