基于NBIOT技術的油田采油監測系統設計

趙磊 王虎成 王蓬 王中磊 雒淵乾

[摘? ? 要]文章設計了基于NBIOT技術的油田采油監測系統，可以在低功耗電池供電條件下將溫度、壓力、流量等重要數據傳到油田生產指揮中心，具有功耗低、覆蓋廣、低成本、高容量、高安全、架構優等特點，降低了工程建設成本和施工周期，確保了信息安全，增加了設備接入量，為油田在偏遠地帶、無市電供電等艱苦條件下的生產監測工作提供了一種新途徑。其具有很好的推廣前景和應用價值。

[關鍵詞]NBIOT技術;油田;采油;監測系統

[中圖分類號]TE938.2 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）11–00–02

Design of Oilfield Production Monitoring System Based on NBIOT Technology

Zhao Lei， Wang Hu-cheng， Wang Peng， Wang Zhong-lei， Luo Yuan-qian

[Abstract]The article designs an oilfield oil production monitoring system based on NBIOT technology， which realizes the remote transmission of important data such as temperature， pressure， and flow to the oilfield production command center under the condition of low-power battery power supply. It has low power consumption， wide coverage， and low power consumption. The characteristics of cost， high capacity， high security， and excellent architecture reduce the construction cost and construction period， ensure information security， increase the amount of equipment access， and monitor the production of oilfields under difficult conditions such as remote areas and no electricity supply. The work provides a new way with good promotion prospects and application value.

[Keywords]NBIOT technology; oil field; oil production; monitoring system

目前大多數現有的油田采油監測系統是通過鋪設有線電纜的方式將數據上傳到數據中心的，其工程成本高、施工周期長且地域覆蓋范圍有限。同時，也有一些采用無線通信的，如4G等方式。此方式也需要市電供電，不僅無法實現長時間電池供電將數據遠傳，而且通信時系統的安全性也無法保證。

NBIOT技術是一種基于蜂窩通信演進的物聯網通信技術，是物聯網領域一個新興的技術。其具有覆蓋廣、功耗低、容量大、成本低、高安全的技術特性，符合當前物聯網通信的發展需求。NBIOT可以使用較窄的頻段實現廣覆蓋，大連接，與傳統的 LTE 網絡相比，成本會大大降低。與其他的LPWAN技術相比，NBIOT網絡基于授權頻譜組建網絡，其抗干擾能力、數據安全性、技術服務等方面均有高安全性保障。

文章設計了基于NBIOT技術的油田采油監測系統，利用NBIOT的技術特性，解決了上述所提到的油田生產監測的實際問題，具有很好的推廣前景和應用價值。

1 系統的架構設計

基于NBIOT技術的油田采油監測系統包括：NBIOT采集器、NBIOT服務器、SCADA系統服務器、生產指揮系統服務器（見圖1）。其中，NBIOT采集器主要用于現場溫度、壓力、流量等數據的采集、存儲和傳輸。NBIOT服務器主要用于NBIOT采集器設備的數據采集、存儲和傳輸。SCADA系統服務器位于油田工業網內，主要負責油田工業網內的數據采集與監視控制。生產指揮系統服務器位于油田辦公網內，主要用于油田辦公網數據的存儲、管理、分析和應用服務等。

2 系統的詳細設計

2.1 NBIOT采集器設計

NBIOT采集器采用鋰電池供電方式的低功耗設計，用于采集溫度、壓力等數據。其以固定時間間隔喚醒后采集溫度和壓力等數據，數據在濾波處理后通過NBIOT網絡傳輸數據，數據傳輸完成后NBIOT采集器進入休眠模式。

NBIOT采集器硬件選擇意法半導體公司推出的STM32低功耗系列單片機作為MCU，網絡NBIOT選擇上海移遠通信技術股份有限公司的BC25型號網絡模塊。在采集溫度模塊和壓力模塊數據的前提下，同時搭配了美信半導體的MAX17048電池管理芯片來監控采集器的電池健康狀態，NBIOT采集器功能框圖如圖2所示。

2.2 通信設計

NBIOT采集器與上位機通信采用TCP協議，默認服務器端口為2306。NBIOT采集器采用定時喚醒的方式與上位機進行通信，喚醒時間間隔默認為30 min，其具體流程體現在以下幾個方面：①在每一次喚醒后，NBIOT采集器會把實時數據上傳給上位機，上位機收到數據后給予應答，同時上位機可發送修改NBIOT采集器參數的配置信息（無配置信息則無該流程）;②NBIOT采集器接收到上位機的配置信息后進行處理，處理完畢后并反饋給上位機;③上位機發送結束命令，整個通信結束，NBIOT采集器斷開連接，進入休眠模式（見圖3）。

NBIOT采集器與上位機通信協議的具體內容如圖4所示。

2.3 系統軟件設計

基于NBIOT技術的油田采油監測系統軟件主要包括3個部分：①油田生產指揮系統軟件。其安裝于油田生產指揮系統服務器上，主要功能為生產數據監測、生產報警、生產動態、生產管理、調度運行、應急處置。②油田SCADA系統軟件。其安裝于油田SCADA系統服務器中，主要功能包括數據采集服務、數據庫服務和數據轉儲服務。其中，數據采集服務是將采集到的數據存儲到本地數據庫服務中，數據轉儲服務是將實時數據轉儲到油田生產指揮系統服務器中。③NBIOT服務軟件。其安裝于油田NBIOT服務器中，可部署到油田安全隔離區內，主要功能為設備管理、數據采集、命令下發、消息推送等。

在油田的實際生產應用中，若已經建成油田生產指揮系統和SCADA系統且較完善，可直接部署NBIOT服務軟件將NBIOT采集器接入已有系統;若沒有建成，則需要根據實際情況在部署完NBIOT服務軟件后再設計相應的系統。

報警功能是油田采油監測系統的一項重要應用功能。其應用原理體現在以下幾個方面：①系統應用人員需要根據實際工況設置現場參數的高報警閾值和低報警閾值，閾值通過NBIOT服務軟件設置到NBIOT采集器中;②當NBIOT采集器采集數據發現數據超過高報警閾值或低于低報警閾值時，就會觸發報警并上報給NBIOT服務軟件;③NBIOT服務軟件再將報警信息上報給油田SCADA系統軟件和油田生產指揮系統軟件。

3 案例應用

基于NBIOT技術的油田采油監測系統在某油田接入了約3 000個NBIOT采集器，將現場的溫度、回壓、套壓、流量等數據傳回了生產指揮中心，覆蓋了全國多個省的偏遠地區。NBIOT采集器每60 min會上傳一次數據，電池至少可用三年。其現場安裝簡單施工成本低，系統已經安全運行三年多，應用界面如圖5所示。

4 結束語

文章設計了基于NBIOT技術的油田采油監測系統，為油田在偏遠地帶、無市電供電等艱苦條件下的生產監測工作提供了一種新途徑，解決了工程成本高、周期長、信號覆蓋差、功耗高、信息不安全等問題。其經過長時間的應用驗證，解決了油田的實際應用問題，具有較大的推廣和應用價值。

參考文獻

[1] 王曉周，藺琳，肖子玉，等.NB-IoT技術標準化及發展趨勢研究[J].現代電信科技，2016（6）：5-12.

[2] 張匯鋒.基于NBIoT的車位管理系統研究與設計[D].濟南：山東大學，2019.

[3] 梁福波.基于物聯網技術下的數字化油氣田設計與實現[J].自動化與儀器儀表，2014（1）：155-157.

[4] 劉英，成書軍，肖翔.基于油氣生產物聯網采集與監控系統運維管理評估的幾個關鍵要素[J].信息系統工程，2016（6）：50-51.