基于物聯網的移動式油井動液面監測系統

摘 要：油井液面實時可靠的監測對于油井開發生產至關重要，也是油氣田數字化、智能化開發的關鍵。文中設計了一種基于物聯網的移動式油井液面監測系統，該系統通過井口儀表采集次聲波信號，使用WiFi網絡將信號傳輸至監控計算平臺進行數據處理，實現實時計算與遠程監控。該移動式油井液面監測系統可通過太陽能板供電，方便移動，監測靈活，數據能夠實時穩定傳輸，有效降低了油井動液面監測生產成本，提高了油井動液面連續實時監測的準確性與可靠性，在數字化智能油田建設與油田開發生產中具有較高應用價值。

關鍵詞：移動式油井動液面監測；物聯網；次聲波采集；實時計算；遠程監控；太陽能電池板

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-00-03

0 引 言

隨著能源需求的不斷增長，油田監測在采油過程中占有舉足輕重的地位，連續準確的油井液面信息有助于油井的安全管理與資源管理[1-4]。傳統的動液面監測系統存在許多不足[5-6]，如定期人工測量動液面高度耗費人力財力，且測量周期較長；測量每口井時都必須安裝監測設備，成本較高，且響應速度慢，無法實現數據的遠程連續傳輸與監測。現如今，隨著嵌入式、無線通信、物聯網等技術的發展，將油井動液面監測系統進行了更新迭代[7-8]。針對傳統動液面監測系統無法滿足的需求，本文研發了一種基于物聯網的移動式油井動液面監測系統。井口儀表測量其油井接箍回波與液面回波，微音器處理回波信號并通過WiFi無線通信網絡將其傳輸至后臺監控服務器進行數據綜合處理與計算[9]，實現動液面的連續、實時、準確監測。此外，該系統采用獨立電源與太陽能供電系統，提升了系統的靈活性和適應性。基于物聯網的移動式油井動液面監測系統集成了傳感器、數據通信和數據分析技術，能夠實時監測和遠程管理油井的各項參數和運行狀態，極大地提升了油田的生產效率和安全性。

1 基于物聯網的移動式油井動液面監測系統

基于物聯網的移動式油井動液面監測系統主要分為3層，分別是感知層、傳輸層和應用層。

感知層主要由井口檢測儀表與移動式液面監測柜組成，井口檢測儀表的主要作用是通過移動式液面監測柜中產生的壓縮氣體或井內伴生氣體瞬間聲爆產生的特定頻譜的探測聲波遇接箍和液面產生的反射回波來采集信號。移動式液面監測柜將采集的信號進行處理、分包與加密。傳輸層將數據通過WiFi無線通信網絡傳送至應用層（監控計算平臺）[10]。應用層再通過實際聲速計算模型和動液面計算模型計算數據，實現動液面數據的連續監測。基于物聯網的移動式油井動液面監測系統如圖1所示。

2 系統硬件實現

基于物聯網的移動式油井動液面監測系統主要包括數據采集與監測單元、數據傳輸單元和監控計算單元。各單元的硬件組成如下。

2.1 數據采集與監測單元

數據采集與監測單元主要負責信號采集、處理，數據分包與加密。該單元主要由儲氣裝置、電磁閥、微音器、壓力傳感器、微控制單元以及太陽能充電控制器等組成。壓力傳感器測量套管壓力以便判斷是否可以進行測量，儲氣罐和電磁閥因外部環境而發生氣爆從而產生次聲波，微音器接收回波信號并傳至微控制單元進行信號處理。其中，該單元的電源供電主要來源于太陽能電池板。數據采集與監測單元如圖2所示。

微控制單元由主控芯片STM32F103RET6及外圍電路最小系統作為基本電路，接入由RS 485通信模塊、外部存儲模塊、觸摸屏電路以及次聲波采集電路組成的數據采集控制器，用于采集動液面信息。微控制單元硬件組成如圖3所示。

（1）主控芯片所采用的STM32F103RET6是基于32位ARM Contex-M3 RISC內核的增強型主控制器，外圍電路包括電源電路、晶振電路、復位電路和JTAG電路。

（2）次聲波采集電路：主要用于采集、放大和處理次聲波信號。

（3）觸摸屏電路：連接觸摸屏，用于數據的實時顯示和參數設定，同時方便工作人員現場測試。

（4）RS 485通信電路：RS 485通信電路主要實現與井口檢測儀表間的通信，該電路具有強大的抗干擾能力和遠距離傳輸能力，且控制方便、成本較低，為系統提供了可靠、經濟和高效的信號傳輸方案。

（5）外部存儲模塊：外部存儲模塊可以提供額外的存儲空間、數據備份功能，具有較好的數據移動性。

2.2 數據傳輸單元

數據傳輸單元以WiFi通信電路為基礎[11]。該模塊主頻支持標準的IEEE802.11b/g/n通信協議以及完整的TCP/IP協議棧。

2.3 監控計算單元

監控計算單元主要負責接收數據、數據解密和控制計算單元，包括數據庫服務器、監控主機、可連網的電子設備[12-13]。

數據庫服務器選用聯想System X3500 M5（5464I35）塔式服務器，為系統提供數據服務。監控主機選用聯想揚天T4900c，并安裝有數據處理軟件與SQL Sever數據庫，數據處理軟件可以進行動液面數據的分析與計算，并得出動液面的深度與動液面波形。可聯網的電子設備可以在動液面監控網站上登錄并對各油井動液面進行實時監測，實現了對油井的遠程可移動監測。

3 系統軟件開發

基于物聯網的移動式油井動液面監測系統軟件的功能主要包括數據采集與傳輸和動液面監測兩大部分。數據采集與傳輸單元主要包括動液面信號采集、壓力信號采集、WiFi網絡傳輸和動液面數據的分包與加密。其中，數據采集與傳輸單元主要完成聲波與壓力信號的采集，并進行數據處理，從而通過WiFi傳輸模塊傳輸至監控計算平臺。動液面監測單元主要由數據接收與解密、數據存儲、動液面計算與數據實時顯示4個部分組成。該單元可以對采集與傳輸單元上傳的數據包進行解密處理，通過動液面計算模型進行數據計算，并自動存儲至FLASH存儲器中。基于物聯網的移動式油井動液面監測系統功能如圖4所示。

3.1 數據采集與傳輸程序

數據采集與傳輸功能主要負責采集油井動液面數據并為其無線傳輸提供可靠保障。首先對系統進行初始化，判斷該系統是否達到采樣時間。若達到采樣時間，開始采樣，將采集的回波信號進行放大、濾波處理以及A/D轉換，最后對數據進行分包、加密和存儲，并通過WiFi通信傳輸至監控計算平臺。數據采集與傳輸程序如圖5所示。

3.2 動液面監測程序

動液面監測的主要作用是對數據采集與傳輸單元的數據進行處理與計算，將處理后的數據上傳至監控計算平臺進行動液面深度計算，然后存儲并顯示。首先將接收的數據包進行解析，對數據進行濾波處理后，利用動液面計算模型進行動液面深度自動計算，然后進行數據分類與存儲，并顯示結果。動液面監測程序如圖6所示。

4 系統測試與應用結果分析

對基于物聯網的移動式油井動液面監測系統進行現場測試，并將其應用于某采油三廠。現場照片如圖7所示，動液面監測數據見表1所列。

由表1可知，動液面監測時間選擇2024年4月8日，動液面深度一直穩定在1 277 m左右，經過現場驗證和測試，證明該系統監測的動液面數據誤差小，且系統運行穩定、數據測量準確。為更好地反映動液面監測系統的穩定性和實用性，根據表中部分數據以及現場實測的其他數據繪制動液面曲線圖。動液面監測曲線如圖8所示。

5 結 語

基于物聯網的移動式油井液面監測系統與傳統液面監測系統的不同在于其液面監測柜可以自由移動，提高了動液面監測系統的靈活性。

該系統由感知層、傳輸層和應用層組成，通過WiFi傳輸線路將采集的動液面數據傳輸至監控計算平臺，工作人員通過監控計算平臺可以遠程監控與操作，實時了解油井狀況，實現了數據的遠距離傳輸和實時監測與計算，提高了動液面監測數據的準確性與可靠性，為油田的智能化開發提供了有力支撐。

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