摘  要： 提出了油氣井地面測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)線采集的研究路線,采用采集器與中間服務(wù)器相連，采集傳感器的數(shù)據(jù)，通過無(wú)線射頻方式將數(shù)據(jù)傳送到中間服務(wù)器,中間服務(wù)器整合處理無(wú)線射頻信號(hào)，并將處理后的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳送到工控機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、處理等。介紹了無(wú)線地面測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和軟件架構(gòu)、數(shù)據(jù)流程，詳細(xì)闡述了無(wú)線采集監(jiān)控裝置的終端硬件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及應(yīng)用情況。
關(guān)鍵詞： 油氣測(cè)試；無(wú)線傳輸技術(shù)；數(shù)據(jù)采集；采集監(jiān)控裝置

    隨著油氣勘探開發(fā)[1]的不斷深入，對(duì)試油資料錄取質(zhì)量的要求越來(lái)越高。目前國(guó)內(nèi)外油氣井地面測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都采用有線傳輸方式，而隨著油氣井測(cè)試的數(shù)字化、自動(dòng)化越來(lái)越強(qiáng)，測(cè)試采集參數(shù)越來(lái)越多，有線地面測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被無(wú)線地面測(cè)試數(shù)據(jù)采集所替代是必然的趨勢(shì)。它也將成為油田進(jìn)行科學(xué)試油的發(fā)展方向。
    有線地面測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于油氣井試油地面測(cè)試作業(yè)中，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)存在以下不足：(1)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境惡劣，布線困難，工作量大；(2)地面溫度太低時(shí)，易導(dǎo)致信號(hào)傳輸電纜破裂損壞；(3)信號(hào)電纜維護(hù)成本較高；(4)信號(hào)電纜現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，檢修焊接不方便；(5)現(xiàn)場(chǎng)布置的信號(hào)電纜經(jīng)常被割走等。
    針對(duì)以上問題，提出了數(shù)字化、無(wú)線化、智能化的設(shè)計(jì)模式，研制開發(fā)了一套無(wú)線地面測(cè)試數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并無(wú)線傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)操作中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和處理等功能。
1 系統(tǒng)目標(biāo)
    本系統(tǒng)主要采用采集器與中間服務(wù)器相連，采集器采集傳感器的數(shù)據(jù)，然后通過無(wú)線射頻方式將數(shù)據(jù)傳送到中間服務(wù)器。中間服務(wù)器將接收到的無(wú)線射頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳送到工控機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、處理等。該技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、延時(shí)短、成本低等優(yōu)點(diǎn)。此外在該系統(tǒng)中，與傳感器配套的無(wú)線采集終端具有數(shù)據(jù)處理能力，能夠根據(jù)用戶需求增加多種智能化的功能，提供了更多、更有效的數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析、決策輔助等功能[2-4]。
2 試油地面測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 無(wú)線采集監(jiān)控裝置的體系結(jié)構(gòu)
    根據(jù)多年現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)和部分井的實(shí)際情況，試油地面測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)距離現(xiàn)場(chǎng)控制中心直線距離約500 m，井場(chǎng)內(nèi)常有壓裂車、酸罐、泥漿池等大型遮擋物。無(wú)線射頻方式傳輸距離與功率成正比，功率越大則傳輸距離越遠(yuǎn)，電池的使用壽命越短，成本越高。為了降低直接成本，采集器必須設(shè)計(jì)為低功耗，而低功耗采集器通過試驗(yàn)，在周圍無(wú)大型遮擋物的情況下，傳輸距離為500 m左右，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需要。為了很好地解決既節(jié)約用電又有較遠(yuǎn)的傳輸距離這個(gè)矛盾，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了中繼器，將信號(hào)放大后再傳輸給接收器。
    油氣井鉆采集測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有固定的地址，數(shù)據(jù)的傳輸采用主從站方式，節(jié)點(diǎn)數(shù)量不多，而且都處于主站的無(wú)線通信范圍內(nèi)，由主站統(tǒng)一控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信時(shí)序。根據(jù)這一特點(diǎn)，無(wú)線采集監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)為一個(gè)實(shí)用的集中式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

    系統(tǒng)采用先進(jìn)的三層結(jié)構(gòu)，并采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)，最底層數(shù)據(jù)服務(wù)層由SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)承擔(dān)，通過表、視圖、存儲(chǔ)過程、觸發(fā)器、規(guī)則和缺省值等工具進(jìn)行數(shù)據(jù)控制，以事務(wù)方式保證數(shù)據(jù)完整性和一致性。中間層為業(yè)務(wù)邏輯層，以DLL動(dòng)態(tài)庫(kù)或后臺(tái)服務(wù)的方式，完成數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)邏輯處理。頂層位為表示層，以應(yīng)用程序或網(wǎng)頁(yè)的形式提供人機(jī)接口，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入輸出。它通過業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)服務(wù)層打交道，獲取或提交需要的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)流程
    首先由低功耗傳感器將模擬量傳給采集板，采集板進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換生成數(shù)字信號(hào)，然后通過無(wú)線方式發(fā)給中繼器，中繼器再以無(wú)線方式轉(zhuǎn)發(fā)給接收器，接收器通過局域網(wǎng)絡(luò)，以TCP/IP方式發(fā)給控制中心。控制中心通過一個(gè)上位機(jī)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，并利用ADO技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中；同時(shí)控制中心還通過一個(gè)下位機(jī)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理，它與上位機(jī)共用同一個(gè)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，也利用ADO技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行讀寫操作，生成實(shí)時(shí)曲線及預(yù)警報(bào)警，完成采集數(shù)據(jù)的歷史曲線回放、打印、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)查詢、導(dǎo)出及基本信息維護(hù)等工作。
3 無(wú)線采集監(jiān)控裝置的終端硬件設(shè)計(jì)
    地面測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及無(wú)線傳輸系統(tǒng)硬件包括四部分：第一部分為數(shù)據(jù)采集器，負(fù)責(zé)采集傳感器的數(shù)據(jù)，然后通過無(wú)線射頻方式將數(shù)據(jù)傳送到中繼器；采集器又分為壓力采集器、溫度采集器、差壓采集器、液體流量采集器和氣體流量采集器等；第二部分為中繼器，它接收采集器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)并無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)給接收器；第三部分為接收器，它在總控室內(nèi)通過無(wú)線接收中繼器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并通過RJ45口或DB9接入局域網(wǎng)；第四部分為現(xiàn)場(chǎng)控制中心，通過PC機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析和處理[5]。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.1 采集器
    地面測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集壓力、溫度、流量和差壓信號(hào)。根據(jù)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)需要主要有壓力采集器、溫度采集器、流量采集器等。主要功能是采集測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并通過無(wú)線射頻方式將采集到的信息無(wú)線發(fā)送到中繼器。
    數(shù)據(jù)采集器主要完成傳感器信號(hào)輸入、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換（脈沖輸出型流量計(jì)無(wú)需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可以直接由MCU進(jìn)行檢測(cè)）、采集和記錄傳感相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過無(wú)線射頻方式將采集到的信息無(wú)線發(fā)送到中繼器。采集器由傳感器、單片機(jī)、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、無(wú)線射頻芯片和電池電源管理五個(gè)部分構(gòu)成。即傳感器采集測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸給低功耗單片機(jī)（MCU），單片機(jī)經(jīng)過處理后通過射頻電路和天線發(fā)送給中繼器。采集器和中繼器之間可以雙向通信，即采集器可以向中繼器發(fā)送數(shù)據(jù)信息，同時(shí)也可以通過中繼器向采集器傳遞操作指令。采用無(wú)線通信協(xié)議為分時(shí)協(xié)議，工作頻率為433 MHz，通過檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，效果良好。采集器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 接收器
    接收器主要功能是通過無(wú)線通道接收中繼器或采集器發(fā)出的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口經(jīng)局域網(wǎng)傳送到控制中心。與中心服務(wù)器連接中斷時(shí)，暫存無(wú)線通道送來(lái)的數(shù)據(jù)到板載的Flash中，待正常連接后，將Flash中的數(shù)據(jù)補(bǔ)發(fā)給中心服務(wù)器。中繼器和接收器之間可以雙向通信。接收器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    接收器工作時(shí)放置在現(xiàn)場(chǎng)控制中心，采用外電源供電。接收器的設(shè)計(jì)選用了高性能的嵌入式CPU和大功率收發(fā)模塊，配置高增益的全向天線，保證實(shí)時(shí)接收采集器或中繼器傳來(lái)的數(shù)據(jù)。
4 試油地面測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)線采集系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
    試油地面測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在富順1井開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試層位為須二下段；地面測(cè)試設(shè)備為節(jié)流管匯、轉(zhuǎn)向管匯、熱交換器、分離器、數(shù)據(jù)采集房等；無(wú)線采集系統(tǒng)設(shè)備為0～70 MPa壓力采集器1只，0～16 MPa壓力采集器1只，-50 ℃～150 ℃溫度采集器1只和液體流量采集器1只，中繼器1只，接收器1只，網(wǎng)絡(luò)集線器1只，網(wǎng)線1根，接收機(jī)天線1根，筆記本電腦1臺(tái)和無(wú)線數(shù)據(jù)采集軟件。
    0～70 MPa壓力采集器安裝在套壓處，0～16 MPa壓力采集器安裝在流量計(jì)孔板上壓處，-50 ℃～150 ℃溫度采集器安裝在熱交換器出口處，流量采集器未安裝在設(shè)備上，作為測(cè)量設(shè)備傳輸距離和抗干擾能力。接收機(jī)天線安裝在數(shù)據(jù)采集房房頂上。接收機(jī)和網(wǎng)絡(luò)集線器放在數(shù)據(jù)采集房?jī)?nèi)。測(cè)試具體情況如下：
    (1)未安裝中繼器時(shí)，套壓和熱交換器處信號(hào)較好，井場(chǎng)內(nèi)效果均良好；
    (2)中繼器放置在鉆臺(tái)司鉆房頂，所有采集器通過中轉(zhuǎn)后發(fā)送給接收機(jī)，效果非常好。將流量采集器放置在距采集房約800 m處，傳輸信號(hào)良好，無(wú)數(shù)據(jù)丟失情況發(fā)生；
    (3)酸化時(shí)兩臺(tái)壓裂車同時(shí)開泵工作，整個(gè)工作期間無(wú)干擾信號(hào)產(chǎn)生，無(wú)線采集器工作穩(wěn)定；
    (4)和有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，測(cè)試數(shù)據(jù)值一致，精度相當(dāng)，無(wú)明顯延時(shí)滯后現(xiàn)象。
    現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線采集器布置圖及系統(tǒng)測(cè)試曲線圖如圖6、圖7所示。

    本文中的地面測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)線采集系統(tǒng)，改變了原有線采集傳輸方式，實(shí)現(xiàn)了地面測(cè)試數(shù)據(jù)采集無(wú)線傳輸功能，解決了試油測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布線困難等實(shí)際問題。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研制開發(fā)的無(wú)線地面數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)運(yùn)行可靠、性能穩(wěn)定、安全性高、自動(dòng)化程度高、仿真效果直觀、數(shù)據(jù)庫(kù)集中管理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確可靠，充分滿足了油氣井試油信息的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制和信息處理的需要，實(shí)現(xiàn)了試油地面測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的升級(jí)。
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