摘  要： 介紹了一種基于DSP和GPRS技術(shù)的油井原油含水率遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。將井口參數(shù)采集模塊和GPRS通信控制模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井原油含水參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、分析、記錄，從而得出評(píng)價(jià)油井原油開(kāi)采質(zhì)量的指標(biāo)。系統(tǒng)以TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理為平臺(tái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大，具有較好的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞： GPRS；數(shù)字信號(hào)處理器；遠(yuǎn)程監(jiān)控

0 引言

　　在石油工業(yè)中，及時(shí)掌握油井生產(chǎn)的各種參數(shù)，了解油井的運(yùn)行情況，對(duì)油田安全高效生產(chǎn)至關(guān)重要。原油的含水率是油井生產(chǎn)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通過(guò)它可以評(píng)價(jià)油井產(chǎn)能，評(píng)估原油產(chǎn)量和開(kāi)采價(jià)值，預(yù)測(cè)原油開(kāi)采程度和油井的開(kāi)發(fā)壽命并依此制定相應(yīng)的開(kāi)采方案。

　　在我國(guó)，目前對(duì)原油含水率的測(cè)量仍普遍采用傳統(tǒng)的人工取樣再蒸餾的方法，這種方法不但取樣時(shí)間長(zhǎng)、隨機(jī)性大，誤差也大，而且還費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響設(shè)備監(jiān)控和采油數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，由此致使上層無(wú)法獲知油田現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況，因而也就不能確定實(shí)際所需生產(chǎn)成本，制定合理高效的開(kāi)采方案，因此滿足不了油田生產(chǎn)自動(dòng)化的要求[1]。研發(fā)自動(dòng)化程度高的原油含水在線測(cè)量和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)顯得頗為重要[2-3]。

　　國(guó)內(nèi)外原油含水率測(cè)試產(chǎn)品不多，性能指標(biāo)與適用范圍差異也大。如國(guó)外的采用γ射線法測(cè)量的CTC的原油含水測(cè)量?jī)x；采用短波法測(cè)量的AGAR 的CORPOW-102 Popeline  BS &W Moitors產(chǎn)品等。國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品有北京北斗星化學(xué)研究所石油儀器部的手持式石油／液體水分檢測(cè)儀H-BD4M等。這些產(chǎn)品大都因受油田當(dāng)?shù)丨h(huán)境，測(cè)量?jī)x器的分辨率、穩(wěn)定性、價(jià)格等限制，不能在油田得到大量推廣應(yīng)用?；诖耍疚慕榻B一種快速、實(shí)時(shí)、經(jīng)濟(jì)的原油含水遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4-5]。

　　基于TMS320F2812的油井原油含水遠(yuǎn)程在線測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用了遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)[6-7]，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取及傳輸，采用DSP為主的硬件系統(tǒng)為平臺(tái)，充分發(fā)揮了DSP的快速性與靈活性，利用DSP在數(shù)字信號(hào)處理[3]的快速實(shí)時(shí)性，完成整個(gè)系統(tǒng)的搭建。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)選用TMS320F2812和GPRS作為系統(tǒng)核心部件，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制和處理。其設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。各模塊所包含的功能如下：（1）油井終端：該模塊是傳感器[8]的安裝部分，負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)感應(yīng)信號(hào)的獲取。（2）信號(hào)采集處理：該模塊由信號(hào)放大調(diào)理電路、DSP最小系統(tǒng)電路等構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)獲取的感應(yīng)信號(hào)的采集處理。（3）GPRS通信控制模塊：該模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳送和監(jiān)控中心控制指令的接收。（4）GPRS網(wǎng)絡(luò)[9]、網(wǎng)關(guān)及INTERNET：該模塊作為數(shù)據(jù)的傳輸通道，負(fù)責(zé)采集處理后數(shù)據(jù)和控制命令數(shù)據(jù)的傳送。（5）服務(wù)監(jiān)控中心：該模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集處理后數(shù)據(jù)的分析，預(yù)測(cè)原油產(chǎn)量以及遠(yuǎn)程調(diào)整測(cè)量設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)[10]等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)由兩個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)采集處理和服務(wù)監(jiān)控。前者進(jìn)行信息的獲取、采集及處理；后者通過(guò)對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、發(fā)送控制指令來(lái)調(diào)整設(shè)備標(biāo)定參數(shù)達(dá)到對(duì)測(cè)量設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控[11-12]。

　　2.1 數(shù)據(jù)采集處理部分

　　數(shù)據(jù)采集處理結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　（1）油井終端

　　該部分為傳感器安置部分。傳感器由安裝在絕緣管道內(nèi)壁上的8個(gè)環(huán)形金屬電極組成，電極1和電極8為一對(duì)激勵(lì)電極，給傳感器提供恒流源，在管道中建立電流場(chǎng)；電極2與電極7構(gòu)成含水率測(cè)量電極對(duì)；電極3、4、5、6為日后儀器升級(jí)擴(kuò)展使用。集流后，待測(cè)流體沿著上圖所示方向從傳感器內(nèi)管道流過(guò)。

　　（2）信號(hào)調(diào)理部分

　　在連續(xù)相的條件下，通過(guò)8個(gè)電極電導(dǎo)式傳感器在油井現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，而采集后的數(shù)據(jù)需要在信號(hào)調(diào)理部分進(jìn)行處理。此處對(duì)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整流等前置處理，以保證采樣數(shù)據(jù)的精確性。

　?。?）DSP處理

　　DSP處理采用TI的TMS320F2812，其片內(nèi)集成有高達(dá)128 KB 16位的Flash存儲(chǔ)器，128 KB 16位的ROM，12位ADC，其轉(zhuǎn)換速度高達(dá)80 ns/12.5 MSPS，采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，大大降低其功耗。

　　（4）GPRS通信

　　GPRS通信控制部分采用廈門四信通信科技有限公司的F2103 GPRS DTU 模塊，該模塊利用GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，提供高速、可靠、永遠(yuǎn)在線、透明傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通道，該模塊的原理框圖如圖3所示。

　　該DTU采用低功耗高性能的嵌入式處理器，可高速處理協(xié)議和大量數(shù)據(jù)；支持雙數(shù)據(jù)中心備份傳輸及多數(shù)據(jù)中心同步傳輸；支持RS232/RS485接口，且有多種工作模式選擇，便于日后軟件升級(jí)和遠(yuǎn)程維護(hù)；其內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，大大減輕客戶的開(kāi)發(fā)難度，支持透明數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)終端永遠(yuǎn)在線，使得GPRS得到最有效的利用。其嵌入的主頻為100 MHz的高性能工業(yè)級(jí)MCU可用于管理客戶應(yīng)用，從而減少了對(duì)外部控制器的依賴。

　　2.2 服務(wù)監(jiān)控部分

　　該部分負(fù)責(zé)從INTERNET數(shù)據(jù)傳輸通道上獲取采集處理后的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析。隨后通過(guò)發(fā)送控制指令給終端DSP調(diào)整設(shè)備標(biāo)定參數(shù)值。該部分結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)的軟件輔助

　　本系統(tǒng)借助DTU來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。DTU通過(guò)RS232串口與PC機(jī)或DSP相連接，借助軟件DTUConfigTool對(duì)GPRS設(shè)備進(jìn)行配置，波特率為9 600 B/s，通過(guò)AT命令對(duì)模塊進(jìn)行設(shè)置以便GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。終端工作流程如下：

　?。?）終端設(shè)備上電后，首先初始化CPU，DSP完成其外圍模塊間的協(xié)商處理，同時(shí)對(duì)DTU模塊進(jìn)行初始化，檢查SIM卡狀態(tài)等。

　?。?）DSP通過(guò)相應(yīng)的AT指令來(lái)控制DTU進(jìn)行撥號(hào)和PPP協(xié)商，待協(xié)商成功后，將與數(shù)據(jù)處理中心的服務(wù)器進(jìn)行TCP連接，一旦連接成功后，系統(tǒng)就保持在INTERNET連接狀態(tài)上。

　　（3）終端如若向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)，則需先進(jìn)行中斷請(qǐng)求的發(fā)送，雙方建立TCP連接后才可進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

　　（4）如若數(shù)據(jù)從DSP采樣得到，則先啟動(dòng)相應(yīng)操作程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，隨后將處理好的數(shù)據(jù)歸置好以便發(fā)送。

　　（5）DSP時(shí)刻進(jìn)行中斷掃描監(jiān)控中心是否有數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)，一旦收到監(jiān)控中心發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，DSP將啟動(dòng)相應(yīng)操作程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　?。?）如若沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸，則系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入節(jié)能工作模式。

4 服務(wù)監(jiān)控中心

　　服務(wù)監(jiān)控中心由一臺(tái)服務(wù)器和一臺(tái)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器組成，其中數(shù)據(jù)處理服務(wù)器安裝有監(jiān)控軟件，用來(lái)負(fù)責(zé)對(duì)原油含水檢測(cè)數(shù)據(jù)的管理。

　　當(dāng)DTU參數(shù)配置好后，將其與測(cè)量設(shè)備進(jìn)行連接。當(dāng)設(shè)備上電后，設(shè)備會(huì)按設(shè)定的程序運(yùn)行，把所檢測(cè)到的原油含水值通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器接收到終端傳來(lái)的檢測(cè)數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行處理，并把處理結(jié)果傳給服務(wù)器，以便上層查閱，并根據(jù)數(shù)據(jù)顯示狀況適時(shí)變更開(kāi)采方案，使得原油的開(kāi)采更加經(jīng)濟(jì)、高效。

5 實(shí)例分析

　　選取某油井7月份的生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表來(lái)分析，如表1所示。

　　表1可以看出，該油井產(chǎn)出的原油含水量較大，屬低產(chǎn)井，且其在整個(gè)7月份里原油的日含水比是變化的，整體趨于下降趨勢(shì)。

　　目前常用蒸餾法和電解法來(lái)測(cè)原油含水比，本文以實(shí)際油田采樣蒸餾化驗(yàn)結(jié)果與遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)果作對(duì)照。相對(duì)應(yīng)的月含水比走勢(shì)如圖5所示。

　　從圖5可以獲悉，用定時(shí)采樣蒸餾法獲取的月原油含水比如系列B所示，監(jiān)控中心接收到的經(jīng)DSP處理后的原油含水比日均值數(shù)據(jù)如系列D所示，系列C為電極傳感器所感應(yīng)到的電平日均值。從圖中可知該油井在整個(gè)7月中的產(chǎn)液含水比呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因?yàn)槊刻於〞r(shí)采樣數(shù)據(jù)量有限，其均值僅是個(gè)別時(shí)刻的原油含水比的平均，而該系統(tǒng)基于DSP每天進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，其采樣數(shù)據(jù)量較大，其均值反映的是一天的原油含水比的平均，通過(guò)對(duì)比可知，遠(yuǎn)程監(jiān)控獲取的含水日均值更能反映原油的日含水情況。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性已在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。本文提出的原油含水監(jiān)控系統(tǒng)和技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)原油含水狀況的長(zhǎng)期監(jiān)視，及時(shí)記錄原油在不同時(shí)刻的含水狀況，便于監(jiān)控中心依此評(píng)價(jià)油井產(chǎn)能，降低工人勞動(dòng)成本，對(duì)原油產(chǎn)量和開(kāi)采價(jià)值進(jìn)行評(píng)估，制定合理高效的開(kāi)采方案，進(jìn)而提高采油廠的自動(dòng)化和信息化水平。

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