摘 要： 提出了油氣井地面測試數(shù)據(jù)無線采集的研究路線,采用采集器與中間服務器相連，采集傳感器的數(shù)據(jù)，通過無線射頻方式將數(shù)據(jù)傳送到中間服務器,中間服務器整合處理無線射頻信號，并將處理后的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳送到工控機中進行存儲、顯示、處理等。介紹了無線地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體系結構和軟件架構、數(shù)據(jù)流程，詳細闡述了無線采集監(jiān)控裝置的終端硬件設計以及系統(tǒng)現(xiàn)場測試及應用情況。
關鍵詞： 油氣測試；無線傳輸技術；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，對試油資料錄取質量的要求越來越高。目前國內外油氣井地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都采用有線傳輸方式，而隨著油氣井測試的數(shù)字化、自動化越來越強，測試采集參數(shù)越來越多，有線地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被無線地面測試數(shù)據(jù)采集所替代是必然的趨勢。它也將成為油田進行科學試油的發(fā)展方向。
有線地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已廣泛應用于油氣井試油地面測試作業(yè)中，經(jīng)過現(xiàn)場應用，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)存在以下不足：(1)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境惡劣，布線困難，工作量大；(2)地面溫度太低時，易導致信號傳輸電纜破裂損壞；(3)信號電纜維護成本較高；(4)信號電纜現(xiàn)場出現(xiàn)故障時，檢修焊接不方便；(5)現(xiàn)場布置的信號電纜經(jīng)常被割走等。
針對以上問題，提出了數(shù)字化、無線化、智能化的設計模式，研制開發(fā)了一套無線地面測試數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)實時采集并無線傳輸?shù)浆F(xiàn)場操作中心計算機進行顯示、存儲和處理等功能。
1 系統(tǒng)目標
本系統(tǒng)主要采用采集器與中間服務器相連，采集器采集傳感器的數(shù)據(jù)，然后通過無線射頻方式將數(shù)據(jù)傳送到中間服務器。中間服務器將接收到的無線射頻信號進行數(shù)據(jù)的整合處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳送到工控機中進行存儲、顯示、處理等。該技術具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、延時短、成本低等優(yōu)點。此外在該系統(tǒng)中，與傳感器配套的無線采集終端具有數(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)計分析、決策輔助等功能[2-4]。
2 試油地面測試數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)設計
2.1 無線采集監(jiān)控裝置的體系結構
根據(jù)多年現(xiàn)場測試經(jīng)驗和部分井的實際情況，試油地面測試數(shù)據(jù)測點距離現(xiàn)場控制中心直線距離約500 m，井場內常有壓裂車、酸罐、泥漿池等大型遮擋物。無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，電池的使用壽命越短，成本越高。為了降低直接成本，采集器必須設計為低功耗，而低功耗采集器通過試驗，在周圍無大型遮擋物的情況下，傳輸距離為500 m左右，不能滿足現(xiàn)場測試需要。為了很好地解決既節(jié)約用電又有較遠的傳輸距離這個矛盾，該系統(tǒng)設計了中繼器，將信號放大后再傳輸給接收器。
油氣井鉆采集測試現(xiàn)場每個節(jié)點都有固定的地址，數(shù)據(jù)的傳輸采用主從站方式，節(jié)點數(shù)量不多，而且都處于主站的無線通信范圍內，由主站統(tǒng)一控制網(wǎng)絡內的通信時序。根據(jù)這一特點，無線采集監(jiān)控裝置設計為一個實用的集中式無線傳感器網(wǎng)絡，如圖1所示。
系統(tǒng)采用先進的三層結構，并采用模塊化、結構化的設計，最底層數(shù)據(jù)服務層由SQL Server數(shù)據(jù)庫承擔，通過表、視圖、存儲過程、觸發(fā)器、規(guī)則和缺省值等工具進行數(shù)據(jù)控制，以事務方式保證數(shù)據(jù)完整性和一致性。中間層為業(yè)務邏輯層，以DLL動態(tài)庫或后臺服務的方式，完成數(shù)據(jù)的業(yè)務邏輯處理。頂層位為表示層，以應用程序或網(wǎng)頁的形式提供人機接口，負責數(shù)據(jù)的輸入輸出。它通過業(yè)務邏輯層與數(shù)據(jù)服務層打交道，獲取或提交需要的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)層次結構圖如圖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，采集板進行A/D轉換生成數(shù)字信號，然后通過無線方式發(fā)給中繼器，中繼器再以無線方式轉發(fā)給接收器，接收器通過局域網(wǎng)絡，以TCP/IP方式發(fā)給控制中心。控制中心通過一個上位機，負責數(shù)據(jù)采集，并利用ADO技術將數(shù)據(jù)實時存儲到SQL Server數(shù)據(jù)庫中；同時控制中心還通過一個下位機，負責數(shù)據(jù)管理，它與上位機共用同一個SQL Server數(shù)據(jù)庫，也利用ADO技術對數(shù)據(jù)庫進行讀寫操作，生成實時曲線及預警報警，完成采集數(shù)據(jù)的歷史曲線回放、打印、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)查詢、導出及基本信息維護等工作。
3 無線采集監(jiān)控裝置的終端硬件設計
地面測試數(shù)據(jù)自動采集及無線傳輸系統(tǒng)硬件包括四部分：第一部分為數(shù)據(jù)采集器，負責采集傳感器的數(shù)據(jù)，然后通過無線射頻方式將數(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)來的數(shù)據(jù)信號并無線轉發(fā)給接收器；第三部分為接收器，它在總控室內通過無線接收中繼器發(fā)來的數(shù)據(jù)，并通過RJ45口或DB9接入局域網(wǎng)；第四部分為現(xiàn)場控制中心，通過PC機對數(shù)據(jù)進行顯示、分析和處理[5]。系統(tǒng)層次結構圖如圖3所示。
3.1 采集器
地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集壓力、溫度、流量和差壓信號。根據(jù)測試現(xiàn)場需要主要有壓力采集器、溫度采集器、流量采集器等。主要功能是采集測點數(shù)據(jù)，并通過無線射頻方式將采集到的信息無線發(fā)送到中繼器。
數(shù)據(jù)采集器主要完成傳感器信號輸入、ADC模數(shù)轉換（脈沖輸出型流量計無需進行A/D轉換，可以直接由MCU進行檢測）、采集和記錄傳感相關數(shù)據(jù)，并通過無線射頻方式將采集到的信息無線發(fā)送到中繼器。采集器由傳感器、單片機、ADC模數(shù)轉換電路、無線射頻芯片和電池電源管理五個部分構成。即傳感器采集測點數(shù)據(jù)通過ADC模數(shù)轉換電路轉換為數(shù)字信號后傳輸給低功耗單片機（MCU），單片機經(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，同時也可以通過中繼器向采集器傳遞操作指令。采用無線通信協(xié)議為分時協(xié)議，工作頻率為433 MHz，通過檢測和現(xiàn)場試驗，效果良好。采集器內部結構如圖4所示。
3.2 接收器
接收器主要功能是通過無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。與中心服務器連接中斷時，暫存無線通道送來的數(shù)據(jù)到板載的Flash中，待正常連接后，將Flash中的數(shù)據(jù)補發(fā)給中心服務器。中繼器和接收器之間可以雙向通信。接收器內部結構如圖5所示。
接收器工作時放置在現(xiàn)場控制中心，采用外電源供電。接收器的設計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，保證實時接收采集器或中繼器傳來的數(shù)據(jù)。
4 試油地面測試數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)現(xiàn)場測試
試油地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在富順1井開展了現(xiàn)場試驗，測試層位為須二下段；地面測試設備為節(jié)流管匯、轉向管匯、熱交換器、分離器、數(shù)據(jù)采集房等；無線采集系統(tǒng)設備為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)絡集線器1只，網(wǎng)線1根，接收機天線1根，筆記本電腦1臺和無線數(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備上，作為測量設備傳輸距離和抗干擾能力。接收機天線安裝在數(shù)據(jù)采集房房頂上。接收機和網(wǎng)絡集線器放在數(shù)據(jù)采集房內。測試具體情況如下：
(1)未安裝中繼器時，套壓和熱交換器處信號較好，井場內效果均良好；
(2)中繼器放置在鉆臺司鉆房頂，所有采集器通過中轉后發(fā)送給接收機，效果非常好。將流量采集器放置在距采集房約800 m處，傳輸信號良好，無數(shù)據(jù)丟失情況發(fā)生；
(3)酸化時兩臺壓裂車同時開泵工作，整個工作期間無干擾信號產(chǎn)生，無線采集器工作穩(wěn)定；
(4)和有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，測試數(shù)據(jù)值一致，精度相當，無明顯延時滯后現(xiàn)象。
現(xiàn)場無線采集器布置圖及系統(tǒng)測試曲線圖如圖6、圖7所示。
本文中的地面測試數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)，改變了原有線采集傳輸方式，實現(xiàn)了地面測試數(shù)據(jù)采集無線傳輸功能，解決了試油測試現(xiàn)場布線困難等實際問題。通過現(xiàn)場試驗，研制開發(fā)的無線地面數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)運行可靠、性能穩(wěn)定、安全性高、自動化程度高、仿真效果直觀、數(shù)據(jù)庫集中管理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理準確可靠，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，實現(xiàn)了試油地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的升級。
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