劉亞洲

（延長(zhǎng)油田股份有限公司定邊采油廠，陜西 榆林 718600）

0 引 言

在數(shù)字化智能油田建設(shè)過程中，油井含水率是重要的工藝監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確、穩(wěn)定的油井含水率能夠有效反應(yīng)出油井儲(chǔ)油層特性和注水開發(fā)狀況，為調(diào)整注水工藝與智能采油控制提供數(shù)據(jù)支撐，這對(duì)于提高油井采收率和實(shí)現(xiàn)油田穩(wěn)產(chǎn)具有重大現(xiàn)實(shí)意義[1-2]，因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的準(zhǔn)確可靠的油井含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尤為重要。目前，在陜北低滲超低滲油田，現(xiàn)有的油井含水率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般多采用WiFi或GPRS網(wǎng)絡(luò)的單一傳輸方式。其中，WiFi網(wǎng)絡(luò)傳輸方式存在傳輸距離短、連接設(shè)備有限，在數(shù)據(jù)量較大時(shí)易產(chǎn)生數(shù)據(jù)包堵塞、丟失等問題；采用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞揭资芑久芏鹊南拗?，在偏遠(yuǎn)井場(chǎng)信號(hào)較差，傳輸數(shù)據(jù)較慢，且數(shù)據(jù)不穩(wěn)定[3]。針對(duì)以上問題，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的雙通道油井含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括WiFi和GPRS兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，通過數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)現(xiàn)含水率數(shù)據(jù)在井口儀表和后臺(tái)監(jiān)測(cè)中心之間的可靠傳輸，以及對(duì)油井含水率的在線監(jiān)測(cè)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)雙通道油井含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)雙通道油井含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由井口儀表、數(shù)據(jù)傳輸單元和后臺(tái)監(jiān)測(cè)中心組成，如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的雙通道油井含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

井口儀表主要包括STM32主控制器、微波探測(cè)發(fā)射單元、微波探測(cè)接收單元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，以及用于雙通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)腤iFi模塊和GPRS模塊[4-5]。微波探測(cè)發(fā)射單元包括供電單元、繼電器、光耦隔離器和微波探測(cè)發(fā)射器，微波探測(cè)接收單元主要包括微波探測(cè)接收器。數(shù)據(jù)傳輸單元主要包括油井智能RTU。后臺(tái)監(jiān)測(cè)中心主要包括后臺(tái)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)以及工控機(jī)。其中，井口儀表主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集含水率數(shù)據(jù)，將測(cè)量數(shù)據(jù)打包、加密，通過WiFi將含水率數(shù)據(jù)傳輸至RTU，RTU作為數(shù)據(jù)傳輸中繼站在井口儀表和后臺(tái)監(jiān)測(cè)中心之間建立Socket連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。含水率數(shù)據(jù)通過GPRS模塊直接傳輸至后臺(tái)監(jiān)測(cè)中心[6]。后臺(tái)服務(wù)器采用獨(dú)有的原油含水率在線實(shí)時(shí)計(jì)算模型和大數(shù)據(jù)分析對(duì)比校正模型進(jìn)行含水率數(shù)據(jù)的高精度計(jì)算，將測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)至MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，最后通過工控機(jī)以網(wǎng)頁(yè)的形式展示出各油井的實(shí)時(shí)含水率數(shù)據(jù)，便于油井現(xiàn)場(chǎng)人員查看分析[7]。

2 雙通道油井含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 井口儀表硬件原理

井口儀表通過微波進(jìn)行油井含水率的檢測(cè)。采用的STM32F103RET6主控芯片包括供電電路、最小系統(tǒng)電路、信號(hào)產(chǎn)生電路、信號(hào)采集電路、通信電路和人機(jī)交互電路等。井口儀表的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 井口儀表硬件結(jié)構(gòu)

流量傳感器用于檢測(cè)油管內(nèi)是否有流體通過，當(dāng)有流體通過時(shí)，主控制器通過光耦隔離器控制繼電器閉合，微波探測(cè)發(fā)生器和微波探測(cè)接收器進(jìn)入工作狀態(tài)。微波探測(cè)接收器將波形數(shù)據(jù)通過I/O口傳輸至STM32主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)封包加密，之后通過ESP-07S的WiFi模塊和SIM800L的GPRS模塊將含水率數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺(tái)監(jiān)測(cè)中心[8]。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸單元硬件構(gòu)成

數(shù)據(jù)傳輸單元主要包括井場(chǎng)RTU。RTU作為井口儀表和后臺(tái)監(jiān)測(cè)中心之間的信號(hào)中繼站，選取S3C4510B01作為主控芯片，該芯片內(nèi)含TCP/IP協(xié)議，能夠穩(wěn)定進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。RTU的硬件構(gòu)成如圖3所示。

圖3 RTU硬件構(gòu)成

2.3 后臺(tái)監(jiān)測(cè)中心硬件組成

后臺(tái)服務(wù)器在接收到WiFi和GPRS傳輸?shù)暮什ㄐ螖?shù)據(jù)后，采用獨(dú)有的大數(shù)據(jù)分析對(duì)比校正模型和原油含水率在線實(shí)時(shí)計(jì)算模型，對(duì)接收的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、分析及計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過工控機(jī)實(shí)時(shí)查看油井含水率數(shù)據(jù)。其中數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用聯(lián)想System x3500 M5塔式服務(wù)器，工控機(jī)選用聯(lián)想揚(yáng)天系列T4900C，將MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為配套軟件，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與調(diào)用。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的雙通道油井含水率監(jiān)測(cè)軟件

3.1 雙通道油井含水率監(jiān)測(cè)軟件

基于物聯(lián)網(wǎng)的雙通道油井含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件部分主要由數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)傳程序、含水率數(shù)據(jù)接收與計(jì)算程序組成。雙通道油井監(jiān)測(cè)軟件功能如圖4所示。

圖4 雙通道油井含水率監(jiān)測(cè)軟件功能

數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)傳程序由油井含水率數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、組包，WiFi數(shù)據(jù)傳輸以及GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)瘸绦蚪M成。含水率數(shù)據(jù)接收與計(jì)算子程序由數(shù)據(jù)包解析、信號(hào)濾波優(yōu)選、油井含水率計(jì)算及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)展示四部分組成[9]。

3.2 油井含水率監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳程序設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的雙通道油井含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用微波三探頭法檢測(cè)油井實(shí)時(shí)在線含水率。油井含水率監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳流程如圖5所示。

圖5 油井含水率監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳流程

如圖5所示，首先判斷油井油管內(nèi)是否有液體流動(dòng)，確保低位、中位和高位微波探頭至少有一組能夠檢測(cè)到有效數(shù)據(jù)，并判斷中位微波探頭含水率數(shù)據(jù)是否小于零，若小于零，表明只有低位微波探頭的探測(cè)有效，若不小于零，則繼續(xù)判斷高位微波探頭的數(shù)據(jù)。若含水率值不小于零，則表明低位、中位和高位微波探頭的探測(cè)數(shù)據(jù)均有效，將有效的探測(cè)信號(hào)經(jīng)過放大、濾波和A/D采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，按照預(yù)先設(shè)定的幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)組包，并通過WiFi和GPRS兩種數(shù)字傳輸方式上傳[10]。WiFi首先將含水率數(shù)據(jù)傳輸至井場(chǎng)RTU，再通過以太網(wǎng)傳輸至后臺(tái)監(jiān)測(cè)中心。GPRS通過SIM800L模塊將數(shù)據(jù)直接傳輸至后臺(tái)監(jiān)測(cè)服務(wù)器。

3.3 油井含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收與計(jì)算程序設(shè)計(jì)

油井含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收與計(jì)算程序流程如圖6所示。后臺(tái)服務(wù)器一直處于發(fā)送連接問答狀態(tài)，當(dāng)接收到WiFi和GPRS的應(yīng)答信號(hào)后，開始接收兩路油井含水率數(shù)據(jù)包，服務(wù)器將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，按照油井標(biāo)號(hào)和時(shí)間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后，向井口儀表返回時(shí)間信息。之后通過獨(dú)有的大數(shù)據(jù)分析對(duì)比校正模型對(duì)比兩路含水率信號(hào)，剔除差異較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過油井含水率在線實(shí)時(shí)計(jì)算模型計(jì)算出精確的油井含水率數(shù)值。計(jì)算完成后，將油井含水率數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，并下發(fā)至井口儀表，在井口儀表的顯示屏上顯示。此外，數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)井號(hào)和時(shí)間對(duì)含水率進(jìn)行分組保存，在工控機(jī)客戶端將各油井的含水率數(shù)據(jù)繪制成折線圖并顯示，油井現(xiàn)場(chǎng)工作人員可以根據(jù)油井含水率變化趨勢(shì)調(diào)整區(qū)塊注水量。

圖6 油井含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收與計(jì)算程序

4 結(jié) 語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)的雙通道油井含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用微波探頭法提高了含水率監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，使用WiFi和GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式建立的雙通道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院捅O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，針對(duì)陜北低滲超低滲油田特殊的地理與通信環(huán)境，此法提高了油井含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)采用獨(dú)有的大數(shù)據(jù)分析對(duì)比校正模型對(duì)采集的兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分類，通過對(duì)比剔除異常數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)油井含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，從而提高油井含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，為油田智能開發(fā)控制提供依據(jù)，在數(shù)字化智能油田建設(shè)與油田開發(fā)生產(chǎn)中具有典型應(yīng)用價(jià)值。