余訓兵*

（中國石油天然氣股份有限公司遼河油田分公司鉆采工藝研究院）

油田開發(fā)進入中后期，稠油區(qū)塊的開發(fā)會越來越多，稠油開發(fā)一般采用蒸汽驅、SAGD（蒸汽輔助重力泄油技術）和火驅等方式。準確掌握熱采井井下溫度、壓力的變化，對稠油區(qū)塊的科學開發(fā)十分重要。

由于熱采井井下溫度較高，電子儀器無法實現井下溫度、壓力的長期監(jiān)測，因此，采用毛細管測壓及熱電偶測溫的工藝，將井底的溫度、壓力信號轉移至地面，通過熱采井多點溫壓遠程監(jiān)測系統(tǒng)進行溫度、壓力采集，并進行遠程數據傳輸、發(fā)布和存儲，最終實現遠程監(jiān)測［1-3］，如圖1所示。

圖1 熱采井多點溫壓遠程監(jiān)測實現工藝示意

熱采井多點溫壓遠程監(jiān)測系統(tǒng)是實現井下溫度、壓力遠程監(jiān)測的重要組成部分，也是實現多口熱采井數字化管理的核心。

1 整體設計

熱采井多點溫壓遠程監(jiān)測系統(tǒng)（見圖2）包括熱采井多點溫壓采集裝置及遠程監(jiān)測單元。

熱采井多點溫壓采集裝置包括：電源模塊、顯示與設置單元、多點溫壓采集單元和無線通信單元。電源模塊外接井場電源后，進行電壓轉化，從而為裝置提供電源；顯示與設置單元用于設置系統(tǒng)采集溫度、壓力的點數（溫度可實現6個點的采集，壓力最高可實現2個點的采集）；多點溫壓采集單元根據顯示與設置單元設置的各項參數，進行溫度、壓力數據采集；無線通信單元（包括串口通信電路板和DTU）與遠程監(jiān)測單元進行無線通信。

遠程監(jiān)測單元是熱采井多點溫壓遠程監(jiān)測系統(tǒng)的控制單元，包括數據庫、SCADA（數據采集與監(jiān)視控制）軟件和DTU（數據傳輸單元）。遠程監(jiān)測單元采用TCP（傳輸控制協議）與熱采井多點溫壓采集裝置通信。SCADA軟件發(fā)送特定的命令，通過DTU轉換為無線信號，然后與多個熱采井多點溫壓采集裝置進行無線通信。被指定的熱采井多點溫壓采集裝置接收到命令后，返回信號與SCADA軟件握手（非指定的裝置不返回信號），根據SCADA軟件的命令將數據發(fā)送至SCADA軟件。SCADA軟件將所接收到的數據存入數據庫中，并顯示在計算機上，同時進行網頁數據的發(fā)布，實現了對熱采井井下多點溫度和壓力的遠程監(jiān)測。

圖2 熱采井多點溫壓遠程監(jiān)測系統(tǒng)示意

2 電路設計

顯示與設置單元是熱采井多點溫壓采集裝置的控制單元，包含微控制器（PIC16F877A）、液晶顯示器、液晶畫面調節(jié)、存儲模塊和按鍵部分等。該單元接收來自遠程的命令，并對多點溫壓采集單元發(fā)送命令。其可以實現井下多點溫度和壓力數據的顯示、各項測試參數的設置。

多點溫壓采集單元采用PIC16F876A作為系統(tǒng)的微控制器，該單片機有14.3 K的程序存儲空間、368字節(jié)的數據存儲空間、256字節(jié)的EEPROM空間，滿足程序編寫的要求。該單元采用兩個芯片（AD7794）分別采集2點壓力、6點溫度（每個芯片采集1點壓力、3點溫度）。該芯片可以采用內部時鐘或外部時鐘工作，輸出數據速率可以在4.17～470 Hz變化，可以用2.7～5.25 V電源供電，C級器件的額定溫度在-40～125 ℃，可以采集6路信號。該單元電路結構如圖3所示。

圖3 多點溫壓采集單元電路結構示意

熱采井多點溫壓遠程監(jiān)測系統(tǒng)的溫度采集是0～700 ℃。溫度采集采用芯片（AD7794）采集K型熱電偶完成。熱電偶是一種典型的自發(fā)電型傳感器，工作時不需要外加電源。多點溫壓采集單元中有數字溫度傳感器（DS18B20）可以測試環(huán)境溫度，作為K型熱電偶的冷端溫度補償，連接在K型熱電偶的地上引腳，兩端溫度不同會產生溫差電動勢。測試該電動勢，即可得到兩端溫差。該溫差與環(huán)境溫度之和就是井下的溫度。芯片對K型熱電偶的采集采用偏置電壓提升測試口的輸入電壓，放大倍數選擇16倍，緩沖器自動使能。

壓力采集采用芯片（AD7794）采集壓力傳感器。該壓力傳感器通過毛細管注氮氣連接至熱采井井底，其輸出電流是4～20 mA，對應的壓力為0～10 MPa。首先，壓力采集電路采用高精密電阻50歐，將電流信號轉換為電壓信號，再由芯片進行采集，采用內部的1.17 V高精度參考電壓進行測試，不進行信號放大。壓力測試原理如圖4所示。

圖4 壓力測試原理示意

3 多點溫壓采集單元程序設計

熱采井多點溫壓采集單元實現井下溫度、壓力的采集。其程序設計采用C語言編寫，程序模塊包括溫壓采集模塊、時鐘模塊、存儲模塊、串口通信模塊、模擬串口通信模塊、timer1模塊、timer0模塊、中斷模塊、數據采集模塊和延時模塊等。

該單元程序設計有三種工作模式：一是向顯示及設置系統(tǒng)發(fā)送測試數據；二是與顯示及設置系統(tǒng)雙向通信；三是向顯示及設置系統(tǒng)發(fā)送測試數據，并與服務器雙向通信。其程序流程如圖5所示。

圖5 多點溫壓采集單元程序流程示意

4 遠程監(jiān)測單元設計

遠程監(jiān)測單元包括SCADA軟件、數據庫和DTU模塊。

SCADA是一種組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件。SCADA與裝置的通信協議使用Modbus協議。SCADA軟件的命令以Modbus協議，通過DTU模塊轉換為無線信號，發(fā)送至熱采井多點溫壓采集裝置。遠程監(jiān)測單元與指定的裝置“握手”后，實現命令與數據的傳輸，將井下溫度、壓力的數據顯示在計算機和網絡上，并存儲在計算機數據庫中，方便隨時調用。

DTU模塊產品采用工業(yè)級設計，滿足苛刻的工業(yè)環(huán)境使用要求，產品工作溫度達到-40～85 ℃，有良好的電磁兼容性和電磁抗干擾性。

Modbus協議簡單，是工業(yè)標準協議。在使用組態(tài)軟件進行軟件開發(fā)時，Modbus協議是一個成熟的選型，不必開發(fā)數據的采集和翻譯系統(tǒng)，節(jié)約開發(fā)時間。服務器采用兩個命令與熱采井多點溫壓裝置進行通信，一個發(fā)送命令要求裝置發(fā)送采樣數據，另一個發(fā)送命令要求裝置發(fā)送深度設置數據。

5 應用情況

熱采井多點溫壓遠程監(jiān)測系統(tǒng)已經在遼河油田廣泛應用，運行穩(wěn)定，效果良好。如，位于遼河油田特油二區(qū)的某井，儀器在該井進行6點溫度、2點壓力的監(jiān)測，性能穩(wěn)定，測試結果準確，如圖6所示，圖中不同顏色的曲線代表不同的溫度測試點。2017年1月11日，對該井注蒸汽，井底溫度在1月12日上升至210 ℃以上，顯示注蒸汽效果良好。

圖6 熱采井多點溫壓遠程監(jiān)測實例

6 結束語

熱采井多點溫壓遠程監(jiān)測系統(tǒng)通過熱采井多點溫壓采集裝置進行測試，采用DTU進行遠程數據傳輸，實現遠程數據監(jiān)測。該系統(tǒng)測試精度高、用戶使用方便。該技術的應用為油田準確掌握稠油區(qū)塊井下蒸汽運動方向和推進速度、調整注汽井網、分析水平井地層供液能力、合理制定生產制度等提供了有力的依據［4-6］。該技術的應用實現了熱采井溫壓測試的數字化管理，提高了油田的運行效率。