田殿龍，于洋，艾信，黃天虎

(1. 中國石油長慶油田分公司 油氣工藝研究院，陜西 西安 710018；2. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安 710018)

堵水調(diào)剖技術(shù)一直是油田改善注水開發(fā)效果、實現(xiàn)油藏穩(wěn)產(chǎn)的有效手段。堵水一般是針對油井施工而言，就是控制水油比或控制產(chǎn)水，其目的是補救油井固井質(zhì)量差的狀況和降低水淹層的滲透率，提高油層的采收率。目前長慶油田常用的堵水方法是化學(xué)法，該方法是用堵劑的化學(xué)作用對出水層進(jìn)行堵塞。調(diào)剖一般是指針對注水井施工而言，就是調(diào)整注水井的吸水剖面，改變水驅(qū)的縱向和平面的流動特性，其實質(zhì)是提高注入水在地層中的驅(qū)油面積，從而提高受效油層的采收率。目前采用的方法也是將調(diào)剖劑注入水井地層中，利用其化學(xué)作用調(diào)整水井的吸水剖面。

長慶油田注水井堵水調(diào)剖施工量逐年增多，年施工量達(dá)到450口井以上，施工隊伍數(shù)量眾多，且現(xiàn)場施工具有流動性的特點，即并不固定在某個井場，施工完一個井場便會前往下一個井場進(jìn)行施工，存在同時施工多口井的現(xiàn)象。現(xiàn)有的堵水調(diào)剖施工數(shù)據(jù)錄入仍然以人工填寫的手工報表為主，沒有實現(xiàn)信息數(shù)字化，缺乏實時監(jiān)控和實時曲線展示分析，為了提高堵水調(diào)剖的現(xiàn)場管理和監(jiān)督效率，同時也為了現(xiàn)場各項施工數(shù)據(jù)采集的全面和準(zhǔn)確，急需提高堵水現(xiàn)場施工監(jiān)測的實時性和便捷性。

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，硬件成本不斷降低，可以通過傳感器自動采集技術(shù)[1-4]，依托互聯(lián)網(wǎng)平臺來實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的堵水調(diào)剖施工現(xiàn)場監(jiān)測及管理。本次研究將借助物聯(lián)網(wǎng)USN(ubiquitous sensor networks)體系結(jié)構(gòu)，依托感應(yīng)端、服務(wù)端和應(yīng)用端三端框架技術(shù)[5-8]，設(shè)計并實現(xiàn)基于B/S架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)堵水調(diào)剖遠(yuǎn)程監(jiān)測及管理系統(tǒng)，對堵水現(xiàn)場施工實時監(jiān)控，及時準(zhǔn)確地自動記錄工藝現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)，通過Web進(jìn)行發(fā)布，從而建立起各個監(jiān)測節(jié)點的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)處理融合體系結(jié)構(gòu)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計及構(gòu)成

該系統(tǒng)遵循物聯(lián)網(wǎng)USN三層架構(gòu)設(shè)計原則，融合儀表、RTU(remote terminal unit)、視頻監(jiān)控、GPRS(general packet radio service)通信、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，將整個系統(tǒng)分為前端采集單元、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層三部分[9-12]。該系統(tǒng)三層框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，堵水調(diào)剖遠(yuǎn)程監(jiān)測及管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)三層框架結(jié)構(gòu)示意

圖2 堵水調(diào)剖遠(yuǎn)程監(jiān)測及管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

前端采集單元由現(xiàn)場傳感器和采集模塊組成，主要負(fù)責(zé)實時數(shù)據(jù)和視頻的采集[13-16]；網(wǎng)絡(luò)傳輸層也稱網(wǎng)絡(luò)通信鏈路層，主要負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控平臺；應(yīng)用層相當(dāng)于前端和后端監(jiān)控平臺，主要負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)按照用戶的需求以表格和曲線的形式展示出來[17]。

2 前端采集單元的組成及特點

前端采集單元主要由GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元、網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器(DVS)、人機界面(HMI)及RTU等部分組成，主要負(fù)責(zé)采集堵水調(diào)剖的實時壓力、流量、累積流量、井號、段塞號等數(shù)據(jù)，并將現(xiàn)場視頻上傳，RTU支持標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA模擬信號和RS-485協(xié)議，可采集現(xiàn)場傳感器采集到的數(shù)據(jù)，同時支持Modbus標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

前端采集單元主要特點包括：

1)室外防沙、防塵設(shè)計，落地安裝，便于移動使用，自動溫控調(diào)節(jié)，內(nèi)置溫控器、風(fēng)扇散熱，避免室外爆曬造成箱體內(nèi)溫度過高。

2)具備人機管理功能，配備就地顯示平臺及軟件，數(shù)據(jù)傳輸一目了然。

3)支持井場名和段塞號的中文錄入。

4)支持壓力、流量數(shù)據(jù)超限語音報警。

5)支持?jǐn)?shù)據(jù)本地存儲與查詢。

6)無線數(shù)據(jù)透明遠(yuǎn)傳，可追蹤中間傳輸數(shù)據(jù)，無需第三方管理服務(wù)。

3 網(wǎng)絡(luò)通信鏈路設(shè)計

考慮到現(xiàn)場油區(qū)部分井場未實現(xiàn)數(shù)字化的實際情況，因此無法采用WLAN傳輸，為了滿足該現(xiàn)狀，采用了WLAN傳輸和無線GPRS傳輸相結(jié)合的通信方式。兩種網(wǎng)絡(luò)通信流程如圖3和圖4所示。

圖3 WLAN傳輸流程示意

圖4 無線GPRS傳輸流程示意

在WLAN傳輸模式下： 流量計、壓力變送器和攝像頭通過電纜與前端采集單元相連，其采集的數(shù)據(jù)和視頻經(jīng)過編碼處理后傳輸給井場無線網(wǎng)橋進(jìn)入油田網(wǎng)絡(luò)。在廠級服務(wù)器建立C/S采集程序[1]，從前端采集單元獲取數(shù)據(jù)，并對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行ASCII碼轉(zhuǎn)換，變?yōu)榭捎脭?shù)據(jù)，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入廠級數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，再上傳到公司級數(shù)據(jù)庫，公司級Web服務(wù)器從該數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，再發(fā)布出去。

在無線GPRS傳輸模式下： 流量計、壓力變送器和攝像頭通過電纜與前端采集單元相連，其采集的數(shù)據(jù)和視頻經(jīng)過編碼處理后進(jìn)入4G網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)由公司級C/S數(shù)據(jù)采集軟件直接發(fā)送至公司級數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，公司級Web服務(wù)器從該數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，再發(fā)布出去。

4 監(jiān)控平臺結(jié)構(gòu)

4.1 前端監(jiān)控平臺

為了方便現(xiàn)場操作人員能就地觀察堵水調(diào)剖施工效果，并能在斷網(wǎng)的情況下，將施工數(shù)據(jù)保存，便于日后導(dǎo)出，在HMI上采用組態(tài)軟件開發(fā)了現(xiàn)場前端監(jiān)控平臺。此次選用的HMI自帶WindowsXP系統(tǒng)，組態(tài)軟件內(nèi)嵌于HMI中，為本地管理平臺、數(shù)據(jù)顯示提供軟件支持。該現(xiàn)場前端監(jiān)控平臺主要功能包括以下幾個方面：

1)實時顯示現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)，如實時注入壓力、瞬時流量、累積注入量等數(shù)據(jù)。

2)能在界面中輸入中文井場號和現(xiàn)場施工段塞號。

3)能現(xiàn)場實時顯示施工曲線，包括注入壓力和瞬時流量曲線。

4)支持壓力異常報警功能。管理人員可以在界面設(shè)置注入壓力報警限值，系統(tǒng)出現(xiàn)報警事件時，會發(fā)出聲光報警，以便管理人員及時處理事件；系統(tǒng)支持對報警事件的縱向檢索，可隨時查詢某臺裝置的歷史報警記錄。

5)具有數(shù)據(jù)存儲、檢索能力，向用戶提供方便實用的數(shù)據(jù)查詢功能?，F(xiàn)場技術(shù)人員可以查詢指定時間段的施工數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場人員在HMI上的現(xiàn)場前端監(jiān)控組態(tài)界面上輸入施工井號和將要施工的注入段塞號，然后將其發(fā)送至RTU，同時RTU獲得的實時壓力、實時流量等數(shù)據(jù)會發(fā)送到HMI上的現(xiàn)場前端監(jiān)控組態(tài)界面上顯示。

4.2 后端監(jiān)控平臺

后端監(jiān)控平臺采用J2EE平臺架構(gòu)的B/S系統(tǒng)和C/S數(shù)據(jù)采集軟件。平臺從軟件架構(gòu)上劃分為四個層次： 數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層、系統(tǒng)服務(wù)層、Web服務(wù)層[18]。

1)數(shù)據(jù)服務(wù)層。數(shù)據(jù)服務(wù)層主要由系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，負(fù)責(zé)整個平臺的數(shù)據(jù)存儲、發(fā)布和管理任務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù)層是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，按照數(shù)據(jù)來源設(shè)計為生產(chǎn)指揮系統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫、A2系統(tǒng)數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)庫。

2)應(yīng)用服務(wù)層。應(yīng)用服務(wù)層主要由系統(tǒng)應(yīng)用模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的業(yè)務(wù)實現(xiàn)，具體包括段塞監(jiān)控、壓力流量預(yù)警、短信發(fā)送等。

3)系統(tǒng)服務(wù)層。系統(tǒng)服務(wù)層主要將系統(tǒng)應(yīng)用功能進(jìn)行整合，以統(tǒng)一風(fēng)格的界面面向最終用戶，該層承載用戶的所有增、刪、改、查等具體應(yīng)用。

4)Web服務(wù)層。Web服務(wù)層主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)功能的發(fā)布，最終用戶通過Web服務(wù)層提供的網(wǎng)頁地址登錄系統(tǒng)進(jìn)行工作。該層采用Apache Web服務(wù)器集群進(jìn)行搭建，由3個Jboss 2/Tomcat 7 Web服務(wù)應(yīng)用組成。采用系統(tǒng)熱備份的方式運行，當(dāng)某個Web服務(wù)出現(xiàn)問題時系統(tǒng)自動切換到備用Web服務(wù)上，確保系統(tǒng)的無間隔使用[19-20]。

后端監(jiān)控平臺從應(yīng)用功能上劃分為： 堵水調(diào)剖井?dāng)?shù)據(jù)采集、堵水調(diào)剖井實時監(jiān)控、堵水調(diào)剖井預(yù)警監(jiān)控、堵水調(diào)剖井歷史查詢、堵水調(diào)剖井?dāng)?shù)據(jù)維護(hù)、系統(tǒng)日志管理、系統(tǒng)權(quán)限管理、系統(tǒng)擴展接口八部分，系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能架構(gòu)示意

后端監(jiān)控平臺主界面主要通過報表形式展示公司級和各廠級注堵水調(diào)剖井的井名、施工開始時間、施工結(jié)束時間、調(diào)剖前壓力、調(diào)剖前注入量、當(dāng)前段塞名稱、實時壓力、實時流量、累計注入量、當(dāng)前狀態(tài)、數(shù)據(jù)更新時間等的指標(biāo)情況。

標(biāo)準(zhǔn)化按鈕可滿足用戶對界面信息的操作。視頻按鈕可以連接到對應(yīng)單機的視頻；曲線按鈕打開查看當(dāng)前井的實時段塞號、實時壓力、累計注入量、實時流量曲線；點擊參數(shù)按鈕對參數(shù)進(jìn)行設(shè)定；文檔按鈕可以上傳、查看當(dāng)前井地質(zhì)方案、施工方案及施工總結(jié)。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)實現(xiàn)了對油田堵水調(diào)剖施工現(xiàn)場的信息化管理，達(dá)到了對施工過程的實時監(jiān)控目的，有效提高了堵水調(diào)剖的現(xiàn)場管理水平和施工過程的質(zhì)量控制，并對后期堵水調(diào)剖技術(shù)分析提供了可靠的數(shù)據(jù)來源。

面對復(fù)雜的施工現(xiàn)場，系統(tǒng)支持WLAN和無線GRPS兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將堵水調(diào)剖施工現(xiàn)場的壓力、流量等實時數(shù)據(jù)和視頻遠(yuǎn)傳至公司服務(wù)器，同時為了便于現(xiàn)場工作人員的管理，其前端采集單元內(nèi)置液晶觸摸屏，可進(jìn)行施工數(shù)據(jù)的顯示和錄入，液晶界面操作簡單，數(shù)據(jù)維護(hù)便捷，方便現(xiàn)場應(yīng)用。系統(tǒng)監(jiān)控管理平臺以Web界面實時顯示堵水調(diào)剖過程中的流量、壓力等主要參數(shù)，對堵水調(diào)剖現(xiàn)場實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實現(xiàn)按油田公司、廠處兩級堵水調(diào)剖遠(yuǎn)程監(jiān)控及管理，并能實現(xiàn)對堵水調(diào)剖過程的預(yù)警判斷，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢功能，后臺支持?jǐn)?shù)據(jù)的錄入管理、維護(hù)功能等，實現(xiàn)了注堵水調(diào)剖井工況的實時分析、預(yù)警、指標(biāo)統(tǒng)計、曲線報表自動生成等功能，滿足了油田數(shù)字化管理模式下對注堵水調(diào)剖井精細(xì)化、數(shù)字化、扁平化的管理要求。