賈志鵬，念 彬，周 婷，余 杰

（長慶油田分公司隴東頁巖油開發(fā)項目部，甘肅 慶城 745100）

0 引 言

在油田開發(fā)過程中，油井原油含水率是油井生產(chǎn)的一項重要指標(biāo)，它直接影響其開采、脫水、儲運和銷售等環(huán)節(jié)[1]。因此，在原油開采過程中，需要對含水率及其變化進行實時監(jiān)測，掌握油井的開發(fā)狀態(tài)。目前國內(nèi)外油田企業(yè)中，對油井含水率的測量仍然以傳統(tǒng)的“蒸餾法”為主，化驗時間長、勞動強度大，而且手工取樣化驗以點概面不具有代表性[2]。國內(nèi)含水率監(jiān)測普遍仿照美國AGAR公司早期技術(shù)—射頻法或短波法分析儀，其不足是：探頭技術(shù)不穩(wěn)定，低含水不夠精確，高含水靈敏度不高，此外，大多數(shù)含水率監(jiān)測系統(tǒng)采用GPRS通信方式實現(xiàn)井口儀表和監(jiān)控后臺之間的數(shù)據(jù)傳輸，GPRS通信方式容易發(fā)生數(shù)據(jù)包出錯、丟失等情況；同時，還需向運營商繳納大量的通信費用，增加了系統(tǒng)成本，不利于產(chǎn)品的推廣使用。

本文對油井原油含水率微波實時檢測方法進行研究，提出了一種基于WiFi的原油含水率在線監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)主要由井口儀表、RTU、含水率監(jiān)控后臺組成。井口儀表實時采集油管中的含水率數(shù)據(jù)，RTU作為數(shù)據(jù)傳輸中轉(zhuǎn)站，搭建WiFi無線通信網(wǎng)絡(luò)，并建立Socket連接，使得含水率數(shù)據(jù)在井口儀表和監(jiān)控后臺之間進行可靠傳輸，從而實現(xiàn)對原油含水率的實時在線監(jiān)測，在含水率監(jiān)測領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

1 含水率微波檢測技術(shù)原理

原油含水率監(jiān)測以微波檢測為手段，井口儀表中的微波發(fā)射器將恒幅、恒頻的電磁波發(fā)射到含水的原油中，由于原油中含水量的不同，介質(zhì)所吸收的波能量也不同[3]，微波探測器將因透過介質(zhì)含水率不同而引起能量不同的微波信號輸入基于ARM的井口儀表中，進行信號的濾波、放大、校正后，將數(shù)據(jù)分包、加密，采用WiFi傳輸至后臺監(jiān)控服務(wù)器。后臺服務(wù)器采用獨有的油井含水率實時計算模型和大數(shù)據(jù)分析自適應(yīng)校正模型進行實時高精度穩(wěn)定計算，確保一井一方法，實現(xiàn)油井含水率實時動態(tài)監(jiān)測。微波檢測原理如圖1所示。

圖1 微波檢測原理框圖

2 含水率監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

基于WiFi的原油含水率在線監(jiān)測系統(tǒng)由井口儀表、RTU和監(jiān)控后臺構(gòu)成[4-5]，如圖2所示。

圖2 含水率監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

井口儀表由含水率數(shù)據(jù)采集模塊和WiFi通信模塊構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集模塊實時采集管道中的含水率數(shù)據(jù)，由WiFi通信模塊上傳數(shù)據(jù)。RTU負(fù)責(zé)組建監(jiān)測系統(tǒng)，借助WiFi通信網(wǎng)絡(luò)實時傳輸含水率數(shù)據(jù)[6]。監(jiān)控后臺主要包括主機（安裝SQL Server數(shù)據(jù)庫）、服務(wù)器以及手機等終端設(shè)備，主機選擇戴爾XPS17-9700，將RTU傳來的含水率加密數(shù)據(jù)包根據(jù)事先約定的協(xié)議進行解析計算，得出當(dāng)前的含水率實際值。選擇聯(lián)想ST558服務(wù)器存儲最終計算得到的含水率數(shù)據(jù)，它是終端設(shè)備含水率信息查看時的數(shù)據(jù)來源。主機通過獨有的含水率計算模型計算得到實際含水率數(shù)據(jù)后，再回傳給井口儀表，供現(xiàn)場人員查看，同時，還將數(shù)據(jù)分類保存到SQL Server數(shù)據(jù)庫，以便管理員查看，并對數(shù)據(jù)進行分析，進而為制定下一步的采油計劃提供依據(jù)。也可通過手機在采油現(xiàn)場登錄含水率監(jiān)測APP，實時查閱油井含水率數(shù)據(jù)信息，使含水率監(jiān)測更加便捷。

3 含水率監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 井口儀表設(shè)計

井口儀表根據(jù)微波檢測法計算得到原油含水率。井口儀表選用型號為STM32F103RET6的ARM芯片作為主控芯片，對微波信號進行采集、處理和數(shù)據(jù)封包；選用ESP-07S WiFi模塊作為無線數(shù)據(jù)的傳輸模塊。井口儀表硬件組成如圖3所示。

圖3 井口檢測裝置硬件組成

井口儀表測試管道底部的流量傳感器實時檢測管道中是否有液體流過，當(dāng)有液體流過時，主控制器便控制繼電器閉合，從而為底部的微波探測發(fā)射器提供直流電源[7]，發(fā)射器發(fā)射電磁波，正對頂部的微波探測器接收器，將探測波形通過STM32F103的A/D口傳輸至主控芯片進行數(shù)據(jù)處理，并通過串口模塊將數(shù)據(jù)傳輸至WiFi模塊進行數(shù)據(jù)的封包加密，最終，含水率數(shù)據(jù)包上傳到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端RTU。WiFi模塊ESP-07S和主控芯片STM32F103的接口加密，發(fā)送給含水率監(jiān)控后臺。WiFi與STM32接口電路如圖4所示。

圖4 WiFi與STM32接口電路

3.2 井口RTU設(shè)計

RTU作為井口儀表和監(jiān)控后臺之間的傳輸媒介，主控芯片采用基于ARM的S3C4510B01微控制器，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議和IEEE802.11協(xié)議，提供無線接入點，依據(jù)TCP/IP協(xié)議，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與監(jiān)控后臺的通信，完成井口儀表與含水率監(jiān)控后臺間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。RTU硬件組成如圖5所示。

圖5 RTU硬件組成

4 含水率監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)

4.1 含水率監(jiān)測系統(tǒng)軟件組成

含水率監(jiān)測系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)采集與通信程序、數(shù)據(jù)解密與含水率計算程序組成，如圖6所示。數(shù)據(jù)采集與通信程序包含含水率數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加密處理和WiFi通信傳輸3個子程序；數(shù)據(jù)解密與含水率計算程序包含數(shù)據(jù)解析處理、含水率數(shù)值計算和數(shù)據(jù)展示與存儲3個子程序。

圖6 含水率監(jiān)測系統(tǒng)軟件組成

4.2 數(shù)據(jù)采集與通信程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集與通信程序?qū)⒅骺刂破鲗崟r接收的波形數(shù)據(jù)進行濾波、A/D轉(zhuǎn)換、分包、加密等處理后，檢測附近可以接入的WiFi信號并成功連接，之后基于TCP/IP通信協(xié)議將數(shù)據(jù)包發(fā)送到含水率監(jiān)控后臺。數(shù)據(jù)采集與通信流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集與通信流程

4.3 數(shù)據(jù)解析與含水率計算程序設(shè)計

數(shù)據(jù)解析與含水率計算程序?qū)TU上傳到監(jiān)控后臺的數(shù)據(jù)進行解密、運算、展示和存儲。當(dāng)RTU和服務(wù)器連接成功后，含水率加密數(shù)據(jù)包傳輸至后臺監(jiān)控主機進行解密、處理后，計算得到含水率，并將該數(shù)據(jù)分類存儲到數(shù)據(jù)庫，以供用戶或者管理員在遠(yuǎn)程客戶端登錄獲取原油的含水率信息。數(shù)據(jù)解析與含水率計算流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)解析與計算流程

5 結(jié) 語

（1）提出了一種基于WiFi的原油含水率在線監(jiān)測系統(tǒng)，采用微波作為探測手段，將WiFi作為傳輸方式，較好地解決了傳統(tǒng)原油含水率檢測方法實時性不高、精度不高等問題。

（2）設(shè)計了一種基于WiFi的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，井口儀表實時監(jiān)測含水率數(shù)據(jù)，通過RTU發(fā)送給監(jiān)控后臺，監(jiān)控后臺可實時接收、解析、計算含水率數(shù)據(jù)，借助瀏覽器可實時查閱含水率數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了原油含水率在線實時監(jiān)測，在數(shù)字智能油田與智慧油田建設(shè)中具有重要的應(yīng)用價值。