劉亞洲

（延長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，這對于提高油井采收率和實現(xiàn)油田穩(wěn)產(chǎn)具有重大現(xiàn)實意義[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?，在偏遠井場信號較差，傳輸數(shù)據(jù)較慢，且數(shù)據(jù)不穩(wěn)定[3]。針對以上問題，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)對比實現(xiàn)含水率數(shù)據(jù)在井口儀表和后臺監(jiān)測中心之間的可靠傳輸，以及對油井含水率的在線監(jiān)測。

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

基于物聯(lián)網(wǎng)雙通道油井含水率監(jiān)測系統(tǒng)由井口儀表、數(shù)據(jù)傳輸單元和后臺監(jiān)測中心組成，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)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

井口儀表主要包括STM32主控制器、微波探測發(fā)射單元、微波探測接收單元數(shù)據(jù)存儲模塊，以及用于雙通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)腤iFi模塊和GPRS模塊[4-5]。微波探測發(fā)射單元包括供電單元、繼電器、光耦隔離器和微波探測發(fā)射器，微波探測接收單元主要包括微波探測接收器。數(shù)據(jù)傳輸單元主要包括油井智能RTU。后臺監(jiān)測中心主要包括后臺服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫以及工控機。其中，井口儀表主要負責(zé)實時采集含水率數(shù)據(jù)，將測量數(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監(jiān)測中心之間建立Socket連接，進行數(shù)據(jù)傳輸。含水率數(shù)據(jù)通過GPRS模塊直接傳輸至后臺監(jiān)測中心[6]。后臺服務(wù)器采用獨有的原油含水率在線實時計算模型和大數(shù)據(jù)分析對比校正模型進行含水率數(shù)據(jù)的高精度計算，將測量結(jié)果存儲至MySQL數(shù)據(jù)庫中，最后通過工控機以網(wǎng)頁的形式展示出各油井的實時含水率數(shù)據(jù)，便于油井現(xiàn)場人員查看分析[7]。

2 雙通道油井含水率監(jiān)測系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

2.1 井口儀表硬件原理

井口儀表通過微波進行油井含水率的檢測。采用的STM32F103RET6主控芯片包括供電電路、最小系統(tǒng)電路、信號產(chǎn)生電路、信號采集電路、通信電路和人機交互電路等。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油管內(nèi)是否有流體通過，當(dāng)有流體通過時，主控制器通過光耦隔離器控制繼電器閉合，微波探測發(fā)生器和微波探測接收器進入工作狀態(tài)。微波探測接收器將波形數(shù)據(jù)通過I/O口傳輸至STM32主控芯片進行數(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)送至后臺監(jiān)測中心[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RTU。RTU作為井口儀表和后臺監(jiān)測中心之間的信號中繼站，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 后臺監(jiān)測中心硬件組成

后臺服務(wù)器在接收到WiFi和GPRS傳輸?shù)暮什ㄐ螖?shù)據(jù)后，采用獨有的大數(shù)據(jù)分析對比校正模型和原油含水率在線實時計算模型，對接收的兩組數(shù)據(jù)進行對比、分析及計算，將計算結(jié)果存儲至數(shù)據(jù)庫中，通過工控機實時查看油井含水率數(shù)據(jù)。其中數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用聯(lián)想System x3500 M5塔式服務(wù)器，工控機選用聯(lián)想揚天系列T4900C，將MySQL數(shù)據(jù)庫作為配套軟件，用于數(shù)據(jù)存儲與調(diào)用。

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

3.1 雙通道油井含水率監(jiān)測軟件

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

圖4 雙通道油井含水率監(jiān)測軟件功能

數(shù)據(jù)采集與遠傳程序由油井含水率數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)的存儲、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)接收與計算子程序由數(shù)據(jù)包解析、信號濾波優(yōu)選、油井含水率計算及數(shù)據(jù)存儲展示四部分組成[9]。

3.2 油井含水率監(jiān)測與數(shù)據(jù)遠傳程序設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的雙通道油井含水率監(jiān)測系統(tǒng)采用微波三探頭法檢測油井實時在線含水率。油井含水率監(jiān)測與數(shù)據(jù)遠傳流程如圖5所示。

圖5 油井含水率監(jiān)測與數(shù)據(jù)遠傳流程

如圖5所示，首先判斷油井油管內(nèi)是否有液體流動，確保低位、中位和高位微波探頭至少有一組能夠檢測到有效數(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數(shù)據(jù)均有效，將有效的探測信號經(jīng)過放大、濾波和A/D采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，按照預(yù)先設(shè)定的幀格式進行數(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RTU，再通過以太網(wǎng)傳輸至后臺監(jiān)測中心。GPRS通過SIM800L模塊將數(shù)據(jù)直接傳輸至后臺監(jiān)測服務(wù)器。

3.3 油井含水率監(jiān)測數(shù)據(jù)接收與計算程序設(shè)計

油井含水率監(jiān)測數(shù)據(jù)接收與計算程序流程如圖6所示。后臺服務(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)答信號后，開始接收兩路油井含水率數(shù)據(jù)包，服務(wù)器將對數(shù)據(jù)進行解析，按照油井標(biāo)號和時間存儲數(shù)據(jù)后，向井口儀表返回時間信息。之后通過獨有的大數(shù)據(jù)分析對比校正模型對比兩路含水率信號，剔除差異較大的數(shù)據(jù)點，通過油井含水率在線實時計算模型計算出精確的油井含水率數(shù)值。計算完成后，將油井含水率數(shù)據(jù)存儲在MySQL數(shù)據(jù)庫中，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)庫根據(jù)井號和時間對含水率進行分組保存，在工控機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)場工作人員可以根據(jù)油井含水率變化趨勢調(diào)整區(qū)塊注水量。

圖6 油井含水率監(jiān)測數(shù)據(jù)接收與計算程序

4 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)的雙通道油井含水率監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用微波探頭法提高了含水率監(jiān)測的準(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)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時，針對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)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)采用獨有的大數(shù)據(jù)分析對比校正模型對采集的兩類數(shù)據(jù)進行綜合分類，通過對比剔除異常數(shù)據(jù)點，實現(xiàn)油井含水率監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時處理，從而提高油井含水率監(jiān)測數(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)用價值。