摘 要：油井液面實(shí)時(shí)可靠的監(jiān)測(cè)對(duì)于油井開發(fā)生產(chǎn)至關(guān)重要，也是油氣田數(shù)字化、智能化開發(fā)的關(guān)鍵。文中設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)式油井液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過井口儀表采集次聲波信號(hào)，使用WiFi網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳輸至監(jiān)控計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算與遠(yuǎn)程監(jiān)控。該移動(dòng)式油井液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可通過太陽能板供電，方便移動(dòng)，監(jiān)測(cè)靈活，數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)穩(wěn)定傳輸，有效降低了油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)生產(chǎn)成本，提高了油井動(dòng)液面連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性與可靠性，在數(shù)字化智能油田建設(shè)與油田開發(fā)生產(chǎn)中具有較高應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)式油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)；物聯(lián)網(wǎng)；次聲波采集；實(shí)時(shí)計(jì)算；遠(yuǎn)程監(jiān)控；太陽能電池板

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）10-00-03

0 引 言

隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)，油田監(jiān)測(cè)在采油過程中占有舉足輕重的地位，連續(xù)準(zhǔn)確的油井液面信息有助于油井的安全管理與資源管理[1-4]。傳統(tǒng)的動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在許多不足[5-6]，如定期人工測(cè)量動(dòng)液面高度耗費(fèi)人力財(cái)力，且測(cè)量周期較長(zhǎng)；測(cè)量每口井時(shí)都必須安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備，成本較高，且響應(yīng)速度慢，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程連續(xù)傳輸與監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)如今，隨著嵌入式、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，將油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了更新迭代[7-8]。針對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無法滿足的需求，本文研發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)式油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。井口儀表測(cè)量其油井接箍回波與液面回波，微音器處理回波信號(hào)并通過WiFi無線通信網(wǎng)絡(luò)將其傳輸至后臺(tái)監(jiān)控服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合處理與計(jì)算[9]，實(shí)現(xiàn)動(dòng)液面的連續(xù)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。此外，該系統(tǒng)采用獨(dú)立電源與太陽能供電系統(tǒng)，提升了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性?；谖锫?lián)網(wǎng)的移動(dòng)式油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成了傳感器、數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程管理油井的各項(xiàng)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，極大地提升了油田的生產(chǎn)效率和安全性。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)式油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)式油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為3層，分別是感知層、傳輸層和應(yīng)用層。

感知層主要由井口檢測(cè)儀表與移動(dòng)式液面監(jiān)測(cè)柜組成，井口檢測(cè)儀表的主要作用是通過移動(dòng)式液面監(jiān)測(cè)柜中產(chǎn)生的壓縮氣體或井內(nèi)伴生氣體瞬間聲爆產(chǎn)生的特定頻譜的探測(cè)聲波遇接箍和液面產(chǎn)生的反射回波來采集信號(hào)。移動(dòng)式液面監(jiān)測(cè)柜將采集的信號(hào)進(jìn)行處理、分包與加密。傳輸層將數(shù)據(jù)通過WiFi無線通信網(wǎng)絡(luò)傳送至應(yīng)用層（監(jiān)控計(jì)算平臺(tái)）[10]。應(yīng)用層再通過實(shí)際聲速計(jì)算模型和動(dòng)液面計(jì)算模型計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)液面數(shù)據(jù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)?；谖锫?lián)網(wǎng)的移動(dòng)式油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)式油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和監(jiān)控計(jì)算單元。各單元的硬件組成如下。

2.1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)單元

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)單元主要負(fù)責(zé)信號(hào)采集、處理，數(shù)據(jù)分包與加密。該單元主要由儲(chǔ)氣裝置、電磁閥、微音器、壓力傳感器、微控制單元以及太陽能充電控制器等組成。壓力傳感器測(cè)量套管壓力以便判斷是否可以進(jìn)行測(cè)量，儲(chǔ)氣罐和電磁閥因外部環(huán)境而發(fā)生氣爆從而產(chǎn)生次聲波，微音器接收回波信號(hào)并傳至微控制單元進(jìn)行信號(hào)處理。其中，該單元的電源供電主要來源于太陽能電池板。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)單元如圖2所示。

微控制單元由主控芯片STM32F103RET6及外圍電路最小系統(tǒng)作為基本電路，接入由RS 485通信模塊、外部存儲(chǔ)模塊、觸摸屏電路以及次聲波采集電路組成的數(shù)據(jù)采集控制器，用于采集動(dòng)液面信息。微控制單元硬件組成如圖3所示。

（1）主控芯片所采用的STM32F103RET6是基于32位ARM Contex-M3 RISC內(nèi)核的增強(qiáng)型主控制器，外圍電路包括電源電路、晶振電路、復(fù)位電路和JTAG電路。

（2）次聲波采集電路：主要用于采集、放大和處理次聲波信號(hào)。

（3）觸摸屏電路：連接觸摸屏，用于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和參數(shù)設(shè)定，同時(shí)方便工作人員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

（4）RS 485通信電路：RS 485通信電路主要實(shí)現(xiàn)與井口檢測(cè)儀表間的通信，該電路具有強(qiáng)大的抗干擾能力和遠(yuǎn)距離傳輸能力，且控制方便、成本較低，為系統(tǒng)提供了可靠、經(jīng)濟(jì)和高效的信號(hào)傳輸方案。

（5）外部存儲(chǔ)模塊：外部存儲(chǔ)模塊可以提供額外的存儲(chǔ)空間、數(shù)據(jù)備份功能，具有較好的數(shù)據(jù)移動(dòng)性。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸單元

數(shù)據(jù)傳輸單元以WiFi通信電路為基礎(chǔ)[11]。該模塊主頻支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11b/g/n通信協(xié)議以及完整的TCP/IP協(xié)議棧。

2.3 監(jiān)控計(jì)算單元

監(jiān)控計(jì)算單元主要負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)解密和控制計(jì)算單元，包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、監(jiān)控主機(jī)、可連網(wǎng)的電子設(shè)備[12-13]。

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器選用聯(lián)想System X3500 M5（5464I35）塔式服務(wù)器，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。監(jiān)控主機(jī)選用聯(lián)想揚(yáng)天T4900c，并安裝有數(shù)據(jù)處理軟件與SQL Sever數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)處理軟件可以進(jìn)行動(dòng)液面數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算，并得出動(dòng)液面的深度與動(dòng)液面波形。可聯(lián)網(wǎng)的電子設(shè)備可以在動(dòng)液面監(jiān)控網(wǎng)站上登錄并對(duì)各油井動(dòng)液面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油井的遠(yuǎn)程可移動(dòng)監(jiān)測(cè)。

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)式油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的功能主要包括數(shù)據(jù)采集與傳輸和動(dòng)液面監(jiān)測(cè)兩大部分。數(shù)據(jù)采集與傳輸單元主要包括動(dòng)液面信號(hào)采集、壓力信號(hào)采集、WiFi網(wǎng)絡(luò)傳輸和動(dòng)液面數(shù)據(jù)的分包與加密。其中，數(shù)據(jù)采集與傳輸單元主要完成聲波與壓力信號(hào)的采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而通過WiFi傳輸模塊傳輸至監(jiān)控計(jì)算平臺(tái)。動(dòng)液面監(jiān)測(cè)單元主要由數(shù)據(jù)接收與解密、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、動(dòng)液面計(jì)算與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示4個(gè)部分組成。該單元可以對(duì)采集與傳輸單元上傳的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解密處理，通過動(dòng)液面計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，并自動(dòng)存儲(chǔ)至FLASH存儲(chǔ)器中。基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)式油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能如圖4所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸程序

數(shù)據(jù)采集與傳輸功能主要負(fù)責(zé)采集油井動(dòng)液面數(shù)據(jù)并為其無線傳輸提供可靠保障。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，判斷該系統(tǒng)是否達(dá)到采樣時(shí)間。若達(dá)到采樣時(shí)間，開始采樣，將采集的回波信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理以及A/D轉(zhuǎn)換，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分包、加密和存儲(chǔ)，并通過WiFi通信傳輸至監(jiān)控計(jì)算平臺(tái)。數(shù)據(jù)采集與傳輸程序如圖5所示。

3.2 動(dòng)液面監(jiān)測(cè)程序

動(dòng)液面監(jiān)測(cè)的主要作用是對(duì)數(shù)據(jù)采集與傳輸單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與計(jì)算，將處理后的數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)液面深度計(jì)算，然后存儲(chǔ)并顯示。首先將接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后，利用動(dòng)液面計(jì)算模型進(jìn)行動(dòng)液面深度自動(dòng)計(jì)算，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分類與存儲(chǔ)，并顯示結(jié)果。動(dòng)液面監(jiān)測(cè)程序如圖6所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用結(jié)果分析

對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)式油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并將其應(yīng)用于某采油三廠?，F(xiàn)場(chǎng)照片如圖7所示，動(dòng)液面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1所列。

由表1可知，動(dòng)液面監(jiān)測(cè)時(shí)間選擇2024年4月8日，動(dòng)液面深度一直穩(wěn)定在1 277 m左右，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證和測(cè)試，證明該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的動(dòng)液面數(shù)據(jù)誤差小，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確。為更好地反映動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性，根據(jù)表中部分?jǐn)?shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的其他數(shù)據(jù)繪制動(dòng)液面曲線圖。動(dòng)液面監(jiān)測(cè)曲線如圖8所示。

5 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)式油井液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不同在于其液面監(jiān)測(cè)柜可以自由移動(dòng)，提高了動(dòng)液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈活性。

該系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層組成，通過WiFi傳輸線路將采集的動(dòng)液面數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控計(jì)算平臺(tái)，工作人員通過監(jiān)控計(jì)算平臺(tái)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作，實(shí)時(shí)了解油井狀況，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與計(jì)算，提高了動(dòng)液面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，為油田的智能化開發(fā)提供了有力支撐。

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