為配合油田自動化建設(shè)．實現(xiàn)油田生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)自動采集與遠(yuǎn)程監(jiān)控功能．對油田現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備、現(xiàn)場儀表進(jìn)行改造，設(shè)計一套采用嵌入式采集系統(tǒng)、GPRS無線傳輸技術(shù)及B／S設(shè)計架構(gòu)。自動加載數(shù)據(jù)到公司信息中心實時數(shù)據(jù)庫．為各級管理部門提供開放的數(shù)據(jù)平臺．集油田自動采集監(jiān)控及數(shù)據(jù)傳輸為一體的油田信息自動采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以大大提升生產(chǎn)系統(tǒng)自動化管理水平．提高油田采收率、降低操作人員勞動強(qiáng)度、降低運(yùn)行成本、保證人身安全、從而提高油田核心競爭力。

1 油田工藝及系統(tǒng)組成

    油田信息自動采集是油田生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。油田開采屬野外作業(yè)，流動性強(qiáng)，點(diǎn)多、分散、距離長．施工現(xiàn)場與公司之間的信息交流長期以來沒有很好的解決方案。油田采油生產(chǎn)過程中原先采用人工的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集．由于各采油井分布距離較遠(yuǎn)．隨著所開井?dāng)?shù)的增加。現(xiàn)有的人員越來越無法勝任該項工作。特別是計量大多采用分離式測量，數(shù)據(jù)滯后且流程復(fù)雜，難以實現(xiàn)連續(xù)計量，無法優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)，采收率低，造成能源浪費(fèi)。

    針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)．本文提出一種油井信息自動采集、遠(yuǎn)程無線傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)無需現(xiàn)場繁瑣的電纜布線．可對現(xiàn)場參數(shù)實時采集與遠(yuǎn)傳．具有實時性強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)小巧等特點(diǎn)。實現(xiàn)了井口傳感器、加壓注水站、計量站現(xiàn)場儀表信息采集．經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦�司信息中心實時數(shù)據(jù)庫．為各級管理部門提供集中監(jiān)控平臺，構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)自動采集監(jiān)控系統(tǒng)．如圖l所示。在系統(tǒng)底層硬件設(shè)計中．采用一種基于通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS無線上網(wǎng)技術(shù)的自動數(shù)據(jù)采集方案．支持B／s結(jié)構(gòu)．保證系統(tǒng)具有很好的可擴(kuò)展性。

圖1 系統(tǒng)應(yīng)用整體架構(gòu)圖
Fig．1 Frame diagram of system application
 

2 系統(tǒng)構(gòu)成及各部分功能

    油田信息自動采集系統(tǒng)設(shè)計由5個部分組成：1)井口測量數(shù)據(jù)采集；2)計量站信息采集；3)加壓注水站信息采集；4)無線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)；5)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控中心。各部分的設(shè)計介紹如下：

    2.1 井口測量數(shù)據(jù)采集

    井口數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)對各采油井設(shè)備的電壓、電流、電度、溫度、壓力、流量、液位、界面、含水、示功圖、紅外報警等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對流量、電量進(jìn)行累積積算．并將數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)傳。在每口井的采油磕頭機(jī)旁安裝l臺數(shù)據(jù)采集設(shè)備(RTU)對各參數(shù)進(jìn)行采集。RTU采用基于Cortex—M3內(nèi)核的嵌入式微控制器進(jìn)行設(shè)計。Cortex—M3是ARM公司基于ARMv7架構(gòu)的最新ARM嵌入式內(nèi)核．它采用執(zhí)行Thumb一2指令的32位哈佛微體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)外設(shè)．使用分離指令和數(shù)據(jù)總線。具有更小的基礎(chǔ)內(nèi)核、價格更低、速度更快等優(yōu)點(diǎn)．這里采用美國TI公司生產(chǎn)的LM3S1626作為RTU的MCU進(jìn)行總體設(shè)計．其芯片內(nèi)置雙通訊口，可使RTU具有更好的性能。

    每臺DTU的RS485通訊口與GPRS DTU模塊相連．通過DTU數(shù)傳模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)。

    2.2 計量站信息采集

    油氣水三相流體是石油開采中常見的流體流動工況．近年來隨著石油工業(yè)的迅猛發(fā)展。油田開發(fā)中大量注水生產(chǎn)．油井開采中油水氣三相流多介質(zhì)的分別測量也越發(fā)重要．各計量站要求實現(xiàn)多口井油、氣、水含量的實時檢測及計量，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)傳，為注水作業(yè)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

    采用基于ARM7內(nèi)核的32位CPU設(shè)計XF一2005油水氣三相流量計．采用高效分離裝置、氣液平衡可調(diào)節(jié)三通閥及動靜態(tài)結(jié)合法測油含水裝置．解決了大氣量油井的氣液分離及油含水測量．使得氣液測量精度可達(dá)±2％。油含水精度達(dá)±(5—10)％。流量測量范圍寬，液量可達(dá)1：100，氣量可達(dá)1：20，重線性好。無論是低產(chǎn)、高產(chǎn)、間歇出油，一臺測量裝置不更換任何部件均可滿足測量。本裝置無需調(diào)試．結(jié)構(gòu)簡單．體積�。疅o維護(hù)量，適合于油田單井、計量站(多口井)，可控制多通道選井閥．并與其組成撬裝測量裝置，適用于油井三相流體介質(zhì)(油、水、天然氣)的實時分別計量，可以取代傳統(tǒng)的測試分離器和計量站。

    每個計量站安裝一套XF一2005油水氣三相流量計．對多口井(最多不超過16口井)的油、水、氣三相流體進(jìn)行輪巡測量．測量數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸。同時儀表上配備320x240點(diǎn)陣的彩色LCD�？汕袚Q顯示各參數(shù)的歷史記錄曲線、操作記錄、工況參數(shù)等信息。通過設(shè)定的各井輪巡測量時間，自動控制多通道閥進(jìn)行換井．可實現(xiàn)計量站無人值守作業(yè)。

    2.3 加壓注水站信息采集

    注水可以使油田能量得到補(bǔ)充，保持油層壓力。達(dá)到油田產(chǎn)油穩(wěn)定．提高油田最終采收率的目。每個注水站對多13油井進(jìn)行注水作業(yè)，為合理地安排每口井的注水生產(chǎn)量．提高油品采收率，要求實現(xiàn)對每口井的注水壓力、溫度、注水流量信息的采集。

    采用8052單片機(jī)加AD7705快速采樣芯片進(jìn)行嵌入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)計．每臺設(shè)備對最多達(dá)8口油井的注水壓力、溫度、流量進(jìn)行采集。并對流量進(jìn)行累積積算。通過RS485與DTU模塊通訊．進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。

    2.4 無線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)

    本系統(tǒng)主要利用GPRS的分組無線業(yè)務(wù)．通過無線網(wǎng)絡(luò)連接到現(xiàn)場的儀表測量裝置上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。GPRS把分組交換技術(shù)引入現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供通信。

    GPRS數(shù)據(jù)采集模塊DTU是系統(tǒng)硬件的主要部分．通過RS485接口與RTU進(jìn)行連接．實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。GPRS DTU終端選用廈門四信生產(chǎn)的F2103 GPRS IP MODEM．該模塊通過內(nèi)置的嵌入式處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GPRS無線網(wǎng)絡(luò)．

    采集信號經(jīng)DTU傳送到GPRS無線網(wǎng)絡(luò)．再與J2EE技術(shù)相結(jié)合后，由J2EE(Jaya 2 platform．en—tERPrise edition)平臺自動加載到公司信息中心實時數(shù)據(jù)庫。為各級管理部門提供集中監(jiān)控平臺．構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)。在系統(tǒng)底層硬件設(shè)計中。采用一種基于通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS無線上網(wǎng)技術(shù)的自動數(shù)據(jù)采集方案。在上層軟件設(shè)計中．采用美國Sun公司推出的J2EE平臺。系統(tǒng)采用了Java技術(shù)。J2EE架構(gòu)開發(fā)的先進(jìn)的自主群件平臺。Java技術(shù)由于其跨平臺特性。面向?qū)ο筇匦裕�安全特性等使之已�?jīng)成為構(gòu)建各類應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。J2EE把數(shù)據(jù)庫訪問、Java組件和WEB技術(shù)等有機(jī)地集成在一起．使之特別適合于構(gòu)建復(fù)雜的大中型應(yīng)用，更好支持B／S結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)具有很好的可擴(kuò)展性。如圖2所示。

圖2 GPRS無線傳輸及B／S架構(gòu)圖
Fig．2 GPRS radio transmission and B／S design
architecture

    應(yīng)新疆克拉瑪依采油廠的要求．采用TD—SCDMA代替GPRS實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，采用信威通信生產(chǎn)的U229數(shù)據(jù)采集模塊代替GPRS DTU．通過3G網(wǎng)絡(luò)將各計量站采集數(shù)據(jù)傳送到廠級服務(wù)器．實現(xiàn)與廠級ORACLE數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對接。

    2.5 數(shù)據(jù)采集監(jiān)控中心子系統(tǒng)的設(shè)計

    數(shù)據(jù)采集監(jiān)控中心的軟件設(shè)計采用B／S(brows．er／server)架構(gòu)，即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)。它是隨著Intemet技術(shù)的興起．對C／S結(jié)構(gòu)的一種變化和改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶的工作界面是通過In．temet瀏覽器來實現(xiàn)．極少部分事務(wù)邏輯在前端(Browser)實現(xiàn)，但是主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端(Server)實現(xiàn)，形成所謂三層3一tier結(jié)構(gòu)。將系統(tǒng)整體分為“客戶層”(用戶界面)，“應(yīng)用層”(商用邏輯)。“數(shù)據(jù)層”(數(shù)據(jù)庫)3層。這樣就大大簡化了客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級的成本和工作量．降低了用戶的總體成本(TCO)。目前，軟件系統(tǒng)的改進(jìn)和升級越來越頻繁．B／s架構(gòu)的產(chǎn)品明顯體現(xiàn)著更為方便的特性。今后，軟件升級和維護(hù)會越來越容易，而使用起來會越來越簡單，這對用戶人力、物力、時間、費(fèi)用的節(jié)省是顯而易見。該子系統(tǒng)的設(shè)計包括以下幾個部分：

    (1)通信服務(wù)器：它打開服務(wù)器的某一端口。監(jiān)聽并接受所有GPRS終端向該端口發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)包，然后將數(shù)據(jù)包解析成相應(yīng)參數(shù)的數(shù)據(jù)．寫進(jìn)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。

    (2)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：通信服務(wù)器從GPRS終端獲得的數(shù)據(jù)都存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上．同時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器還自動對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。

    (3)Web服務(wù)器：它連接著數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和客戶端．向客戶端提供Web服務(wù)。

    (4)客戶端：它采用瘦客戶端。只需要一個Internet瀏覽器即可�？蛻舳说娜蝿�(wù)就是向Web服務(wù)器發(fā)出http請求．然后將Web服務(wù)器返回的ht—IIll格式文件顯示給用戶。

    該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)維護(hù)、查詢統(tǒng)計、報表輸出及日志管理、系統(tǒng)參數(shù)維護(hù)、數(shù)據(jù)發(fā)布及共享等功能于一身，實施簡捷、方便、迅速，系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)處理結(jié)果被存人數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)每1rain記錄一次，每日8點(diǎn)出具原油交接計量憑證及日報表。各采集點(diǎn)使用GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端．通過移動GPRS網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)采集監(jiān)控中心相連。

    圖3為運(yùn)行在某采油廠的監(jiān)控終端數(shù)據(jù)查詢的界面。

圖3客戶瀏覽囂畫面
Fig 3 Reference to the ctient browser screen
 

3 結(jié)語

    針對大港油田、長慶油田、新疆克拉瑪依等油田開采數(shù)據(jù)采集的需要．建立油田相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)傳、監(jiān)控管理的平臺，設(shè)計自動化信息采集系統(tǒng)。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送采集數(shù)據(jù)到油田信息中心實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器．并以B／S設(shè)計架構(gòu)．使生產(chǎn)管理的各個部門能夠及時掌握油田工作狀態(tài)．縮短油田故障處理時問．合理利用資源、提高開井時率．增加油產(chǎn)趕．提高工作效率。油田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的投用為油田生產(chǎn)提高了效率、確保了生產(chǎn)的安全、精簡了組織機(jī)構(gòu)．使油田生產(chǎn)自動化水平得到一個新的提高。系統(tǒng)的性價比高．取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益．綜合效益明顯提高。經(jīng)調(diào)研全國幾十個油田、幾十萬1：3油井．目前實現(xiàn)油田信息自動采集系統(tǒng)的數(shù)量較少．所以本項技術(shù)的實現(xiàn)具有很高的推廣價值。

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本文標(biāo)題：油田信息自動采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

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