油田信息自动采集系统的设计与实现

1 油田工艺及系统组成

    油田信息自动采集是油田生产过程中的关键环节。油田开采属野外作业，流动性强，点多、分散、距离长．施工现场与公司之间的信息交流长期以来没有很好的解决方案。油田采油生产过程中原先采用人工的方式对数据进行采集．由于各采油井分布距离较远．随着所开井数的增加。现有的人员越来越无法胜任该项工作。特别是计量大多采用分离式测量，数据滞后且流程复杂，难以实现连续计量，无法优化生产参数，采收率低，造成能源浪费。

    针对现有技术存在的缺点．本文提出一种油井信息自动采集、远程无线传输系统。该系统无需现场繁琐的电缆布线．可对现场参数实时采集与远传．具有实时性强、可靠性高、结构小巧等特点。实现了井口传感器、加压注水站、计量站现场仪表信息采集．经无线网络传输到公司信息中心实时数据库．为各级管理部门提供集中监控平台，构成了网络化的远程数据自动采集监控系统．如图l所示。在系统底层硬件设计中．采用一种基于通用分组无线业务GPRS无线上网技术的自动数据采集方案．支持B／s结构．保证系统具有很好的可扩展性。

 
图1 系统应用整体架构图
Fig．1 Frame diagram of system application
 

2 系统构成及各部分功能

    油田信息自动采集系统设计由5个部分组成：1)井口测量数据采集；2)计量站信息采集；3)加压注水站信息采集；4)无线数据远传系统；5)数据采集监控中心。各部分的设计介绍如下：

    2.1 井口测量数据采集

    井口数据采集子系统对各采油井设备的电压、电流、电度、温度、压力、流量、液位、界面、含水、示功图、红外报警等数据进行采集，对流量、电量进行累积积算．并将数据进行远传。在每口井的采油磕头机旁安装l台数据采集设备(RTU)对各参数进行采集。RTU采用基于Cortex—M3内核的嵌入式微控制器进行设计。Cortex—M3是ARM公司基于ARMv7架构的最新ARM嵌入式内核．它采用执行Thumb一2指令的32位哈佛微体系结构和系统外设．使用分离指令和数据总线。具有更小的基础内核、价格更低、速度更快等优点．这里采用美国TI公司生产的LM3S1626作为RTU的MCU进行总体设计．其芯片内置双通讯口，可使RTU具有更好的性能。

    每台DTU的RS485通讯口与GPRS DTU模块相连．通过DTU数传模块将采集数据发送到GPRS网络。

    2.2 计量站信息采集

    油气水三相流体是石油开采中常见的流体流动工况．近年来随着石油工业的迅猛发展。油田开发中大量注水生产．油井开采中油水气三相流多介质的分别测量也越发重要．各计量站要求实现多口井油、气、水含量的实时检测及计量，并将数据进行远传，为注水作业提供数据依据。

    采用基于ARM7内核的32位CPU设计XF一2005油水气三相流量计．采用高效分离装置、气液平衡可调节三通阀及动静态结合法测油含水装置．解决了大气量油井的气液分离及油含水测量．使得气液测量精度可达±2％。油含水精度达±(5—10)％。流量测量范围宽，液量可达1：100，气量可达1：20，重线性好。无论是低产、高产、间歇出油，一台测量装置不更换任何部件均可满足测量。本装置无需调试．结构简单．体积小．无维护量，适合于油田单井、计量站(多口井)，可控制多通道选井阀．并与其组成撬装测量装置，适用于油井三相流体介质(油、水、天然气)的实时分别计量，可以取代传统的测试分离器和计量站。

    每个计量站安装一套XF一2005油水气三相流量计．对多口井(最多不超过16口井)的油、水、气三相流体进行轮巡测量．测量数据通过GPRS传输。同时仪表上配备320x240点阵的彩色LCD。可切换显示各参数的历史记录曲线、操作记录、工况参数等信息。通过设定的各井轮巡测量时间，自动控制多通道阀进行换井．可实现计量站无人值守作业。

    2.3 加压注水站信息采集

    注水可以使油田能量得到补充，保持油层压力。达到油田产油稳定．提高油田最终采收率的目。每个注水站对多13油井进行注水作业，为合理地安排每口井的注水生产量．提高油品采收率，要求实现对每口井的注水压力、温度、注水流量信息的采集。

    采用8052单片机加AD7705快速采样芯片进行嵌入式数据采集设备的设计．每台设备对最多达8口油井的注水压力、温度、流量进行采集。并对流量进行累积积算。通过RS485与DTU模块通讯．进行数据远传。

    2.4 无线数据远传系统

    本系统主要利用GPRS的分组无线业务．通过无线网络连接到现场的仪表测量装置上进行数据采集。GPRS把分组交换技术引入现有无线网络系统，为移动用户和数据网络之间提供通信。

    GPRS数据采集模块DTU是系统硬件的主要部分．通过RS485接口与RTU进行连接．实现数据的无线传输。GPRS DTU终端选用厦门四信生产的F2103 GPRS IP MODEM．该模块通过内置的嵌入式处理器对数据进行处理、协议封装后发送到GPRS无线网络．

    采集信号经DTU传送到GPRS无线网络．再与J2EE技术相结合后，由J2EE(Jaya 2 platform．en—terprise edition)平台自动加载到公司信息中心实时数据库。为各级管理部门提供集中监控平台．构成了网络化的远程数据自动采集系统。在系统底层硬件设计中。采用一种基于通用分组无线业务GPRS无线上网技术的自动数据采集方案。在上层软件设计中．采用美国Sun公司推出的J2EE平台。系统采用了Java技术。J2EE架构开发的先进的自主群件平台。Java技术由于其跨平台特性。面向对象特性，安全特性等使之已经成为构建各类应用的标准。J2EE把数据库访问、Java组件和WEB技术等有机地集成在一起．使之特别适合于构建复杂的大中型应用，更好支持B／S结构，保证系统具有很好的可扩展性。如图2所示。

 
图2 GPRS无线传输及B／S架构图
Fig．2 GPRS radio transmission and B／S design
architecture

    应新疆克拉玛依采油厂的要求．采用TD—SCDMA代替GPRS实现无线数据传输，采用信威通信生产的U229数据采集模块代替GPRS DTU．通过3G网络将各计量站采集数据传送到厂级服务器．实现与厂级ORACLE数据库管理系统的数据对接。

    2.5 数据采集监控中心子系统的设计

    数据采集监控中心的软件设计采用B／S(brows．er／server)架构，即浏览器和服务器结构。它是随着Intemet技术的兴起．对C／S结构的一种变化和改进的结构。在这种结构下，用户的工作界面是通过In．temet浏览器来实现．极少部分事务逻辑在前端(Browser)实现，但是主要事务逻辑在服务器端(Server)实现，形成所谓三层3一tier结构。将系统整体分为“客户层”(用户界面)，“应用层”(商用逻辑)。“数据层”(数据库)3层。这样就大大简化了客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的成本和工作量．降低了用户的总体成本(TCO)。目前，软件系统的改进和升级越来越频繁．B／s架构的产品明显体现着更为方便的特性。今后，软件升级和维护会越来越容易，而使用起来会越来越简单，这对用户人力、物力、时间、费用的节省是显而易见。该子系统的设计包括以下几个部分：

    (1)通信服务器：它打开服务器的某一端口。监听并接受所有GPRS终端向该端口发送的UDP数据包，然后将数据包解析成相应参数的数据．写进数据库服务器中。

    (2)数据库服务器：通信服务器从GPRS终端获得的数据都存储在数据库服务器上．同时数据库服务器还自动对数据进行备份。

    (3)Web服务器：它连接着数据库服务器和客户端．向客户端提供Web服务。

    (4)客户端：它采用瘦客户端。只需要一个Internet浏览器即可。客户端的任务就是向Web服务器发出http请求．然后将Web服务器返回的ht—IIll格式文件显示给用户。

    该系统集数据采集、数据维护、查询统计、报表输出及日志管理、系统参数维护、数据发布及共享等功能于一身，实施简捷、方便、迅速，系统软件的数据处理结果被存人数据库中，数据每1rain记录一次，每日8点出具原油交接计量凭证及日报表。各采集点使用GPRS数据传输终端．通过移动GPRS网络与数据采集监控中心相连。

    图3为运行在某采油厂的监控终端数据查询的界面。

 
图3客户浏览嚣画面
Fig 3 Reference to the ctient browser screen
 

3 结语

    针对大港油田、长庆油田、新疆克拉玛依等油田开采数据采集的需要．建立油田相关生产数据采集、远传、监控管理的平台，设计自动化信息采集系统。通过GPRS网络传送采集数据到油田信息中心实时数据库服务器．并以B／S设计架构．使生产管理的各个部门能够及时掌握油田工作状态．缩短油田故障处理时问．合理利用资源、提高开井时率．增加油产赶．提高工作效率。油田数据采集系统的投用为油田生产提高了效率、确保了生产的安全、精简了组织机构．使油田生产自动化水平得到一个新的提高。系统的性价比高．取得了较好的经济效益和社会效益．综合效益明显提高。经调研全国几十个油田、几十万1：3油井．目前实现油田信息自动采集系统的数量较少．所以本项技术的实现具有很高的推广价值。