智能井場數據遠程傳輸系統的研究與應用

徐英卓　張瑞佳

摘要：智能井場數據遠程傳輸系統是基于物聯網技術提出的智能采集傳輸一體化解決方案，系統以井場采傳設備、通訊網絡和油田信息監測為核心，將采集到的井場數據遠程傳送到基地的數據庫，進行遠程實時監控。系統利用智能采傳儀以支持多源信息的集中采集，并進行WITS標準傳輸，數據遠傳服務器端采用負載均衡來完成實時數據的接收、存儲、轉發，同時提供FTP服務支持數據緩存和斷點續傳，為后端應用、輔助決策提供準確、安全的數據支持。

關鍵詞：遠程傳輸；智能化；物聯網；井場數據

0引言

在油田信息化系統中，井場數據傳輸的高效性、穩定性一直是油田生產過程中難以解決的問題，油田井場往往在比較偏遠的山區曠野，如沙漠等惡劣環境，管理方式多為人工每日值守，記錄相關數據，獲取的井場信息通過租用衛星通道或使用遠距離微波進行傳輸，但由于惡劣的天氣或其他原因常常會出現數據鏈路中斷。為了彌補上述不足，確保井場數據的準確采集和高效穩定傳輸，本文提出基于物聯網技術的智能井場數據遠程傳輸系統，該系統利用智能采傳儀（采傳一體化設備）進行多源信息的集中采集和基于WITS標準（井場信息傳輸規范標準）的數據傳輸和共享，為基地用戶提供可靠安全的實時數據，實現了智能采集傳輸一體化，滿足了對實時數據監測的需求，同時為多專業協同作業、遠程決策及生產指揮提供數據支持。

1系統的總體設計

1.1系統部署

智能井場數據遠程傳輸系統在油田的部署，主要體現在利用傳感器等設備對油田現場情況的監測，整個系統的部署情況如圖1所示。

圖1中反映了井場傳感器和其他設備的數據借由通訊網絡傳輸至基地進行實時監測的完整過程。具體地，采集儀器將傳感器數據傳送到儀器控制機和智能采傳儀；智能采傳儀將數據通過AP組網、WIFI網絡、3G通訊網絡等傳送至工房區域和基地；在工房區域用戶的設備終端配備有系統的客戶端，可以將智能采傳儀或其他源頭的數據選擇正確的服務器實現上傳；系統的數據接收服務器則規劃指定在大后方基地，集成了各種數據服務以供基地用戶監測數據。

1.2系統的構成和功能

本系統由智能采傳儀、井場信息處理平臺和監控中心組成。在此，將針對每一部分給出功能闡析與設計論述。

1.2.1智能采傳儀

油田現場采用鉆井參數儀、LWD/MWD、巖心掃描儀、綜合錄井儀等眾多儀器來采集實時數據，但這些設備存在接口形式眾多、數據格式不同的問題。基于這一實際探討，本系統采用智能采傳儀將各個設備的實時采集接口按照統一規范同步封裝，并對各類傳感器數據和儀器數據設計整定有一體化采集，經過相應處理后實現基于WITS標準的數據傳輸和共享。智能采傳儀的功能結構如圖2所示。

在進行傳輸時，智能采傳儀通過RJ45連接至用戶工作區域內的自建網絡、通過RS232接口和USB接口來連接現場儀器設備，獲取相關數據；提供現場具有ZigBee協議和433MHZ協議的無線儀器儀表的連接處理模塊：提供小范圍WIFI覆蓋（100 m2）和AP覆蓋（半徑300 m或者500 m）。目前支持的各類儀器有：SLZ2A、SLZ-ACE、DIS4.5、DLS5.0、AIS2、Advantage、SL-EXPLORE、SKl.4.0.5、SKl.5、SKI.6、CPS2000、CPS3000、CMS、Drillbyte、wellstar、GWLWD、恒泰系列、海藍系列、BakerHughes儀器、Haliburton儀器、威德福儀器、斯倫貝謝儀器、GE、基于4-20 mA儀表、基于ZigBee無線傳感器、基于433 MHz無線傳感器、基于232和485的各類儀器儀表、基于WIFI的儀器儀表等等，實現了對各種傳感器及設備數據的自動采集。

1.2.2井場信息處理平臺

井場信息處理平臺包括傳輸客戶端和數據接收服務器端，兩者之間的數據通信如圖3所示。為此，研究將逐步展開詳述如下。

1.2.2.1傳輸客戶端

客戶端主要由系統設置、配置管理、數據傳輸、工具、視圖等模塊組成。

1）系統設置：連接、斷開服務器連接和退出。遠程服務器連接用于接收實時數據采集模塊傳送的數據，在鏈路正常時，將實時數據及時、正確地傳輸到服務器；如果TCP鏈路不通，則將實時數據緩存起來，系統隨后會在網絡連接重新建立后，將緩沖數據打包成文件，自動通過FFP文件傳輸模塊上傳到服務器。同時對網絡鏈路進行實時監視，判斷當前鏈路狀態，對于已經斷開的鏈路要及時處理，重新連接服務器，建立新的鏈路，保證實時數據傳輸通暢。該模塊支持多服務器數據傳輸，可以同時連接多個服務器，建立各自的實時數據傳輸通道，將實時數據同時發往各個服務器，對各個服務器的發送狀態進行獨立的控制。

2）配置管理：服務器參數、井基本參數、儀器參數、完井庫參數、工況狀態維護等的配置。其中，服務器參數包括服務器的名稱、IP地址、實時數據端口、FFP端口等。井基本參數包括井場名稱、井場密碼、指令附件存儲目錄、未發送數據累積保存的文件路徑等。用戶可根據不同的錄井儀器配置對應的儀器參數、數據采集時間間隔、數據采集過程中累積數據數目的閾值等。完井庫參數則為完井數據庫的路徑、密碼。工況狀態維護即是對工況進行自動判斷和手動更改并傳輸。

3）數據傳輸：啟動采集、停止采集、工況傳輸、數據補采。啟動采集重點是對從錄井儀采集的實時數據引入必要的處理，形成系統所需要的標準數據，提交至實時數據傳輸模塊進行傳輸。如果在某個時間段未采集數據，系統提供了歷史數據補采機制，支持自動和手動兩種方式補采數據。數據補采根據設定好的日期或者井深處進行數據的歷史采集，補采的數據按照一定的格式保存到文件。補采結束后，系統自動提交FTP文件傳輸模塊，并壓縮上傳到數據接收服務器。

4）工具：完井庫上傳、分類文件上傳、指令回復等。在研究中，完井庫上傳是對現場數據庫進行數據查新和壓縮上傳到數據接收服務器。分類文件上傳則用于實現如地質日報、油氣專報、鉆井設計、地質完井報告、完井測試報告等以Word、Excel連同多種形式存在的各類文件的上傳、下載。而指令回復就是根據平臺下達的指令做出回復。

5）視圖：文件傳輸記錄、指令歷史記錄、消息歷史記錄。分別對系統運行過程中的文件傳輸時間、路徑、上傳的目的地信息，將平臺下達的指令部門、內容、附件大小、附件名稱，對上傳的各類文件及上傳狀態進行記錄。

1.2.2.2數據接收服務器端

數據接收服務器端主要提供實時數據服務、FFP服務、解壓寫庫服務、后臺監控服務等。各類服務的內容設計可作如下解析展示。

1）實時數據服務：用戶管理、鏈路維護、實時數據接收、指令下達、文件上傳結果回復。服務器端要及時接收客戶端的連接請求，如果連接請求通過用戶認證，則記錄相應的鏈路信息，并實時監視客戶、服務器之間的鏈路狀態，判斷當前鏈路狀態，對于已經斷開的鏈路要及時處理，回收其占用資源，等待處理客戶端新的連接。服務器端同時接收多個客戶端傳輸的實時數據，由于客戶端是按照一定的時間間隔向服務器傳輸實時數據，因此，服務器必須在很短的時間，調度操控實時數據的接收、存儲、轉發；否則，就會造成實時數據的積累、丟失，達不到實時系統的預定目標。指令下達功能是為了方便將用戶通過平臺發出的指令、通知等信息，及時傳輸給指定用戶。對于FFP服務來說，偶爾會出現上傳加載的文件無法正常解壓的現象，這時服務器就不能得到客戶上傳的信息，而客戶端又不知道上傳文件出現錯誤，不會重發該文件。因此，及時、正確地將文件上傳是否成功的信息反饋回客戶端就顯得尤為重要。

2）FFP服務：用戶管理、文件管理、文件信息入庫。系統首先要保證接收數據的實時傳輸，為了使文件傳輸對實時數據的傳輸產生盡可能小的影響，系統要求對FIT并發服務用戶進行限制，對同時提請文件上傳、下載的用戶數規定了上限，當用戶到達上限后，即拒絕此后的用戶請求。文件管理要求用戶對上傳文件進行分類，服務器對于不同的文件提供了相應的服務處理邏輯，對于用戶上傳推送的各類文件，FFP服務器會將其分類保存在適當的目錄下。文件信息入庫模塊在文件上傳接收后，要將文件的詳細信息作為一條記錄寫入數據庫，保證解壓服務能夠通過這條記錄找到相應的文件。

3）解壓、寫庫服務：由于文件是在壓縮后上傳到服務器的，即使得在進一步處理前需要首先進行文件的解壓縮處理。系統定時查詢數據庫，獲取當前已經上傳結束但還沒有解壓的文件記錄，并通過該記錄信息，鎖定記錄文件轉入解壓縮處理，并將解壓是否成功的信息寫入數據庫，以便實時數據服務向客戶端傳輸文件回復。成功解壓后，根據文件類型展開后續處理，對于實時數據文件和數據庫文件，采取寫庫操作，其他類型的文件轉移到平臺的發布目錄，并向數據庫寫入文件信息，便于平臺發布文件。

4）后臺監控服務：是一個通用服務，定時查詢當前監控進程是否有響應回傳，若被監控進程在規定的時間內沒有響應，則將強制終止該進程，重新啟動運行，保證系統7x24小時內均能維系正常工作。

1.2.3監控中心

監控中心主要是通過顯示終端對采集來的數據進行監測，觀察各種參數，如發現有參數超過危險臨界值等情況，對其經過全面分析后調取各類定制處理，避免事故的發生，提升了井場作業的安全性。

2關鍵技術

本次研究系統的關鍵技術包括數據采集技術、數據傳輸技術、數據接收服務器的負載均衡技術、接口設計等。這里將提出設計綜述如下。

2.1井場數據采集

除了智能采傳儀采集的實時數據，專業整理數據、地質日報、巖心圖片等數據在經由基層技術員、地質師、工程師通過現場資料收集系統匯總填報后，傳輸回服務器。

2.2數據傳輸

在油田現場，對于采集到并成功加密的信息，數據傳輸處理模塊會設計推進數據分包、網絡連接測試、網絡狀態監控、傳輸隊列管理、異常處理等一系列工作來確保數據傳輸的及時性和準確性。系統使用無線通信網絡（GPRS、CDMA）為傳輸手段，依據TCP/IP協議來實現智能采傳儀與工房移動終端和網絡之間的數據傳輸：在客戶端與服務器端之間建立TCP連接，來進行實時數據、聊天數據、命令等基礎數據的遠程實時傳輸。在基地接收到數據后，再進行數據解密、解壓，數據拆解等處理，同時存儲結果數據入庫，并及時更新各種數據庫，以利于后續生產的研發使用。系統提供的FTP服務，則是方便和滿足了用戶在服務器上傳和下載文件的需求。

2.3服務器的負載均衡

由于訪問服務器的用戶眾多，單個處理器無法應對大量用戶訪問，故需要多臺服務器提供負載均衡服務來將用戶的訪問分發到合適的服務器，以滿足用戶的訪問需求。系統主要利用隨機算法來進行平衡與合理的分配，可以保證用戶請求基本是分散的，從而達到理想的均衡效果；同時配合使用加權輪詢調度算法，根據權值的高低順序并按照輪詢的方式將任務請求分配到各結點，來響應用戶的訪問請求。為了確保系統的穩定性，采用健康檢查的方法來對服務器開放服務的可用狀態構建通盤檢查，以防止由于服務器突然出現故障而影響接收的情況，該方法可以設定好檢查的時間間隔和嘗試次數，對出現問題的服務器及時采取各類有效措施。在處理用戶請求的過程中，常常會出現同一個用戶多次訪問的情況，負載均衡設備會根據不同的應用配置相應的會話保持，用來保持會話的連續性和一致性。

2.4接口設計

為了實現采集傳輸一體化，系統提供了軟件、硬件、通信三大類型的接口。具體來說，軟件接口主要是井場數據采集發送子系統和綜合錄井軟件系統之間的接口，井場數據采集發送子系統的數據從綜合錄井軟件系統中得來，通過網絡通信接口、串行通信接口、第三方組件或直接從綜合錄井軟件系統的實時存盤的數據庫中讀取資料等。硬件接口是為了使井場數據采集系統的資料直接從綜合錄井軟件系統采集得到，不和綜合錄井儀的傳感器發生直接關系。井場數據采集發送子系統和基地資料接收、管理、服務及應用子系統都不直接和硬件發生聯系。系統通過WinSock接口（基于Socket模型的接口）與基地資料接收、管理系統進行通信，用于傳輸實時數據和成批歷史資料。

3應用實例

本系統將油田現場的實時數據在基地用戶終端顯示，進行實時監測。如圖4即是對浙江油田某井進行實時數據監測的場景，技術人員可以監測到諸如井深、鉆頭位置、鉤載、扭矩等實時數據，同時實時動態生成曲線，便于了解每個參數的變化情況，從而規劃生成下一步的決策。

4結束語

智能井場數據遠程傳輸系統是數字和智能油田建設的重要組成部分，已經在西南油氣田的壓裂現場、浙江油田上得到應用。相比于傳統的采集傳輸，本系統將智能采傳儀作為采集傳輸一體化設備，對采集到的傳感器數據、隨鉆儀器數據等做出必要處理后，即設計形成了基于WITS標準的傳輸與共享。系統所提供的WIFI覆蓋和ZIGBEE技術可支持終端應用和遠程維護，真正研發建立了井場無人值守的智能化管理：現場自組網通過點對點的無線鏈路，減少了繁瑣現場布線工程和以往從現場到基地用戶多網關造成的實時數據堵塞問題；通過3G無線鏈路等無線傳輸方式將現場各類傳感器、智能采傳儀、終端用戶和數據接收服務器等融入互聯，從而進行高效信息交互。該系統實現了井場數據采集傳輸一體化，體現了物聯網技術在數字油田建設中所帶來的效益及顯著優勢，其推廣應用將為遠程決策提供數據支持，并進一步合理升級、且規范完善井場信息一體化服務平臺。