基于WiFi的原油含水率在線監測系統

賈志鵬，念 彬，周 婷，余 杰

（長慶油田分公司隴東頁巖油開發項目部，甘肅 慶城 745100）

0 引 言

在油田開發過程中，油井原油含水率是油井生產的一項重要指標，它直接影響其開采、脫水、儲運和銷售等環節[1]。因此，在原油開采過程中，需要對含水率及其變化進行實時監測，掌握油井的開發狀態。目前國內外油田企業中，對油井含水率的測量仍然以傳統的“蒸餾法”為主，化驗時間長、勞動強度大，而且手工取樣化驗以點概面不具有代表性[2]。國內含水率監測普遍仿照美國AGAR公司早期技術—射頻法或短波法分析儀，其不足是：探頭技術不穩定，低含水不夠精確，高含水靈敏度不高，此外，大多數含水率監測系統采用GPRS通信方式實現井口儀表和監控后臺之間的數據傳輸，GPRS通信方式容易發生數據包出錯、丟失等情況；同時，還需向運營商繳納大量的通信費用，增加了系統成本，不利于產品的推廣使用。

本文對油井原油含水率微波實時檢測方法進行研究，提出了一種基于WiFi的原油含水率在線監測系統。監測系統主要由井口儀表、RTU、含水率監控后臺組成。井口儀表實時采集油管中的含水率數據，RTU作為數據傳輸中轉站，搭建WiFi無線通信網絡，并建立Socket連接，使得含水率數據在井口儀表和監控后臺之間進行可靠傳輸，從而實現對原油含水率的實時在線監測，在含水率監測領域具有潛在的應用價值。

1 含水率微波檢測技術原理

原油含水率監測以微波檢測為手段，井口儀表中的微波發射器將恒幅、恒頻的電磁波發射到含水的原油中，由于原油中含水量的不同，介質所吸收的波能量也不同[3]，微波探測器將因透過介質含水率不同而引起能量不同的微波信號輸入基于ARM的井口儀表中，進行信號的濾波、放大、校正后，將數據分包、加密，采用WiFi傳輸至后臺監控服務器。后臺服務器采用獨有的油井含水率實時計算模型和大數據分析自適應校正模型進行實時高精度穩定計算，確保一井一方法，實現油井含水率實時動態監測。微波檢測原理如圖1所示。

圖1 微波檢測原理框圖

2 含水率監測系統構成

基于WiFi的原油含水率在線監測系統由井口儀表、RTU和監控后臺構成[4-5]，如圖2所示。

圖2 含水率監測系統構成

井口儀表由含水率數據采集模塊和WiFi通信模塊構成，數據采集模塊實時采集管道中的含水率數據，由WiFi通信模塊上傳數據。RTU負責組建監測系統，借助WiFi通信網絡實時傳輸含水率數據[6]。監控后臺主要包括主機（安裝SQL Server數據庫）、服務器以及手機等終端設備，主機選擇戴爾XPS17-9700，將RTU傳來的含水率加密數據包根據事先約定的協議進行解析計算，得出當前的含水率實際值。選擇聯想ST558服務器存儲最終計算得到的含水率數據，它是終端設備含水率信息查看時的數據來源。主機通過獨有的含水率計算模型計算得到實際含水率數據后，再回傳給井口儀表，供現場人員查看，同時，還將數據分類保存到SQL Server數據庫，以便管理員查看，并對數據進行分析，進而為制定下一步的采油計劃提供依據。也可通過手機在采油現場登錄含水率監測APP，實時查閱油井含水率數據信息，使含水率監測更加便捷。

3 含水率監測系統硬件設計

3.1 井口儀表設計

井口儀表根據微波檢測法計算得到原油含水率。井口儀表選用型號為STM32F103RET6的ARM芯片作為主控芯片，對微波信號進行采集、處理和數據封包；選用ESP-07S WiFi模塊作為無線數據的傳輸模塊。井口儀表硬件組成如圖3所示。

圖3 井口檢測裝置硬件組成

井口儀表測試管道底部的流量傳感器實時檢測管道中是否有液體流過，當有液體流過時，主控制器便控制繼電器閉合，從而為底部的微波探測發射器提供直流電源[7]，發射器發射電磁波，正對頂部的微波探測器接收器，將探測波形通過STM32F103的A/D口傳輸至主控芯片進行數據處理，并通過串口模塊將數據傳輸至WiFi模塊進行數據的封包加密，最終，含水率數據包上傳到遠程數據終端RTU。WiFi模塊ESP-07S和主控芯片STM32F103的接口加密，發送給含水率監控后臺。WiFi與STM32接口電路如圖4所示。

圖4 WiFi與STM32接口電路

3.2 井口RTU設計

RTU作為井口儀表和監控后臺之間的傳輸媒介，主控芯片采用基于ARM的S3C4510B01微控制器，內置TCP/IP協議和IEEE802.11協議，提供無線接入點，依據TCP/IP協議，通過以太網實現與監控后臺的通信，完成井口儀表與含水率監控后臺間的雙向數據傳輸。RTU硬件組成如圖5所示。

圖5 RTU硬件組成

4 含水率監測系統軟件開發

4.1 含水率監測系統軟件組成

含水率監測系統軟件由數據采集與通信程序、數據解密與含水率計算程序組成，如圖6所示。數據采集與通信程序包含含水率數據采集、數據加密處理和WiFi通信傳輸3個子程序；數據解密與含水率計算程序包含數據解析處理、含水率數值計算和數據展示與存儲3個子程序。

圖6 含水率監測系統軟件組成

4.2 數據采集與通信程序設計

數據采集與通信程序將主控制器實時接收的波形數據進行濾波、A/D轉換、分包、加密等處理后，檢測附近可以接入的WiFi信號并成功連接，之后基于TCP/IP通信協議將數據包發送到含水率監控后臺。數據采集與通信流程如圖7所示。

圖7 數據采集與通信流程

4.3 數據解析與含水率計算程序設計

數據解析與含水率計算程序將RTU上傳到監控后臺的數據進行解密、運算、展示和存儲。當RTU和服務器連接成功后，含水率加密數據包傳輸至后臺監控主機進行解密、處理后，計算得到含水率，并將該數據分類存儲到數據庫，以供用戶或者管理員在遠程客戶端登錄獲取原油的含水率信息。數據解析與含水率計算流程如圖8所示。

圖8 數據解析與計算流程

5 結 語

（1）提出了一種基于WiFi的原油含水率在線監測系統，采用微波作為探測手段，將WiFi作為傳輸方式，較好地解決了傳統原油含水率檢測方法實時性不高、精度不高等問題。

（2）設計了一種基于WiFi的無線數據傳輸網絡，井口儀表實時監測含水率數據，通過RTU發送給監控后臺，監控后臺可實時接收、解析、計算含水率數據，借助瀏覽器可實時查閱含水率數據，實現了原油含水率在線實時監測，在數字智能油田與智慧油田建設中具有重要的應用價值。