基于物聯網的雙通道油井含水率監測系統

2021-10-27 09:01:34劉亞洲

物聯網技術 2021年10期

劉亞洲

（延長油田股份有限公司定邊采油廠，陜西榆林 718600）

0 引言

在數字化智能油田建設過程中，油井含水率是重要的工藝監測數據，準確、穩定的油井含水率能夠有效反應出油井儲油層特性和注水開發狀況，為調整注水工藝與智能采油控制提供數據支撐，這對于提高油井采收率和實現油田穩產具有重大現實意義[1-2]，因此，基于物聯網的準確可靠的油井含水率監測系統尤為重要。目前，在陜北低滲超低滲油田，現有的油井含水率在線監測系統一般多采用WiFi或GPRS網絡的單一傳輸方式。其中，WiFi網絡傳輸方式存在傳輸距離短、連接設備有限，在數據量較大時易產生數據包堵塞、丟失等問題；采用GPRS網絡傳輸的方式易受基站密度的限制，在偏遠井場信號較差，傳輸數據較慢，且數據不穩定[3]。針對以上問題，本文提出了一種基于物聯網的雙通道油井含水率監測系統，包括WiFi和GPRS兩種數據傳輸方式，通過數據對比實現含水率數據在井口儀表和后臺監測中心之間的可靠傳輸，以及對油井含水率的在線監測。

1 基于物聯網雙通道油井含水率監測系統

基于物聯網雙通道油井含水率監測系統由井口儀表、數據傳輸單元和后臺監測中心組成，如圖1所示。

圖1 基于物聯網的雙通道油井含水率監測系統結構

井口儀表主要包括STM32主控制器、微波探測發射單元、微波探測接收單元數據存儲模塊，以及用于雙通道數據傳輸的WiFi模塊和GPRS模塊[4-5]。微波探測發射單元包括供電單元、繼電器、光耦隔離器和微波探測發射器，微波探測接收單元主要包括微波探測接收器。數據傳輸單元主要包括油井智能RTU。后臺監測中心主要包括后臺服務器、數據庫以及工控機。其中，井口儀表主要負責實時采集含水率數據，將測量數據打包、加密，通過WiFi將含水率數據傳輸至RTU，RTU作為數據傳輸中繼站在井口儀表和后臺監測中心之間建立Socket連接，進行數據傳輸。含水率數據通過GPRS模塊直接傳輸至后臺監測中心[6]。后臺服務器采用獨有的原油含水率在線實時計算模型和大數據分析對比校正模型進行含水率數據的高精度計算，將測量結果存儲至MySQL數據庫中，最后通過工控機以網頁的形式展示出各油井的實時含水率數據，便于油井現場人員查看分析[7]。

2 雙通道油井含水率監測系統硬件實現

2.1 井口儀表硬件原理

井口儀表通過微波進行油井含水率的檢測。采用的STM32F103RET6主控芯片包括供電電路、最小系統電路、信號產生電路、信號采集電路、通信電路和人機交互電路等。井口儀表的硬件結構如圖2所示。

圖2 井口儀表硬件結構

流量傳感器用于檢測油管內是否有流體通過，當有流體通過時，主控制器通過光耦隔離器控制繼電器閉合，微波探測發生器和微波探測接收器進入工作狀態。微波探測接收器將波形數據通過I/O口傳輸至STM32主控芯片進行數據封包加密，之后通過ESP-07S的WiFi模塊和SIM800L的GPRS模塊將含水率數據發送至后臺監測中心[8]。

2.2 數據傳輸單元硬件構成

數據傳輸單元主要包括井場RTU。RTU作為井口儀表和后臺監測中心之間的信號中繼站，選取S3C4510B01作為主控芯片，該芯片內含TCP/IP協議，能夠穩定進行雙向數據傳輸。RTU的硬件構成如圖3所示。

圖3 RTU硬件構成

2.3 后臺監測中心硬件組成

后臺服務器在接收到WiFi和GPRS傳輸的含水率波形數據后，采用獨有的大數據分析對比校正模型和原油含水率在線實時計算模型，對接收的兩組數據進行對比、分析及計算，將計算結果存儲至數據庫中，通過工控機實時查看油井含水率數據。其中數據庫服務器采用聯想System x3500 M5塔式服務器，工控機選用聯想揚天系列T4900C，將MySQL數據庫作為配套軟件，用于數據存儲與調用。

3 基于物聯網的雙通道油井含水率監測軟件

3.1 雙通道油井含水率監測軟件

基于物聯網的雙通道油井含水率監測系統的軟件部分主要由數據采集與遠傳程序、含水率數據接收與計算程序組成。雙通道油井監測軟件功能如圖4所示。

圖4 雙通道油井含水率監測軟件功能

數據采集與遠傳程序由油井含水率數據采集，采集數據的存儲、組包，WiFi數據傳輸以及GPRS數據傳輸等程序組成。含水率數據接收與計算子程序由數據包解析、信號濾波優選、油井含水率計算及數據存儲展示四部分組成[9]。

3.2 油井含水率監測與數據遠傳程序設計

基于物聯網的雙通道油井含水率監測系統采用微波三探頭法檢測油井實時在線含水率。油井含水率監測與數據遠傳流程如圖5所示。

圖5 油井含水率監測與數據遠傳流程

如圖5所示，首先判斷油井油管內是否有液體流動，確保低位、中位和高位微波探頭至少有一組能夠檢測到有效數據，并判斷中位微波探頭含水率數據是否小于零，若小于零，表明只有低位微波探頭的探測有效，若不小于零，則繼續判斷高位微波探頭的數據。若含水率值不小于零，則表明低位、中位和高位微波探頭的探測數據均有效，將有效的探測信號經過放大、濾波和A/D采樣后轉換為數字信號，按照預先設定的幀格式進行數據組包，并通過WiFi和GPRS兩種數字傳輸方式上傳[10]。WiFi首先將含水率數據傳輸至井場RTU，再通過以太網傳輸至后臺監測中心。GPRS通過SIM800L模塊將數據直接傳輸至后臺監測服務器。

3.3 油井含水率監測數據接收與計算程序設計

油井含水率監測數據接收與計算程序流程如圖6所示。后臺服務器一直處于發送連接問答狀態，當接收到WiFi和GPRS的應答信號后，開始接收兩路油井含水率數據包，服務器將對數據進行解析，按照油井標號和時間存儲數據后，向井口儀表返回時間信息。之后通過獨有的大數據分析對比校正模型對比兩路含水率信號，剔除差異較大的數據點，通過油井含水率在線實時計算模型計算出精確的油井含水率數值。計算完成后，將油井含水率數據存儲在MySQL數據庫中，并下發至井口儀表，在井口儀表的顯示屏上顯示。此外，數據庫根據井號和時間對含水率進行分組保存，在工控機客戶端將各油井的含水率數據繪制成折線圖并顯示，油井現場工作人員可以根據油井含水率變化趨勢調整區塊注水量。