基于WIA技术的油井远程计量与优化控制系统

（中国科学院 沈阳自动化研究所，沈阳 110016） 曾 鹏，王 军

1 引言

油田生产作业设备大多位于野外且分布散远，因而油井远程生产监控系统在国内外油田得到了推广应用。我国部分油田建立了用于油井田监控的SCADA系统[1][2]，此类系统主要由监控设备、通信网络和后台管理系统等部分构成。

油井监控设备主要包括监测仪表和控制装置两类，监测仪表包括各种通用型监测仪表，如温度计、压力计、流量计，以及油田专用监测仪表，如示功仪、电机监测仪等。控制装置主要包括油井的间抽控制器、变频控制器、RTU以及气井的自动闭锁装置等。

现有的油井监控系统通信网络大多采用单层无线网络结构，小范围内的多个监控设备通过有线方式连接到安装有窄带数传电台或GPRS模块的RTU，对数据进行汇总后再通过数传电台或GPRS网络传送到油田监控管理中心。RTU一般只能连接半径几十米范围内的测控设备，接入的测控设备数目较少，整个系统造价和维护费用都很高。

当前我国大部分油田已经进入高含水期，单井产量小，边际经济效益较低，因而要求油井监测仪表和控制装置必须具备低成本、高可靠性的特点，只有设备成本和运行维护成本都非常低，才有在数量众多的低产井上应用的经济上的可能性。

随着Wireless HART[3]和WIA[4]等工业无线技术的发展和成熟，在一个较大的作业区域内，多个无线监控设备、无线中继器和无线网关可以组成一个多跳MESH网络。网络内的各种监控设备及中继器、网关等网络设备将符合统一的通信标准，可以方便地任意新增或替换无线监控设备，从而使油田监控系统的经济性、易用性以及可扩展性大大改善。

2 工业无线WIA技术

工业无线技术是满足工业应用高可靠性、低能耗、硬实时等特殊需求的一类无线传感器网络技术，是传感器网络技术最具代表性的重要分支。基于工业无线技术的测控系统，与传统的有线测控系统相比，具有以下一些优势：

• 低成本、易施工。

在传统的有线系统中，布线的成本是$30～$100/每米，在一些恶劣环境下，可达到$2000/每米。使用工业无线技术将使测控系统的安装与维护成本最高可降低90%，是实现低成本测控系统的关键技术。

• 高可靠、易维护。

在有线系统中，大部分系统故障是由电缆的连接器件损坏而引起的，其维护复杂程度、维护费用都很高。使用无线技术将从根本上杜绝此类故障的发生。

• 高灵活、易使用。

使用无线技术后，现场设备摆脱了电缆的束缚，从而增加了现场仪表与被控设备的可移动性、网络结构的灵活性以及工程应用的多样性。用户可以根据工业应用需求的变化，快速、灵活、方便地重构测控系统。

WIA标准是我国科研机构在863计划的支持下，于2007年开始制定的面向工业自动化应用的无线网络技术标准体系。目前已完成了WIA-PA规范国家标准征求意见稿和IEC PAS、NP文件的制订，成为在国际上与Wireless HART被同时承认的仅有的两个国际标准之一。

WIA-PA协议架构如图1所示，其物理层、MAC层直接采用了IEEE802.15.4协议标准[5]，链路层、网络层和应用层由我国自主制定，其抗干扰、低能耗、实时通信等核心技术主要体现在链路层、网络层和应用层。WIA的用户应用进程包含的功能模块是多个用户应用对象。设备管理应用进程包含的功能模块有：设备管理模块、网络管理模块、安全管理模块、网络管理代理模块、安全管理代理模块、管理信息库等。

WIA采用分簇的组织架构和骨干Mesh网结合星型子网的两层拓扑结构，是高可靠自组织网络，具有以下技术特征：

• TDMA/CSMA混合接入模式支持周期性和非周期性通信负载；

• 自适应跳频通信方式提高了点到点通信的抗干扰能力；

• 链路层自动请求重传和应用层端到端重传机制保证了报文传输的高成功率；

• 多路径Mesh路由保证了端到端通信的可靠性；

• 集中式与分布式结合的系统管理综合考虑了系统的易管理与扩展的灵活性；

• 自组网模式提高了系统易用性；

• 采用休眠模式的低占空比工作方式使终端具有超低能耗。

通过使用工业无线网络WIA技术，用户可以以较低的投资和使用成本实现对工业生产的全程感知，获取之前由于成本原因无法在线监测的重要工业过程参数，并以此为基础实施优化控制，来达到提高产量、质量和节能降耗的目标。

3 基于WIA技术的油井远程计量与优化控制系统

和现有油井远程监控系统相比，基于WIA技术的系统改进主要体现在底层网络的连接方式和后台数据的处理上。由于WIA技术适合大量现场设备的无线互联，井口的设备网络将不再需要有线连接到RTU，而是完全实现低成本无线连接，因此能够实时监测更多之前SCADA系统所不能监测的参数。以此为基础，构建起后台实时数据处理平台的专家系统，可以完成之前系统所不能完成的控制和优化任务。

3.1 系统结构

基于WIA技术的油井远程计量和优化控制系统从结构上可以分为前端的数据采集和后台的专家系统两大主要部分。其中，前端的数据采集部分主要完成井口各项参数的检测和控制参数的实时传输，后台的专家系统[6][7]则完成人机交互、远程计量、工况分析以及优化控制等任务，整个系统的结构如图2所示。

数据采集子系统主要由现场终端设备、WIA网关及WIA网络上位机三部分组成。井口的现场终端设备主要包括WIA无线压力变送器、WIA无线温度变送器、WIA无线示功仪及WIA无线电测仪等，单口油井的设备安装如图3所示。

图3 单口油井部分无线设备安装示意图

终端设备用来周期性从现场采集数据信息，包括压力、温度、示功、电机状态参数等通过无线电波发送给WIA无线网关；WIA无线网关的主要功能是对整个数据采集子系统网络进行管理及维护，汇集终端设备的数据信息并通过无线方式发送给数据传输子系统中心模块；WIA网络上位机安装在工作站，主要功能是用来显示网络拓扑、实时数据信息、设备状态、历史记录及配置网络设备数据率等信息。

3.2 系统硬件

系统硬件主要分为两类。一类是无线网关，用于网络管理，另一类是WIA设备，用于现场的各类参数检测装置和执行器。

3.2.1 WIA无线网关

WIA无线网关是集成WIA工业无线网络核心协议的短程无线通信设备，工作在2.4GHz频段。WIA无线网关负责整个网络的管理、调度和优化，设定和维护网络通信参数，统一为网络设备分配通信资源和路由，配置网络的运行，调度WIA网络设备间的通信，监控并定时报告网络的运行状态。

WIA无线网关还作为全网的时间同步源，提供消息缓冲与保存，桥接所有网络设备。WIA无线网关支持一个或多个网络接入点和服务接入点。网络接入点提供连接其他网络的接口。服务接入点为上位机应用提供访问和管理网络的接口。WIA网关的主要功能与技术指标如下：

• 网络规模：一台WIA无线网关最多可以管理100个现场无线设备，通过互连多个网关可构建起大规模的复杂网络；

• 波段：2.4GHz；

• 用户接口：为用户应用提供OPC、XML及HART三种接口方式；

• 全面API接口：支持一个或多个网络接入点和服务接入点，实现不同协议的互连接和互操作；

• 多种通信接口：支持以太网、RS232等通信接口。

3.2.2 WIA无线仪表

检测、控制仪表和执行机构是检测工艺过程数据、执行控制系统命令的关键设备，因此要求井口的无线仪表和执行机构除了必须满足其所需的精度要求外，处于爆炸环境的仪表防爆等级不低于ExdIIBT4，现场仪表防护等级不低于IP65，所有仪表设备必须在温度-40～85℃，湿度≤95%RH环境下正常工作。具体包括以下一些主要的WIA无线仪表：

• WIA低功耗无线载荷、位移、冲次一体化传感器；

• WIA微功耗无线压力传感器；

• WIA微功耗无线温度传感器；

• WIA三相电量智能采集控制模块；

• WIA微功耗无线流量传感器；

• WIA高压智能流量计；

• WIA微功耗数据采集控制终端。

3.3 系统软件

系统软件主要分为两部分，一个是WIA网络的管理软件，该软件运行在WIA无线网关上，用于管理WIA网络设备。另一个是后台用户支撑软件，用以完成对油井生产的自动化远程监控。

3.3.1 WIA网络管理软件

WIA网络管理软件主要负责网络管理、设备的入网认证和网络安全管理，除了负责组网、维护网络拓扑结构之外，WIA网络管理软件的上位机部分还具有人机交互功能，使网络用户可以随时了解网络的运行状态并调整网络的工作参数。WIA网络上位机具有下列功能：

• 显示网络拓扑视图；

• 显示网络所有设备基本信息；

• 设置网络中设备的工作参数；

• 查询网络设备历史数据信息；

• 查询网络设备路由信息。

3.3.2 后台用户支撑软件

后台用户支撑软件的主体是一个油井数据采集、工况分析与优化控制专家系统，该系统具有油井自动监测和数据采集、油井液量计量、油井工况诊断、系统效率优化设计等功能。具体包括如下功能：

（1）油井工况检测功能

采集并显示电压、电流、功率、载荷、冲次、冲程、井口压力、油温、动液面、含水率、转速、扭矩、变频器相关数据等生产参数。

（2）故障报警功能

停电、停机、回压异常、缺相及电流异常、抽油机抽空、防盗红外监控，曲柄销松动脱落等；预测故障位置和故障原因并进行相应提示。

（3）控制保护功能

对油井间抽控制；变频器远程控制；缺相、三相电流不平衡、曲柄销脱落自动停机；油井动液面实时监测；实现对产液量的自动计量。

（4）数据管理功能

图形方式实时显示压力、温度、载荷、扭矩、电流、电压、功率等各种生产参数及泵、机等生产设备运行状态。

（5）生产管理及遥控指挥

自动记录巡井时间；与油田局域网数据共享；可以通过现有局域网络，在网上远端监控油井生产现场并进行指挥。

（6）油井生产系统分析与优化决策功能

根据检测数据，进行生产井参数优化设计、在线诊断、油井系统效率分析等。

（7）网络查询功能

通过IE浏览器和专用的视频播放软件，在油田信息网上可随时浏览各井的监控画面、实时生产数据等，查询有关生产报表及分析结果。

4 结论

基于WIA技术的油井远程计量与优化控制系统可以较低的成本提高油田生产的自动化程度，减少抽油机能耗。通过系统得到的大量数据，可完成精细化的油藏管理系统，以此为起点，通过精细化的采油工艺配合，可以达到提高采收率的目的。此外，通过部署远程在线计量与优化控制系统，可实现“单管集油”、“撤销计量站”等目标，从而大大减少地面管线投资和维护成本。

[1] 曲长波等. 基于ADAM控制器和GPRS的油井远程数据采集系统的设计与实现，石油化工自动化[J]. 2008. 44（3）.

[2] 杨瑞等. 油井远程监控系统的应用与展望，石油化工自动化[J]. 2009. 45（4）.

[3] www.hart.com.

[4] www.industrialwireless.cn.

[5] www.ieee802.org/15/pub/TG4.html.

[6]马成才等. YD-2油井远程产量计量及分析优化系统在马厂油田的应用[J].石油工业技术监督，2008（9）.

[7]李小兵等. 油井功图法自动计量与监测技术研究[J]. 石油化工自动化，2008（02）.