基于GPRS的数字油田智能监控系统

付长顺 侯万雍 金德明 赵长宏

(辽宁辽河泰利达石油技术有限公司,辽宁 盘锦 124010)

随着无线通信技术与计算机技术的快速发展，智能监控技术已经成为发展迅速、应用广泛的一种技术，远程智能监控也已成为必然的发展趋势[1]。数字油田智能监控具有远程监控、提高效率和方便管理者的优点；对每一口油井的动态数据进行实时监测，可以为分析某一区域的生产能力和编制新开发方案提供依据；监测到的单井油温、油压、套压、载荷及示功图等数据是油田企业重要的信息。

辽河油田曙光采油厂油水井数量众多，但由于油水井地理位置分布比较分散并且距离较远，使得实时监测变得非常困难[2]。针对油田油水井存在地理位置较为分散并且距离较远的问题，笔者借助GPRS通信方式设计了一种对油水井数据进行实时监测的数字油田智能监控系统。

数字油田智能监控系统由现场无线传感器、数据接收终端、GPRS模块、无线路由器和服务器组成，系统总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计

1.1 数据采集端

数据采集端主要由无线传感器(WM1000-TW1型无线温度传感器和WM1000-PLW1型无线压力传感器)、RTU和GPRS模块组成，完成数据采集和无线网络数据传输功能。RTU负责接收现场传感器的数据，并通过GPRS网络模块发送到监控中心。

1.2 监控中心

监控中心是整个数字油田智能监控系统的处理、操作和监控核心，包含数据接收和数据处理两部分。监控中心配置了Web服务器和SQL Server数据库服务器，用于存储当前和历史数据，方便用户查询，同时监控中心的服务器还接入了互联网，能够实时发布数据。

无线数据接收部分接收数据采集端发送的数据，并存储到数据库；数据处理部分可从数据库中调用数据。数据处理部分由SQL Server数据库服务器和Web服务器组成：SQL Server数据库服务器用于保存数据，Web服务器用于显示采集到的数据。

监控中心为申请的固定IP地址(即专网接入)，采用GPRS方式接收数据。

2 通信方式的选择

目前常用的无线通信方式有GPRS、Wi-Fi、无线数传电台、卫星通信及ZigBee等，根据系统不同部分的位置和各无线通信方式的特点，各部分选择相应的无线通信方式。本系统中，现场无线传感器与数据采集端由于距离比较近，采用ZigBee方式；监控中心与现场距离较远，采用GPRS方式[3]。

ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议，它具有功耗低、成本低、支持大量节点、支持多种网络拓扑、复杂度低、可靠及安全等特点。

GPRS是位于2G和3G之间的移动通信技术。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。它具有延迟时间短、通信不受距离及地理位置限制等特点。GPRS移动数据网络的信道提供TCP/IP连接[4]，并可用于Internet连接及数据传输等应用。

3 系统的软件设计

3.1 无线传感与RTU之间的通信

使用RTU之前，需要进行参数配置，RTU需设置的参数主要有：串口通信参数配置、通信端口参数、信道设置及IP地址(申请的固定IP)设置等。

3.2 监控中心

监控中心的软件设计需要完成无线数据接收和数据处理两部分。监控中心采用Visual Studio 2010作为开发工具完成软件的设计。

无线数据接收部分采用VB编程。首先判断申请者是否为专网用户，如果是专网用户，则允许将数据存入数据库；将数据存入数据库后，数据处理部分就能随时查询和调用数据了。

数据处理部分采用ASP.NET技术，使用C#编程，数据连接采用LINQ技术，从而实现Web与数据库的连接。LINQ可以查询Access、SQL Server及Oracle等数据库。数据处理部分主要完成数据显示、历史数据查询、报表打印、功图量油及动液面测试等功能。

功图量油的基本原理是有效冲程法，它主要是通过示功图的有效冲程长度来计算油井的液量[5]。有效冲程法计量过程如图2所示。首先通过安装于井口的示功仪测得油井的地面示功图，然后通过Gibbs波动方程的初始条件、连接条件和边界条件建立数学模型来计算井下泵功图。再采用梯度法来计算泵功图的拐点，进而通过圆或椭圆逼近的方式获取油井的凡尔开闭点。最后通过获取的凡尔开闭点来计算油井的有效冲程长度，从而达到计算油井产量的目的。

图2 有效冲程法计量过程

抽油系统在正常工况下，油管锚定时泵示功图为矩形，横坐标表示活塞冲程，纵坐标表示液体载荷，泵在无漏失时产液量的计算公式为：

(1)

式中A——柱塞横截面积，m2；

N——冲次，次/min；

Q——井口日产液量，m3；

S——柱塞有效冲程，m；

ε——泵的充满系数。

动液面深度是油机井的井口到井下油层表面的距离，由动液面深度还可计算出井管内的平均声速。动液面深度、井管内的平均声速与其他测试项目的结果相结合可以充分反映抽油机井的工作状态和产量情况，为油井的诊断和维护提供依据。

动液面深度测试仪器通过采集由安装在井口的炮枪发出并经过井管接头反射的节箍波信号和经过油层表面反射的液面波信号，找出井口位置、动液面位置和基准节箍波，然后利用公式来计算动液面深度。节箍波和液面波波形如图3所示。

图3 节箍波和液面波波形

动液面深度计算公式为：

(2)

其中，A、B、C和D分别代表井口位置、液面位置、参考节箍波起点和参考节箍波终点；L为单节井管长度；N为介于C、D之间的参考节箍波个数。由于每个节箍波对应一节井管，因此N就是C、D之间的井管个数。

4 结束语

基于GPRS的数字油田智能监控系统成功设计后，目前已在辽河油田曙光采油厂投入运行，整个数字油田智能监控系统工作正常，实现了对现场油水井的实时智能监控和数据的Web发布，方便了公司的管理和监控，提高了工作效率。GPRS模式的数据传输稳定，较好地完成了通信。该系统能够满足数据中心对现场数据的实时采集、实时监控，很好地体现了系统的优势，满足了曙光采油厂的实际工作要求。

[1] 高志亮,梁宝娟.数字油田在中国:油田物联网技术与进展[M].北京:科学出版社,2013.

[2] 顾简,施云波,修德斌,等.基于GPRS的环境温湿度监测系统设计[J].电子设计工程,2011,19(3):61～64.

[3] 郭启军.基于GPRS的无线数据传输系统的研究与设计[D].金华:浙江师范大学,2009.

[4] 郭少华,李晓林,李丽宏.基于Modbus/TCP协议和ASP.NET技术的远程网络监控系统[J].电子设计工程,2011，19(3):21～24.

[5] 王秀娟,张立庆,宋子学,等.一种改进的功图量油技术及应用研究[J].长江大学学报(自然科学版理工卷),2010,7(3):242～244.