油田注水井区块网络监控系统设计

尤 波，张海涛，贾德利

(1.哈尔滨理工大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.中国石油天然气股份有限公司 勘探开发研究院，北京 100083)



油田注水井区块网络监控系统设计

尤 波1，张海涛1，贾德利2

(1.哈尔滨理工大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.中国石油天然气股份有限公司 勘探开发研究院，北京 100083)

针对油田注水系统中的井场布局分散、数据信息的传输可靠性低、实时性差、调配信息传递过程繁琐等问题，设计了基于互联网模式下的数字化注水井网络监控平台，系统结构为3层：井口数据监测和控制终端层、井场数据网络传输层、管理应用层。开发了网络传输层中的ZigBee组网和数据服务器应用，进行了ZigBee网络的通信可靠性测试、用户终端监测数据的实时性测试和历史数据查询测试。结果表明，系统能够实现注水信息的网络共享和井场的动态监管，满足数据化油田建设、精细管理的生产要求。

数字化井场；ZigBee组网；ADO.net数据库；局域网

尤波，张海涛，贾德利.油田注水井区块网络监控系统设计[J].西安石油大学学报(自然科学版)，2016，31(5):114-120.

YOU Bo,ZHANG Haitao,JIA Deli.Design of network monitoring system for oilfield water injection wellblock[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(5):114-120.

引　言

20世纪60年代，美国Iatan East Howard油田将PLC成功应用于油田注水控制；20世纪80年代末，国外的注水井监测技术有很大的突破，可以实现分布式监测。英国石油公司设计了自动化监管系统，通过对地质情况的监测来控制注水井的注入情况；美国LUFKIN 公司提出PRC注水井控制系统，通过对注水井的实时全方位测量来达到自动控制的目的，大大提高了工作效率。21世纪后，亚太地区石油开采国际会议上提出油田脉冲注水技术，核心原理是在注水井下提供连续的脉冲压力，使得流量产生脉冲变化，目前这一技术在加拿大的油田中得到了较好的实现。但不足之处是，流量不能马上跟随压力的阶跃变化，而且还会产生超调[1-2]。

国内，在20世纪90年代从监控软件到测控终端基本上采用国外系列产品，进入21世纪后，监控体系不断完善，注水信息通过 GPRS网络发送到RTU进行分析和处理，但GPRS存在依靠公网传输、覆盖范围内盲点多、功耗大、成本高等问题[3-4]。大庆油田区块内井场数据量比较大，需要经常转存数据，GPRS对海量数据的存储和处理能力相对较弱且丢包率高，因此本系统采用基于ZigBee的无线组网技术对井场信息进行整合传输[5-6]。同时开发数据服务器程序解决区块内各井口信息的数据代理和动态转存，形成一套完备的注水井区块网络监控系统。

1　系统方案

1.1系统功能要求

开发设计油田区块式数字化注水井网络监控平台，主要完成3个功能：

(1)操作员通过权限可在油田局域网下的任何办公电脑上使用客户终端软件登录数据服务器，选择想要监测的井进行实时在线管理和层段调配。

(2)操作员登录终端软件，根据注水井区块列表信息，选择用户想要监测的水井编号，查看这口井的井场位置、注水层段、井口控制柜等信息，而且能直观地看到该口井的当期流量、压力数据的实时更新和曲线图记录。

(3)用户可以对注水井信息任何时间段的历史数据进行查询，并可以自动生成数据报表，供注水决策者参考，实施在线远程的配注方案。

1.2系统组成及功能模块设计

根据系统的功能要求，选取大庆油田中区西部6矿注水井区块，设计该井场区块的系统总体结构如图1所示，系统分3个层次，即数据监测和控制终端层、网络传输层、管理应用层。

(1)数据监测和控制终端层，主要依托于井下预置电缆配水器的钢管电缆电力载波技术，将井下传感器采集的流量、压力等配注信息上传至地面采集控制主机，进行数据打包处理、等待呼叫发送和控制命令的下达。

(2)网络传输层，包括ZigBee的组网传输和数据服务器的代理中转。ZigBee主站点设置于区块中心配水间，各从站点位于各个注水井口的地面检测适配主机上，实现各井口数据到区块配水间的传输；数据库软件与服务器程序，采用C#开发语言，基于CGI、ASP.NET、XML、ActiveX、SQL数据库等技术，采用TCP/IP传输协议，以及开放式的网络接口和通信协议，开发数据服务器软件，安装于区块中心配水间内有局域网接入的电脑上，一是实现对来自ZigBee网络中心节点的数据进行数据的动态转存；二是实现用户终端软件可登录和访问数据服务器，

图1　注水井网络监控系统结构框架Fig.1　Composition of water injection well network monitoring system

获取数据库内的实时数据和历史资料以及用户控制信息的转发。

(3)管理应用层，采用C#开发语言编写用户上位机界面，编写登录服务器功能程序，编写读取和处理服务器数据程序，实现历史数据查询和自动生成数据报表，实现用户终端在线远程配注。

2　井场数据的网络传输层应用设计

2.1ZigBee组网技术

系统中ZigBee网络采用的星型拓扑结构设计，由一个PAN父亲节点和若干个子节点组成，ZigBee网络节点设置为协调器节点和终端节点。取消了以往模式中的路由节点设置[7-8]。位于配水间内且与PC机相连的无线设备作为协调器节点，为ZigBee通信网络中的主站；位于各个井口的无线收发模块作为ZigBee网络的终端节点，是通信从站。组网实现的是井场数据从各井口终端到ZigBee中心节点的传输。

2.1.1ZigBee网络机制ZigBee组网技术，执行IEE802.15.4协议标准，通过协调器节点的信道扫描，选择一个相对安静、空闲的传输路径，建立ZigBee局域网，之后进入网络的无线监控状态，检测空中是否有信息，判断是否有其他节点申请加入网络，接受网络请求后对请求的无线局域网络ID进行判断，如果与自身PAN ID相同则允许该节点加入到网络中，同时为该终端节点分配一个16位地址，这个地址在ZigBee网络中惟一。这样初步建立一个ZigBee网络，加入ZigBee网络中的每一个节点都有自己的短地址、规定的网络拓扑参数以及ZigBee网络地址。

图2和图3分别为ZigBee网络中协调器节点和终端节点的工作流程。对于无线收发设备选择一对多的半双工通信方式，所有的模块都要相应地设置一个惟一地址。协调器节点采用带地址码的数据帧来发送数据命令，终端节点接收命令并判断接收到的地址码与本机地址码是否相同，如果地址码不同，则将相应命令或数据丢掉并且不作响应，若地址码相同，则将接收的命令传送出去。为避免网络通道内互相干扰，组网必须保证任意时刻同一个频点的通信网中只有一个电台处于发送状态[9-11]。通过设置不同的基频将模块分组，实现同一个区域内多个网络并存。

图2　协调器节点工作流程图Fig.2　Work process of coordinator node

图3　终端节点工作流程图Fig.3　Work process of terminal node

2.1.2ZigBee网络底层终端的硬件设计系统中的地面检测适配主机作为ZigBee的底层终端，负责将采集后的数据进行帧封装，通过无线发射模块传送至协调器节点完成发送工作。检测适配主机与协调器建立连接后，会检测来自ZigBee网络协调器的信标帧，检查信息处理列表，从中读取属于自己的那部分数据集，完成ZigBee自组网的传输过程。

硬件电路采用模块化设计思想，主要包括电源管理模块、数据处理及收发模块，网络状态指示电路、JTAG接口、射频模块、串口通信模块以及时钟复位模块等，主控模块选用STM32单片机，ZigBee无线模块选用微功率扩频模块YL-800IL，它是一款低功耗、远距离、高性能的微功率射频无线数据收发模块，内部自动扩频计算和前导CRC纠错处理，不改变用户的任何数据和协议，采用半双工透明传输机制，实现无线代替的功能。YL-800IL无线射频模块通过UART与STM32单片机相连进行通信，它的TXD数据输出引脚与STM32的PA9相连，RXD数据输入引脚与PA10相连，AUX指示控制引脚与STM32的PA8相连，用来唤醒客户端，指示模块处理状态。底层终端的硬件结构如图4所示。

图4　底层终端硬件电路结构Fig.4　Hardware circuit structure of ground detection adapter

无线射频模块的参数配置如图5所示，设置载波频率为434 MHz，它是模块在发射和接收时的中心频率。设置扩频因子为2 048 Chips，扩频因子越大，模块的接收灵敏度越高，传输距离越远。扩频宽带125 kbit，也是为了提高模块接收灵敏度。串口波特率和校验与用户设备设定保持一致。

图5　无线模块参数配置界面Fig.5　Parameter configuration interface of radio frequency module

2.2数据服务器应用技术

运行在区块中心配水间PC机上的数据服务器程序包括数据库软件和服务器应用程序，实现井场信息从ZigBee网络到用户上位机的数据传输、数据转存、数据包处理等[12]。首先通过ZigBee网络将信息实时上传至数据库，进行数据的缓冲和预处理、数据的动态存储以及数据包纠错和诊断，并实现数据中转至服务器，供用户终端的上位机监控软件调用和管理。因此，配水间的这一套数据服务器软件已成为连接ZigBee网络与用户终端监控中心的纽带和实现井场数据网络共享的关键。

2.2.1数据服务器软件开发机制

(1)系统基于C/S模式下的两层结构开发。第一层运行在客户机上的客户应用程序，第二层运行在服务器上的数据库管理程序[13]。客户端程序发送请求，数据服务器程序响应、处理并返回结果。它们之间的连接软件开发包括数据服务器应用编程接口API的开发、通信连接软件的编写和网络传输协议的设置以及用于公用数据存取的结构化查询语言SQL。

(2)数据库软件开发。使用SQL Server数据库管理系统，采用ADO.net数据库访问模型进行数据源交互链接。服务器的查询、处理、存储等程序的开发采用面向对象的C#语言，在visual studio 2010开发环境中编译[14-15]。

(3)网络通信协议。数据在网络中的通信实时性和可靠性决定着系统工作的稳定性，系统中服务器与客户端的通信协议采用TCP/IP协议。TCP/IP协议以点对点的方式建立连接机制，对用户权限加以认定，保证字节流的可靠传输以及与客户连接的稳定性。

(4)实时数据库RTDB的系统调度。对来自ZigBee网络的数据进行中转和代理，以及提供客户端数据的实时访问服务，而且要建立与历史数据库之间的可靠连接，对数据进行实时故障检测、实时传送和动态存储，同时对RTDB系统加入实时控制决策功能实现实时控制。

(5)应答机制和容错处理。为了保证C/S软件体系结构的实时响应、快速应答、连续稳定运行，数据服务器采用3路TCP/IP握手机制，当发生网路拥挤、数据堵塞的情况下，延时时间过长时服务器会自动的切断与用户程序之间的连接，从而提示子站再次连接服务器。在出现数据传输错误的情况下，TCP/IP协议会自动要求客户端重新传送数据。

2.2.2ADO.net数据库访问模型该系统利用在一定条件下ADO.net可以与不同类型的数据源交互的优点，通过ADO.net类库将数据库系统和客户应用程序之间连接起来，可以使客户程序简便地通过数据库读取大量的数据资料[16]。DATASET和.net数据程序是构成ADO.net的2个组成部分。其中，.net 数据提供程序组件的构成对象包括Command 、DataReader、DataAdapter以及Connection对象。它的主要功能是对数据进行只进、只读访问以及数据操作。数据库程序设计中ADO.net 断开式结构的核心组件是ADO.net DataSet。DataSet 设计的主要功能是实现数据在独立于任何数据源下进行读取访问。图6给出了DataSet工作流程。

图6　DataSet工作流程Fig.6　Work process of DataSet

关于ADO.net访问数据库方式的选择，本系统的设计要求中数据库不仅仅是对数据的代理和中转，用户程序也不只是单纯地从数据库中读取资料，还要求对数据进行后期的处理分析，因此系统采用ADO.net断开连接式的数据访问模式，首先调用DataAdapter对象的Fill()函数，将用户从数据库中读取的数据填入本地的数据缓冲区，然后立即与数据库断开连接，当需要对数据集更新时，将再一次连接数据库，之后，用户想要访问处理数据，不再进行数据库的操作管理，而是直接访问DataSet ，这样当数据量很大时，提高数据服务器对海量数据的处理效率，满足数据服务器对大数据、多访问量的实时处理能力。图7为数据库断开式访问流程图。

图7　数据库断开式访问流程Fig.7　Open access process of radio database

ADO.net执行SQL取得数据的过程如下：

首先建立连接：

SqlConnection myConn = new SqlConnection();

myConn.ConnectionString="server=数据库地址;database=数据库名;uid=数据库登录名;pwd=数据库登录密码"；

然后打开连接：myConn.open();

再建立Command对象：

SqlCommand myCmd=new SqlCommand("select px_id from tab_rczp ",myConn);

然后使用SqlDataReader读取数据：

SqlDataReader dr=Comm.ExecuteReader();

3　系统测试与应用

3.1ZigBee网络通信测试

针对目前注水油田区块井场的布局分散，对于ZigBee组网技术的实施，有许多关键的设计因素影响着系统的工作性能，其中最主要的是通信距离的保障，井口分布较远时的数据可靠性和实时性的问题要着重考虑，因此，必须要做ZigBee网络的通信测试，包括单点对单点的通信测试，以及星型网络的通信测试。

(1)单点对单点测试。YL-800IL无线射频模块，它的扩频因子和扩频宽带参数设置影响着模块的收发灵敏度。系统在单点对单点的通信测试中，在同一通讯距离下分别测试了不同扩频因子和扩频宽带参数下，对丢包率和延迟时间的影响，进而得出了最佳的参数匹配设置，设定模块扩频因子为2 048 Chips，扩频宽带为125 kbit，载波频率为434 MHz。

(2)星型网络测试。设置最佳模块参数匹配后，系统进行了ZigBee星型网络的通信测试，将3个检测终端与协调器节点相连，同时传送大小为50 B的数据包1 000次，实验结果见表1，对3个采集终端的平均测试结果进行分析。

实验结果表明，在数据包大小一定的情况下，随着通信距离的增加，丢包率和误包率明显上升，RSSI值也随之下降，也就是说距离配水间越远的井口，数据传输的成功率和准确率越低。但同时测试结果表明，该结构的ZigBee网络在1 000 m以内的通信距离内，都可以保证较高的传输准确性。适合当前大庆注水油田区块的布局。

表1　ZigBee星型网络通信测试Tab.1　Test of ZigBee star network communication

3.2用户终端上位机测试

(1)客户端登录服务器的访问测试

配水间控制着整个区块下各个注水井的配水量。用户通过权限登录注水井网络监控平台，上位机会有登录成功的状态显示和注水井列表信息显示，用户可以选择要进行监控的区块编号和具体监控哪一口井，访问数据库中该口井的数据信息，访问成功后，客户端会显示已选择的井口信息，包括井场位置、井口编号、设备号、ZigBee地址、注井的层段数和停注层。图8为登陆后的区块注水井列表信息选择界面。

图8　区块式注水井列表信息选择界面Fig.8　List information selection interface of block water injection wells

(2)客户端监测数据实时刷新测试

用户在注水井列表信息选择界面上查看各口井信息，同时双击注水井编号就可以进入网络监控系统的在线监控界面，图9为注水井网络监控平台的上位机操作界面。

可以看到当前选择的区块A-注水井编号1的注水信息，显示当前井下流量、套管压力、中心管压力的瞬时值，并生成实时数据曲线图，实现客户终端监测数据的实时刷新，供用户参考和查询。同时用户可以根据当前注水信息资料的参考和决策，开启在线调配，来实施远程的配注方案，实时调整层段配注量。

图9　注水井网络监控平台上位机操作界面Fig.9　PC operation interface of water injection well network monitoring platform

(3)历史数据查询测试

为了查询和参照以往的注水信息，用户可以在操作界面上选择历史数据窗口调取历史资料，图10为历史数据查询与显示窗口，显示当前查询时间段内的注水资料，实现客户与服务器端历史数据库之间的访问连接。

图10　历史数据查询与显示窗口Fig.10　Query and display window of historical data

4　结　论

(1)系统应用ZigBee组网技术，终端设备节点成功地进行了井口信息的实时采集和数据的可靠传输，通过ZigBee网络的通信测试验证了注水调配信息命令的实时下达和终端设备的实时响应。

(2)系统应用数据服务器软件开发技术，对井场大数据进行动态存储和实时处理，通过客户端的服务器登录与数据访问测试验证了服务器海量数据的处理能力、高效率的动态转存以及响应的实时性。

(3)系统开发客户机软件实现了注水井场的动态监管和无人值守，通过对实时数据库和历史数据库的访问测试，验证了配水信息的实时刷新和实时曲线记录以及历史数据查询。

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责任编辑：张新宝

Design of Network Monitoring System for Oilfield Water Injection Wellblock

YOU Bo1,ZHANG Haitao1,JIA Deli2

(1.School of Automation,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,Heilongjiang,China;2.Research Institute of Exploration and Development,CNPC,Beijing 100083,China)

Aimed at the decentralization of well sites,the low reliability and poor real-time of data transmission and the complexity of deployment information transmission process in oilfield water injection system,the digital injection well network monitoring platform based on internet was designed.The system includes three levels,the wellhead data monitoring and control terminal layer,the wellsite data network transmission layer and the management application layer.The ZigBee network technology for network transmission layer and the data server application technologies are developed,the reliability of the ZigBee network communication,the real-time of user terminal monitoring data and the query of historical data are tested.Application results show that the system can achieve the network sharing of water injection information and the dynamic monitoring of wellsites,which meets the requirements of the digital oilfield construction and fine management.

digital wellsite；ZigBee network；ADO.NET data base；LAN

2016-03-10

黑龙江省青年科学基金(编号：15008002-11121)；哈尔滨市青年基金(编号：2014RFQXJ165)

尤波(1962-)，男，博士生导师，教授，主要从事机电一体化技术研究。E-mail:youbo@hrbust.edu.cn

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.05.019

TE357;TP29

1673-064X(2016)05-0114-07

A