基于窄带物联网的智能封井器设计

2022-06-10丁哲文聂亚龙黄承先张应红

石油管材与仪器 2022年3期

丁哲文，聂亚龙，彭达，黄承先，张应红

(桂林电子科技大学机电工程学院广西桂林 541004)

0 引言

随着国民经济的快速发展,各行各业对石油的需求量日益增加。但是在石油开采过程中,很多油气田进入了二次、三次开采过程，石油开采的难度越来越大，成本越来越高，同时也带来了一些安全问题[1]。为了有效减小开采过程中的风险，产层保护是一个重要环节[2]。其中，对油井加盖封井器是一项避免事故发生的有效措施。井下封井器是一种在试油、修井、完井过程中将井口封闭的装置。该装置可以实现全过程欠平衡钻井，从而防止钻井液泄漏、提高钻井效率、保护储层、提高单井产量[3-4]。但是目前市面上的封井器很少带有探测装置，不能在石油开采过程中主动探测井下各项参数，无法很好地满足数字油田建设的需求。

将石油开采过程变得更加智能化和自动化是石化行业的发展趋势。针对现有封井器存在的难以实时监测与预警等问题，本文提出了一种基于窄带物联网的智能封井器设计方案。该方案对封井器机械结构、系统组成、软件和硬件设计进行了详细阐述，制作了样机并进行系统测试。基于窄带物联网的智能封井器集油井智能化、信息化于一体，是提高油井开采效率、节能降耗能力、增产潜力的石油工程解决方案。

1 封井器结构设计

智能封井器结构分为防盗井盖、天线模块、主控电路及NB-IoT模块、电池模块、信号线、温度压力传感器模块以及封井器底座等。该封井器具有防止井喷、保护储层、隔绝井下压力等功能。结构如图1所示。

图1 智能封井器结构示意图

在封井器上添加了防盗井盖并且喷涂迷彩，增加了隐蔽性。防盗井盖顶端用水泥砂浆做顶，在防止盗窃的同时便于无线电信号传输；天线接口、传感器接头等都采用密封防水结构，将控制器、传感器及电池等密封在一个防潮防腐的密封环境内，防止腐蚀性的液体和气体进入导致电路损坏。传感器采用膜片式压力传感器，其外壳和弹性体均为304不锈钢。传感器量程为50 MPa，在传感器内部安装有PT100热电阻温度传感器，可以同时测量压力和温度。

2 系统总体设计

本系统按照物联网的分层体系[5]进行设计，包括感知层、传输层、应用层。感知层主要用于井下环境的压力、温度等信息的采集，并将采集到的数据发送至传输层[6]。传输层控制器接收到温度、压力传感器发送的数据，对数据进行解析、转换后传送到窄带物联网通信模块，并通过窄带物联网将数据远程传送到云端[7]。应用层中建立一个井下温压监测平台网站即远程监控中心，监控中心从云端读取采集数据，并可以与历史数据进行对比分析。管理人员可以通过远程监控中心设置温度、压力参数的报警数值，当温度或压力超出阈值时，系统会发出报警提示并发送短信通知管理人员。方便管理人员及时关注相应油井的内部状态，为再次采油或防护做准备。

系统总体框图如图2所示。温度和压力信号由AD7793模块调理后进行模数转换，该芯片提供了1路2.5 V基准电压和1路电流源。其中，基准电压可以作为压力传感器的电桥供电，电流源可用于PT100的温度信号激励。主控芯片采用低功耗的STM32L053嵌入式芯片。时钟模块由SD3077芯片及其外围电路组成，用于定时唤醒主控芯片和提供时钟基准，窄带物联网通信模块为NB86-G模块。远程监控端包括移动端与PC端2种模式，方便用户自由选择。

图2 系统总体框图

3 系统硬件设计

在智能封井器中，传输层的控制器负责定期采集井下温度、压力数据，处理并上传至云端或服务器[8-9]。因此，系统的硬件主要围绕着传输层控制器进行设计。传输层控制器主要由主控模块、时钟模块、通信模块、报警模块等模块组成。

3.1 主控模块

本系统采用性能处理相对较强、功耗较低的意法半导体公司的STM32L053系统硬件的主控芯片。其芯片内核为Cortex-M0，主频为32 MHz，电源电压为1.71～3.6 V，具有32 kB Flash存储器。运行模式功耗为139 μA/MHz，当芯片处于睡眠状态时，最低功耗仅需270 nA/MHz。该芯片在低功耗领域具有优势，其他性能与以往的STM32芯片相似。其最小系统包括BOOT电路、晶振电路、复位电路等。主控模块主要用于收集由AD模块转换的传感器数据、接受时钟芯片信号并唤醒其他模块，并将数据输送给NB86-G模块。

为了降低系统功耗，主控芯片在正常情况下处于低功耗模式中的休眠模式[10]。在该模式下，内核停止运行，PLL、HIS和HSE振荡器功能被禁止，运行功耗明显降低，可达到微安级别，被唤醒后不会重新复位。当接收到时钟芯片发出的唤醒信号时，主控芯片外部中断接口接收到中断信号，模数转换器开始采集温度和压力信号并将数据发送给主控芯片。数据转换完成后，经过主控模块将数据传送给通信模块。主控芯片及外围电路如图3所示，其中JP1为程序下载接口；晶振Y2为系统提供运行频率8 MHz的基准时钟；Y3为32.786 kHz日历计时时钟晶振；电容C3与电阻R5组成滤波电路，防止复位按键按下时抖动；C6～C10为电源滤波电容。

图3 主控芯片应用电路

3.2 时钟模块

本系统使用SD3077芯片及其外围电路构成时钟模块。SD3077芯片具有IIC接口，最高速度400 kHz，工作电压为2.7～5.5 V，可输出14种方波脉冲，并且SD3077芯片内置定时/报警中断输出脚和独立的32 K时钟输出脚，报警中断时间最长可设至100 a。SD3077芯片内置晶振及数字温度补偿，因此可以不考虑外接晶振、谐振电容所带来的元件匹配误差问题、晶振温度特性问题及可靠性问题。且该时钟芯片具有极低的功耗，在3.3 V的工作电压下，其功耗仅为0.6 μA。它具有应用电路简单、定时精度高、可定时输出脉冲以及功耗低等优点，因此本系统采用SD3077芯片。应用电路如图4所示。

图4 时钟芯片应用电路

在系统中，通过设置SD3077芯片的寄存器CTR2，将该芯片设置成周期性报警的中断输出模式，并通过设置时间报警寄存器(07H～0EH)来确定报警中断的时间。当芯片进入中断时，会向主控模块输出低电平有效、宽度为250 ms的周期性信号唤醒主控模块，使主控模块周期性工作，从而减少系统功耗。

3.3 通信模块

网络通信技术有ATM、光纤等有线网络和GPRS、4G、5G、NB-IoT等无线网络，有线网络适用于非移动设备和供电便利的地方，而无线网络具有布置灵活、便于移动等特点，尤其是低功耗广域网的NB-IoT凭借其超大覆盖面积、大连接以及低功耗特性在工业和生活中得到广泛应用。为此，本文采用基于海思半导体Hi2115窄带物联网芯片开发的NB86-G通信模块，该模块具有体积小、功耗低、传输距离远及抗干扰能力强等特点，特别适合于电池供电的使用场景，且只要有蜂窝网络的地方就能实现网络连接与通信。通过简单的AT指令进行设置，就能轻松实现双向数据透明传输，通过其全功能串口与STM32L0芯片的UART2实现通信，波特率为9 600 bps。通过AT指令进行模块初始设置，其常用指令有:

1)AT+NBAND:查询当前模块频段；

2)AT+CSCON:设置基站连接通知；

3)AT+CSCON？：查看模块的连接状态；

4)AT+CGATT？：查看网络附着状态。

当查询网络附着状态为=1时代表附网成功，控制器就可以通过NB-86G模块向云端发送数据。系统采用“NB模块+窄带物联网+云端”[11]的方式进行数据传输。此方式实现了低成本、无线化、响应快速，平均响应时长与TCP/IP持平，且控制系统成本较低。

4 系统软件设计

4.1 嵌入式软件设计

本系统软件设计主要分为嵌入式系统软件和远程监控端软件。嵌入式软件的开发采用嵌入式集成开发环境KEIL5 MARK，编程采用C语言。STM32L053作为主CPU，在系统中主要负责压力、温度数据的采集，接收时钟芯片信号以及与通信模块进行通信。为满足控制系统的稳定性、持续性和长航时工作，控制器将采用周期采集数据的方式进行工作。嵌入式软件工作流程如图5所示。

图5 嵌入式软件工作流程图

当系统不采集数据时，处于休眠模式，主控模块进入低功耗状态。当系统需要进行数据采集时，时钟模块发送电平信号至主控模块，使其结束休眠状态，进入到工作状态。传感器开始采集压力、温度数据，控制器通过AD7793芯片将数据转换、重组后，由NB86-G通信模块上传至云端。若数据发送不成功，NB86-G模块会重新进行联网，重新发送数据。

4.2 远程监控端软件设计

远程监控端程序采用JAVA编写，系统具有设备注册、设备监控(查询最近的状态数据)、报警信息(超出阈值的数据，包括报警原因、是否已推送)、历史数据查询等功能。图6为系统的数据查询界面，图7为报警参数设置界面。系统可以远程联网登录，也可以通过手机端登录进行参数设置与查询，当压力或温度达到报警预设值时系统会自动发出报警信息，提示工作人员进行相关查询与操作。

图6 远程监控系统查询界面

图7 报警参数设计界面

5 系统测试与结果

系统的软硬件设计完成后，对控制器进行测试。首先对系统进行供电，各模块进行初始化后，检查各模块的运行状态是否符合预期。然后长期采集温度、压力数据，并将数据上传至云端，检查系统的稳定性。

为验证所提出的智能封井器的可行性，本文使用液压泵模拟井下压力环境进行压力参数的测试，为方便对照，我们分别以压力表读数为10、20、30、40 MPa进行加压测量，测试结果见表1。由表1知液压泵的压力表和本系统采集到的压力示值误差在1%左右，并且在同一压力下数值相差不大，说明该系统可以稳定、准确地监测压力。