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油田信息自动采集系统的设计与实现

2013/1/15    来源:万方数据    作者:李耽  姜秀英  张善明  
以嵌入式系统及GPRS、TD—SCDMA,L线传输技术及B/S设计架构技术为基础.研制开发了油田开采信息自动采集系统。通过嵌入式系统实现数据实时检测.通过无线传输网络自动加栽数据到公司信息中心实时数据库.为各级管理部门提供开放的数据平台,使生产和管理人员及时了解和控制生产动态,达到提高生产过程自动化、实现节能降耗、减员增效的功能和目的。为降低生产成本提供重要依据,为油田实现自动化监控奠定基础。本系统已在大港、新疆、长庆等油田成功应用。

    为配合油田自动化建设.实现油田生产信息数据自动采集与远程监控功能.对油田现有生产设备、现场仪表进行改造,设计一套采用嵌入式采集系统、GPRS无线传输技术及B/S设计架构。自动加载数据到公司信息中心实时数据库.为各级管理部门提供开放的数据平台.集油田自动采集监控及数据传输为一体的油田信息自动采集系统。该系统可以大大提升生产系统自动化管理水平.提高油田采收率、降低操作人员劳动强度、降低运行成本、保证人身安全、从而提高油田核心竞争力。

1 油田工艺及系统组成

    油田信息自动采集是油田生产过程中的关键环节。油田开采属野外作业,流动性强,点多、分散、距离长.施工现场与公司之间的信息交流长期以来没有很好的解决方案。油田采油生产过程中原先采用人工的方式对数据进行采集.由于各采油井分布距离较远.随着所开井数的增加。现有的人员越来越无法胜任该项工作。特别是计量大多采用分离式测量,数据滞后且流程复杂,难以实现连续计量,无法优化生产参数,采收率低,造成能源浪费。

    针对现有技术存在的缺点.本文提出一种油井信息自动采集、远程无线传输系统。该系统无需现场繁琐的电缆布线.可对现场参数实时采集与远传.具有实时性强、可靠性高、结构小巧等特点。实现了井口传感器、加压注水站、计量站现场仪表信息采集.经无线网络传输到公司信息中心实时数据库.为各级管理部门提供集中监控平台,构成了网络化的远程数据自动采集监控系统.如图l所示。在系统底层硬件设计中.采用一种基于通用分组无线业务GPRS无线上网技术的自动数据采集方案.支持B/s结构.保证系统具有很好的可扩展性。


图1 系统应用整体架构图
Fig.1 Frame diagram of system application

 

2 系统构成及各部分功能

    油田信息自动采集系统设计由5个部分组成:1)井口测量数据采集;2)计量站信息采集;3)加压注水站信息采集;4)无线数据远传系统;5)数据采集监控中心。各部分的设计介绍如下:

    2.1 井口测量数据采集

    井口数据采集子系统对各采油井设备的电压、电流、电度、温度、压力、流量、液位、界面、含水、示功图、红外报警等数据进行采集,对流量、电量进行累积积算.并将数据进行远传。在每口井的采油磕头机旁安装l台数据采集设备(RTU)对各参数进行采集。RTU采用基于Cortex—M3内核的嵌入式微控制器进行设计。Cortex—M3是ARM公司基于ARMv7架构的最新ARM嵌入式内核.它采用执行Thumb一2指令的32位哈佛微体系结构和系统外设.使用分离指令和数据总线。具有更小的基础内核、价格更低、速度更快等优点.这里采用美国TI公司生产的LM3S1626作为RTU的MCU进行总体设计.其芯片内置双通讯口,可使RTU具有更好的性能。

    每台DTU的RS485通讯口与GPRS DTU模块相连.通过DTU数传模块将采集数据发送到GPRS网络。

    2.2 计量站信息采集

    油气水三相流体是石油开采中常见的流体流动工况.近年来随着石油工业的迅猛发展。油田开发中大量注水生产.油井开采中油水气三相流多介质的分别测量也越发重要.各计量站要求实现多口井油、气、水含量的实时检测及计量,并将数据进行远传,为注水作业提供数据依据。

    采用基于ARM7内核的32位CPU设计XF一2005油水气三相流量计.采用高效分离装置、气液平衡可调节三通阀及动静态结合法测油含水装置.解决了大气量油井的气液分离及油含水测量.使得气液测量精度可达±2%。油含水精度达±(5—10)%。流量测量范围宽,液量可达1:100,气量可达1:20,重线性好。无论是低产、高产、间歇出油,一台测量装置不更换任何部件均可满足测量。本装置无需调试.结构简单.体积小.无维护量,适合于油田单井、计量站(多口井),可控制多通道选井阀.并与其组成撬装测量装置,适用于油井三相流体介质(油、水、天然气)的实时分别计量,可以取代传统的测试分离器和计量站。

    每个计量站安装一套XF一2005油水气三相流量计.对多口井(最多不超过16口井)的油、水、气三相流体进行轮巡测量.测量数据通过GPRS传输。同时仪表上配备320x240点阵的彩色LCD。可切换显示各参数的历史记录曲线、操作记录、工况参数等信息。通过设定的各井轮巡测量时间,自动控制多通道阀进行换井.可实现计量站无人值守作业。

    2.3 加压注水站信息采集

    注水可以使油田能量得到补充,保持油层压力。达到油田产油稳定.提高油田最终采收率的目。每个注水站对多13油井进行注水作业,为合理地安排每口井的注水生产量.提高油品采收率,要求实现对每口井的注水压力、温度、注水流量信息的采集。

    采用8052单片机加AD7705快速采样芯片进行嵌入式数据采集设备的设计.每台设备对最多达8口油井的注水压力、温度、流量进行采集。并对流量进行累积积算。通过RS485与DTU模块通讯.进行数据远传。

    2.4 无线数据远传系统

    本系统主要利用GPRS的分组无线业务.通过无线网络连接到现场的仪表测量装置上进行数据采集。GPRS把分组交换技术引入现有无线网络系统,为移动用户和数据网络之间提供通信。

    GPRS数据采集模块DTU是系统硬件的主要部分.通过RS485接口与RTU进行连接.实现数据的无线传输。GPRS DTU终端选用厦门四信生产的F2103 GPRS IP MODEM.该模块通过内置的嵌入式处理器对数据进行处理、协议封装后发送到GPRS无线网络.

    采集信号经DTU传送到GPRS无线网络.再与J2EE技术相结合后,由J2EE(Jaya 2 platform.en—terprise edition)平台自动加载到公司信息中心实时数据库。为各级管理部门提供集中监控平台.构成了网络化的远程数据自动采集系统。在系统底层硬件设计中。采用一种基于通用分组无线业务GPRS无线上网技术的自动数据采集方案。在上层软件设计中.采用美国Sun公司推出的J2EE平台。系统采用了Java技术。J2EE架构开发的先进的自主群件平台。Java技术由于其跨平台特性。面向对象特性,安全特性等使之已经成为构建各类应用的标准。J2EE把数据库访问、Java组件和WEB技术等有机地集成在一起.使之特别适合于构建复杂的大中型应用,更好支持B/S结构,保证系统具有很好的可扩展性。如图2所示。


图2 GPRS无线传输及B/S架构图
Fig.2 GPRS radio transmission and B/S design
architecture

    应新疆克拉玛依采油厂的要求.采用TD—SCDMA代替GPRS实现无线数据传输,采用信威通信生产的U229数据采集模块代替GPRS DTU.通过3G网络将各计量站采集数据传送到厂级服务器.实现与厂级ORACLE数据库管理系统的数据对接。

    2.5 数据采集监控中心子系统的设计

    数据采集监控中心的软件设计采用B/S(brows.er/server)架构,即浏览器和服务器结构。它是随着Intemet技术的兴起.对C/S结构的一种变化和改进的结构。在这种结构下,用户的工作界面是通过In.temet浏览器来实现.极少部分事务逻辑在前端(Browser)实现,但是主要事务逻辑在服务器端(Server)实现,形成所谓三层3一tier结构。将系统整体分为“客户层”(用户界面),“应用层”(商用逻辑)。“数据层”(数据库)3层。这样就大大简化了客户端电脑载荷,减轻了系统维护与升级的成本和工作量.降低了用户的总体成本(TCO)。目前,软件系统的改进和升级越来越频繁.B/s架构的产品明显体现着更为方便的特性。今后,软件升级和维护会越来越容易,而使用起来会越来越简单,这对用户人力、物力、时间、费用的节省是显而易见。该子系统的设计包括以下几个部分:

    (1)通信服务器:它打开服务器的某一端口。监听并接受所有GPRS终端向该端口发送的UDP数据包,然后将数据包解析成相应参数的数据.写进数据库服务器中。

    (2)数据库服务器:通信服务器从GPRS终端获得的数据都存储在数据库服务器上.同时数据库服务器还自动对数据进行备份。

    (3)Web服务器:它连接着数据库服务器和客户端.向客户端提供Web服务。

    (4)客户端:它采用瘦客户端。只需要一个Internet浏览器即可。客户端的任务就是向Web服务器发出http请求.然后将Web服务器返回的ht—IIll格式文件显示给用户。

    该系统集数据采集、数据维护、查询统计、报表输出及日志管理、系统参数维护、数据发布及共享等功能于一身,实施简捷、方便、迅速,系统软件的数据处理结果被存人数据库中,数据每1rain记录一次,每日8点出具原油交接计量凭证及日报表。各采集点使用GPRS数据传输终端.通过移动GPRS网络与数据采集监控中心相连。

    图3为运行在某采油厂的监控终端数据查询的界面。


图3客户浏览嚣画面
Fig 3 Reference to the ctient browser screen

 

3 结语

    针对大港油田、长庆油田、新疆克拉玛依等油田开采数据采集的需要.建立油田相关生产数据采集、远传、监控管理的平台,设计自动化信息采集系统。通过GPRS网络传送采集数据到油田信息中心实时数据库服务器.并以B/S设计架构.使生产管理的各个部门能够及时掌握油田工作状态.缩短油田故障处理时问.合理利用资源、提高开井时率.增加油产赶.提高工作效率。油田数据采集系统的投用为油田生产提高了效率、确保了生产的安全、精简了组织机构.使油田生产自动化水平得到一个新的提高。系统的性价比高.取得了较好的经济效益和社会效益.综合效益明显提高。经调研全国几十个油田、几十万1:3油井.目前实现油田信息自动采集系统的数量较少.所以本项技术的实现具有很高的推广价值。

责任编辑:孙玲
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