無線傳感技術在燃油氣井測試系統中的運用

伴隨著油氣勘探開發的不斷深入，對試油資料接收質量提出了更高的要求。

油氣井地面測試數據采集系統目前國內外均采用有線傳輸方式，但隨著油氣井測試數字化、自動化程度的提高，測試參數越來越多，采用有線傳輸方式取代傳統的地面測試數據采集系統已成為必然趨勢。這也將成為油田科學試油的發展方向。

有線地面測試數據采集系統在油氣井地面測試作業中得到了廣泛的應用，在實際應用中發現了以下不足：

(1)現場工作環境惡劣、線路布置困難、工作量大；

(2)當地面溫度過低時，容易造成信號傳輸電纜的破裂和損壞；

(3)維護信號電纜的費用較高；

(4)信號電纜在現場發生故障時，不方便檢修焊接；

(5)現場布置的信號電纜等常常被切斷。

為解決上述問題，提出了數字化、無線化、智能化的設計模式，研制開發了一套無線地面測試數據采集與管理系統，該系統可實現現場測試數據的實時采集，并可無線傳輸至現場作業中心計算機進行顯示、存儲和處理。

制度目標。

該系統主要是利用采集器連接到中間服務器，采集器采集傳感器的數據，然后通過無線射頻傳輸傳輸到中間服務器。中端服務器將接收到的無線射頻信號進行數據整合處理，并通過局域網將處理后的數據傳送給工業控制計算機進行存儲、顯示和處理。它具有抗干擾能力強，傳輸距離遠，延遲時間短，成本低等特點。另外，與傳感器配套的無線采集終端還具有數據處理能力，可根據用戶需求增加各種智能功能，提供更多更有效的數據處理、統計分析和輔助決策等功能。

油品地面試驗數據無線采集系統的設計。

一是無線采集監控設備的架構。

基于多年的現場測試經驗，結合一些井的實際情況，地面測試數據測點與現場控制中心直線距離約500米，并在井場中設置了壓裂車、酸液、泥漿池等大型遮擋物。采用無線射頻方式，傳輸距離與功率成正比，功率越大，傳輸距離越遠，電池壽命越短，成本越高。為減少直接成本，采集器必須設計成低功耗的結構，但由于周圍沒有大型遮擋物，采集器通過測試時，傳輸距離僅為500米，無法滿足現場測試要求。為解決既節省電力又有較長傳輸距離這一矛盾，系統設計了中繼器，將信號放大后再傳送到接收機。

油氣井井采油測試現場，各節點均有固定地址，數據傳輸均采用主從站方式，節點數目不大，且均在主站無線通信范圍內，主站統一控制網絡通信時序。針對這種特點，無線采集監控裝置被設計成一個實用的集中式無線傳感器網絡。

該系統采用先進的三層結構，采用模塊化和結構化設計，最底層的數據服務層由SQLServer數據庫負責，通過諸如表、視圖、存儲過程、觸發器、規則和默認值等工具對數據進行控制，從而保證事務處理方式下的數據完整性和一致性。中間層為業務邏輯層，通過DLL動態庫或后臺服務，對數據進行業務邏輯處理。最上層為表示層，以應用程序或網頁的形式提供人機界面，負責輸入和輸出數據。其處理業務邏輯層和數據服務層，獲取或提交所需的數據。

二是數據處理。

模擬量先由低功耗的傳感器傳送到采集板，采集板通過A/D轉換產生數字信號，然后通過無線方式發送到中繼器，中繼器再通過局域網絡以TCP/IP方式發送到控制中心。通過上位機控制中心負責數據的采集，并利用ADO技術實時地將數據存儲在SQLServer數據庫中；通過下位機控制中心負責數據的管理，并與上位機共用一個SQLServer數據庫，還利用ADO技術對數據庫進行讀寫操作，生成實時曲線和預警報警，完成采集數據的歷史曲線回放、打印、數據計算、數據查詢、導出和基本信息的維護。

無線采集監控裝置終端的硬件設計。

地測數據自動采集和無線傳輸系統的硬件包括：

(1)數據采集器，負責對傳感器數據進行采集，并通過無線射頻方式向中繼器傳輸數據；二是采集器，包括壓力采集器、溫度采集器、差壓采集器、液流采集器、氣流采集器等；

(2)中繼器，它接收采集器發送的數據信號并將其無線轉發給接收機；

該系統采用無線傳輸方式，通過RJ45接口或DB9接口將數據傳輸到總控室，實現對局域網的無線傳輸；

最后一部分是現場控制中心，數據在PC上經過顯示、分析和處理[5]。

一、采集設備。

地測數據采集系統主要采集的是壓力，溫度，流量和壓差信號。按現場需要主要有壓力采集器、溫度采集器、流量采集器等。其主要功能是采集測點數據，并以無線射頻方式向中繼器傳輸所采集到的信息。

該數據采集器主要完成傳感器信號輸入、ADC模數轉換(不需進行A/D轉換，可直接由MCU進行A/D轉換)、傳感器相關數據的采集和記錄，并通過無線射頻向中繼器傳送所采集的信息。采集器由傳感器、單片機、ADC模數轉換電路、無線射頻芯片、電池電源管理五部分組成。該方法是通過ADC模數轉換電路將傳感器采集的測點數據轉換成數字信號，然后傳送到低功耗的單片機上，經處理后通過射頻電路和天線傳送到中繼器上。采集器與中繼器可以雙向通信，即采集器既能向中繼器發送數據信息，又能通過中繼器將操作指令傳遞給采集器。

該系統采用無線通訊協議作為分時協議，工作頻率為433MHz，檢測和現場測試效果良好。

二、接收機。

接收端的主要功能是通過無線信道接收中繼器或收集器發出的數據，并通過網口經局域網將數據發送給控制中心。當與中央服務器的連接中斷時，通過臨時無線信道發送的數據就會被傳送到板載的Flash中，在正常連接之后，將Flash中的數據重新發送到中央服務器。增音機與接收機可以雙向通訊。

接收裝置工作時置于現場控制中心，由外部電源供電。該接收機采用高性能的嵌入式CPU和大功率的收發模塊，采用高增益的全向天線，以確保采集器或中繼器發出的數據能夠實時接收。

油品地面試驗數據無線采集系統的現場測試；

(1)試油地面測試數據采集系統在富順1井進行現場測試，試油層為下二層；地面測試設備有節流管匯、轉向管匯、熱交換器、分離器、數據采集房等；無線采集系統設備有0~70MPa壓力采集器1個，0~16MPa壓力采集器1個，-50℃~150℃溫度采集器1個，液流采集器1個，中繼器1個，網絡集線器1個，網線1個，接收器1個，便攜式電腦1個，無線數據采集軟件1個。

在套壓處安裝0~70MPa壓力采集器，在流量計孔板上壓處安裝0~70MPa壓力采集器，在熱交換器出口安裝-50℃~150℃，在設備上未安裝流量采集器，作為測量設備傳輸距離和抗干擾能力的工具。接收天線安裝在數據采集機房的頂部。接收和網絡集線器位于數據采集室。以下是試驗結果：

在沒有安裝中繼器的情況下，套壓和換熱器處的信號都比較好，在井場中的效果都很好；

(2)增壓器安裝在鉆臺司鉆房頂，經中轉后全部送至接收機，具有良好的效果。在距采集房約800m的地方放置流量采集器，傳輸信號良好，無數據丟失；

(3)酸化時兩臺壓裂車同時開動泵工作，整個工作過程中無干擾信號產生，無線采集裝置工作穩定；

與有線數據采集系統相比，該系統的測試數據值一致，精度相當，且沒有明顯的時滯。

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