油田遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

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摘要：為提高油田數(shù)字化信息采集及處理進(jìn)程，基于C/S模式在原有SCADA系統(tǒng)上進(jìn)行完善和優(yōu)化，設(shè)計(jì)了以現(xiàn)場(chǎng)RTU設(shè)備、數(shù)據(jù)處理中心和中央服務(wù)器三個(gè)層面的軟件系統(tǒng)架構(gòu)，介紹各功能模型，并分析通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)得到的3種常見(jiàn)油井故障異常示功圖特征，通過(guò)整體軟件通訊協(xié)議的完善及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，為數(shù)字化油田建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化油田；油井遠(yuǎn)程監(jiān)控；GPRS；油井示功圖

引言

目前國(guó)內(nèi)大部分油田勘探井所處環(huán)境條件惡劣、分布范圍較廣，在油田生產(chǎn)運(yùn)行維護(hù)過(guò)程耗費(fèi)大量時(shí)間，采用定點(diǎn)巡井、人工巡井等方式，已經(jīng)不能滿(mǎn)足于目前油田生產(chǎn)需要。油田自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化是近年來(lái)熱門(mén)話題，采用多種自動(dòng)化方法監(jiān)控油田油井、管道，控制油井閥門(mén)組件、管道集輸系統(tǒng)、管匯閥門(mén)、計(jì)量系統(tǒng)等，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化油田管理。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控提高了油田自動(dòng)化管理水平，能實(shí)時(shí)測(cè)量、采集、分析、處理現(xiàn)場(chǎng)取得的數(shù)據(jù)，協(xié)助生產(chǎn)運(yùn)行工作人員對(duì)油田進(jìn)行科學(xué)和高效的管理。在工業(yè)控制領(lǐng)域中，SCADA系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用，但其在開(kāi)放性方面還有一定的局限性，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和維護(hù)工作量較大，功能擴(kuò)展能力較差。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，SCADA系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)、多媒體、短信業(yè)務(wù)、無(wú)線傳輸進(jìn)行融合，支持了SCADA系統(tǒng)在更多領(lǐng)域上的發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)與WebServices等網(wǎng)絡(luò)對(duì)接。本文基于油田數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)開(kāi)展相關(guān)分析，提出合理的系統(tǒng)擴(kuò)展方案，結(jié)合油田生產(chǎn)實(shí)際需求，提出需要完善的功能和系統(tǒng)框架。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)分析。從油田現(xiàn)場(chǎng)管理來(lái)看，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析各采油區(qū)內(nèi)各井生產(chǎn)情況，也就是各單井的運(yùn)行參數(shù)，這些參數(shù)通過(guò)屏幕顯示出來(lái)，可以進(jìn)行便捷分析和關(guān)系。針對(duì)采油井所有需要收集的數(shù)據(jù)參數(shù)種，抽油機(jī)示功圖是最為重要的參數(shù)，是分析油井工作電流、電壓、功率等的重要依據(jù)，當(dāng)一些參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，需要采油技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，目前已有油井服務(wù)系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集和中央服務(wù)器兩部分組成，服務(wù)器能連接web，可以正常進(jìn)行數(shù)據(jù)瀏覽，新并入中心服務(wù)器能給用戶(hù)提供C/S模式管理。設(shè)計(jì)過(guò)程需要遵循以下原則：系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性、可靠性和具有較好的容錯(cuò)性，能夠在現(xiàn)場(chǎng)維持較長(zhǎng)時(shí)間的平穩(wěn)運(yùn)行；軟件架構(gòu)具有良好的可拓展性，便于后期針對(duì)系統(tǒng)開(kāi)展新功能的設(shè)計(jì)完善，提高軟件應(yīng)用的靈活性；軟件界面及功能清晰，能夠根據(jù)用戶(hù)需求選擇不同的功能；界面友好、能進(jìn)行多方位展示，人機(jī)交互功能簡(jiǎn)單易行，普通人員通過(guò)系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)也能良好的進(jìn)行操作；具有良好的維護(hù)性、穩(wěn)定性，軟件架構(gòu)和代碼都符合通常標(biāo)準(zhǔn)，采用模塊化設(shè)計(jì)。（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，從整體結(jié)構(gòu)出發(fā)設(shè)計(jì)系統(tǒng)為三個(gè)層次：現(xiàn)場(chǎng)RTU設(shè)備層，包括RTU模塊、傳感器等；數(shù)據(jù)處理中心，負(fù)責(zé)接收底層傳上來(lái)的RTU數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，如何重新上傳到中央服務(wù)器；中央服務(wù)器，由第三方軟件公司開(kāi)發(fā)，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控、瀏覽和控制功能。系統(tǒng)軟件能直接反應(yīng)出客戶(hù)對(duì)目標(biāo)管理的需求，根據(jù)圖例列出建立客戶(hù)需求的模塊，并分析系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性、可靠性、實(shí)時(shí)性，將系統(tǒng)劃為幾大模塊，數(shù)據(jù)采集通信、信息處理分析、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、故障診斷等。

2數(shù)據(jù)通信模塊實(shí)現(xiàn)

（1）數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)。在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)過(guò)程將RTU安裝于抽油機(jī)設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)，收集傳感器電信號(hào)值，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算得到工作量值，按照GPRSModem將數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)中心服務(wù)器。無(wú)線連接方式為GPRS移動(dòng)通信模式，目前而言網(wǎng)絡(luò)覆蓋面較廣，雖然油田野外區(qū)域較廣，但通過(guò)部分基站的建設(shè)，為本系統(tǒng)的應(yīng)用提供了條件。且GPRS網(wǎng)絡(luò)整體上而言較為便宜，具有一定的經(jīng)濟(jì)性。（2）數(shù)據(jù)格式及解析。底層數(shù)據(jù)采集模塊只能采集到兩種數(shù)據(jù)，一是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，另一個(gè)是抽油機(jī)示功圖數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式設(shè)定為可自定義，由底層每隔一段時(shí)間上傳，兩種數(shù)據(jù)包用功能碼來(lái)實(shí)現(xiàn)消息的區(qū)分和表達(dá)，中心服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)包后，需要完成一個(gè)返回包的發(fā)送，才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程，數(shù)據(jù)頭格式見(jiàn)表1。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器程序建立在TCP/IP層基礎(chǔ)上，即在應(yīng)用層，從上到下分別為：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層，目前TCP/IP已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)。在處理數(shù)據(jù)過(guò)程，采用多線路技術(shù)，每一個(gè)線程可以通過(guò)Socket接收到數(shù)據(jù)包，達(dá)到高效處理數(shù)據(jù)的目的。多線程指令由CPU發(fā)出，每一個(gè)指令彼此之間具有一定的獨(dú)立性，且數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)出。（3）與中央服務(wù)器通信。接收到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和示功圖數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)解析完畢傳輸?shù)街醒敕?wù)器，服務(wù)器采用的通信協(xié)議由各大廠商提供，廠商將這些數(shù)據(jù)按照口頭協(xié)議重新組裝并發(fā)送給中央服務(wù)器，該協(xié)議為WIDG協(xié)議，是一種非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。檢測(cè)模塊與中央服務(wù)器相互連接時(shí)采用長(zhǎng)連接信息交互方式，當(dāng)信道上沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，每個(gè)一定的時(shí)間雙方會(huì)發(fā)送跳包維持信號(hào)的連接，當(dāng)連續(xù)兩次發(fā)送跳包對(duì)方未收到時(shí)，則說(shuō)明鏈路出現(xiàn)了異常。接受和查詢(xún)應(yīng)答時(shí)，在數(shù)據(jù)等待應(yīng)答過(guò)程設(shè)定一個(gè)讀超時(shí)間，超時(shí)時(shí)間需要根據(jù)主站處理器詢(xún)問(wèn)來(lái)設(shè)置，以免造成故障時(shí)間發(fā)送時(shí)間較長(zhǎng)，甚至產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間不發(fā)送命令的資源浪費(fèi)。在應(yīng)答消息過(guò)程，需要保持事務(wù)處理和標(biāo)簽協(xié)議的一致性，應(yīng)答消息的前4個(gè)字節(jié)僅需要與所準(zhǔn)備查詢(xún)數(shù)據(jù)的前4個(gè)字節(jié)即可。

3示功圖測(cè)量及故障診斷

（1）供液不足，即油層向井筒內(nèi)供液的能力小于井筒內(nèi)泵的排液能力，造成沉沒(méi)度逐漸變小，示功圖特征見(jiàn)圖1所示。（2）油井出砂故障，當(dāng)?shù)貙映錾昂?，井筒?nèi)液體也會(huì)混著出砂進(jìn)入泵筒中，使得活塞在運(yùn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生阻力，當(dāng)油井出砂輕微時(shí)，示功圖上表現(xiàn)出鋸齒的曲線特征（如圖2）（3）氣液比上升影響，當(dāng)?shù)貙赢a(chǎn)出流體內(nèi)氣體含量增加時(shí)，會(huì)給泵筒造成氣鎖情況，在上沖程過(guò)程無(wú)法打開(kāi)凡爾閥，下沖程過(guò)程游動(dòng)凡爾閥也無(wú)法正常打開(kāi)，造成泵抽過(guò)程產(chǎn)液量變低甚至不產(chǎn)液（圖3）。

4結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)軟件經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明了利用GPRS移動(dòng)傳輸系統(tǒng)能有效的實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，丟包率較低，能夠滿(mǎn)足數(shù)據(jù)分析需要。示功圖分析測(cè)試準(zhǔn)確度較高，基本上完成了油田數(shù)字化服務(wù)的初步應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]何鵬舉，曹允耀，吳來(lái)斌.基于嵌入式云技術(shù)的油井液位遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014,22(16):187-190.

作者：張家田 馬權(quán) 單位：西安石油大學(xué)