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    （中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所，沈陽 110016） 曾 鵬，王 軍
                            
    曾鵬（1976-）男，工學(xué)博士，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研究員，研究方向?yàn)楣I(yè)通信、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。出版專著1部，在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)會議和期刊上發(fā)表論文50余篇，申請發(fā)明專利10余項(xiàng)。近年來承擔(dān)多項(xiàng)國家級科研項(xiàng)目，主持國家863計劃工業(yè)無線方向重點(diǎn)項(xiàng)目的研發(fā)工作。

    摘要：工業(yè)無線技術(shù)是一種新興的面向設(shè)備間信息交互的短程、低速率、無線通信技術(shù)，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境使用。本文介紹了采用基于WIA技術(shù)的油井遠(yuǎn)程在線計量與優(yōu)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有油井工況數(shù)據(jù)自動監(jiān)測、液量計量、工況診斷、系統(tǒng)效率優(yōu)化設(shè)計等功能。整個系統(tǒng)具有成本低、可靠性高的特點(diǎn)，適合對油田現(xiàn)有的生產(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化簡化。

    關(guān)鍵詞：WIA；油井；遠(yuǎn)程監(jiān)測；液量計量；分析優(yōu)化；遠(yuǎn)程控制

    Abstract: Industrial wireless technology is a newly developed method for short distance and low data rate communication in harsh industrial environment.This paper introduced a remote monitoring and online measurement, analysis and optimization system based on WIA technology for oil-well production.Functions of the system include automatic monitoring of oil-well working condition data, measurement of oil-well fluid volume, well condition diagnosis and efficiency optimization design etc. This low cost, highly reliable system can be used to optimize or simplify the traditional production process.

    Key words: WIA; Oil-well; Remote monitoring; Fluid-volume measurement;Analysis and optimization; Remote control

    1 引言

    油田生產(chǎn)作業(yè)設(shè)備大多位于野外且分布散遠(yuǎn)，因而油井遠(yuǎn)程生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)外油田得到了推廣應(yīng)用。我國部分油田建立了用于油井田監(jiān)控的SCADA系統(tǒng)[1][2]，此類系統(tǒng)主要由監(jiān)控設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)和后臺管理系統(tǒng)等部分構(gòu)成。

    油井監(jiān)控設(shè)備主要包括監(jiān)測儀表和控制裝置兩類，監(jiān)測儀表包括各種通用型監(jiān)測儀表，如溫度計、壓力計、流量計，以及油田專用監(jiān)測儀表，如示功儀、電機(jī)監(jiān)測儀等。控制裝置主要包括油井的間抽控制器、變頻控制器、RTU以及氣井的自動閉鎖裝置等。

    現(xiàn)有的油井監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)大多采用單層無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，小范圍內(nèi)的多個監(jiān)控設(shè)備通過有線方式連接到安裝有窄帶數(shù)傳電臺或GPRS模塊的RTU，對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總后再通過數(shù)傳電臺或GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到油田監(jiān)控管理中心。RTU一般只能連接半徑幾十米范圍內(nèi)的測控設(shè)備，接入的測控設(shè)備數(shù)目較少，整個系統(tǒng)造價和維護(hù)費(fèi)用都很高。

    當(dāng)前我國大部分油田已經(jīng)進(jìn)入高含水期，單井產(chǎn)量小，邊際經(jīng)濟(jì)效益較低，因而要求油井監(jiān)測儀表和控制裝置必須具備低成本、高可靠性的特點(diǎn)，只有設(shè)備成本和運(yùn)行維護(hù)成本都非常低，才有在數(shù)量眾多的低產(chǎn)井上應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)上的可能性。

    隨著Wireless HART[3]和WIA[4]等工業(yè)無線技術(shù)的發(fā)展和成熟，在一個較大的作業(yè)區(qū)域內(nèi)，多個無線監(jiān)控設(shè)備、無線中繼器和無線網(wǎng)關(guān)可以組成一個多跳MESH網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各種監(jiān)控設(shè)備及中繼器、網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將符合統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)，可以方便地任意新增或替換無線監(jiān)控設(shè)備，從而使油田監(jiān)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、易用性以及可擴(kuò)展性大大改善。

    2 工業(yè)無線WIA技術(shù)

    工業(yè)無線技術(shù)是滿足工業(yè)應(yīng)用高可靠性、低能耗、硬實(shí)時等特殊需求的一類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最具代表性的重要分支。基于工業(yè)無線技術(shù)的測控系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的有線測控系統(tǒng)相比，具有以下一些優(yōu)勢：

     低成本、易施工。

    在傳統(tǒng)的有線系統(tǒng)中，布線的成本是$30～$100/每米，在一些惡劣環(huán)境下，可達(dá)到$2000/每米。使用工業(yè)無線技術(shù)將使測控系統(tǒng)的安裝與維護(hù)成本最高可降低90％，是實(shí)現(xiàn)低成本測控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

    高可靠、易維護(hù)。

    在有線系統(tǒng)中，大部分系統(tǒng)故障是由電纜的連接器件損壞而引起的，其維護(hù)復(fù)雜程度、維護(hù)費(fèi)用都很高。使用無線技術(shù)將從根本上杜絕此類故障的發(fā)生。

    高靈活、易使用。

    使用無線技術(shù)后，現(xiàn)場設(shè)備擺脫了電纜的束縛，從而增加了現(xiàn)場儀表與被控設(shè)備的可移動性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活性以及工程應(yīng)用的多樣性。用戶可以根據(jù)工業(yè)應(yīng)用需求的變化，快速、靈活、方便地重構(gòu)測控系統(tǒng)。

    WIA標(biāo)準(zhǔn)是我國科研機(jī)構(gòu)在863計劃的支持下，于2007年開始制定的面向工業(yè)自動化應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

    目前已完成了WIA-PA規(guī)范國家標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿和IEC PAS、NP文件的制訂，成為在國際上與Wireless HART被同時承認(rèn)的僅有的兩個國際標(biāo)準(zhǔn)之一。

    WIA-PA協(xié)議架構(gòu)如圖1所示，其物理層、MAC層直接采用了IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[5]，鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由我國自主制定，其抗干擾、低能耗、實(shí)時通信等核心技術(shù)主要體現(xiàn)在鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。WIA的用戶應(yīng)用進(jìn)程包含的功能模塊是多個用戶應(yīng)用對象。設(shè)備管理應(yīng)用進(jìn)程包含的功能模塊有：設(shè)備管理模塊、網(wǎng)絡(luò)管理模塊、安全管理模塊、網(wǎng)絡(luò)管理代理模塊、安全管理代理模塊、管理信息庫等。
                      
    WIA采用分簇的組織架構(gòu)和骨干Mesh網(wǎng)結(jié)合星型子網(wǎng)的兩層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是高可靠自組織網(wǎng)絡(luò)，具有以下技術(shù)特征：

    TDMA/CSMA混合接入模式支持周期性和非周期性通信負(fù)載；

    自適應(yīng)跳頻通信方式提高了點(diǎn)到點(diǎn)通信的抗干擾能力；

    鏈路層自動請求重傳和應(yīng)用層端到端重傳機(jī)制保證了報文傳輸?shù)母叱晒β剩?br />
    多路徑Mesh路由保證了端到端通信的可靠性；

    集中式與分布式結(jié)合的系統(tǒng)管理綜合考慮了系統(tǒng)的易管理與擴(kuò)展的靈活性；

    自組網(wǎng)模式提高了系統(tǒng)易用性；

    采用休眠模式的低占空比工作方式使終端具有超低能耗。

    通過使用工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)，用戶可以以較低的投資和使用成本實(shí)現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)的全程感知，獲取之前由于成本原因無法在線監(jiān)測的重要工業(yè)過程參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)實(shí)施優(yōu)化控制，來達(dá)到提高產(chǎn)量、質(zhì)量和節(jié)能降耗的目標(biāo)。

    3 基于WIA技術(shù)的油井遠(yuǎn)程計量與優(yōu)化控制系統(tǒng)

    和現(xiàn)有油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相比，基于WIA技術(shù)的系統(tǒng)改進(jìn)主要體現(xiàn)在底層網(wǎng)絡(luò)的連接方式和后臺數(shù)據(jù)的處理上。

    由于WIA技術(shù)適合大量現(xiàn)場設(shè)備的無線互聯(lián)，井口的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)將不再需要有線連接到RTU，而是完全實(shí)現(xiàn)低成本無線連接，因此能夠?qū)崟r監(jiān)測更多之前SCADA系統(tǒng)所不能監(jiān)測的。
                                 
    3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    基于WIA技術(shù)的油井遠(yuǎn)程計量和優(yōu)化控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可以分為前端的數(shù)據(jù)采集和后臺的專家系統(tǒng)兩大主要部分。

    其中，前端的數(shù)據(jù)采集部分主要完成井口各項(xiàng)參數(shù)的檢測和控制參數(shù)的實(shí)時傳輸，后臺的專家系統(tǒng)[6][7]則完成人機(jī)交互、遠(yuǎn)程計量、工況分析以及優(yōu)化控制等任務(wù)，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
                         
                                    圖2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
    數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要由現(xiàn)場終端設(shè)備、WIA網(wǎng)關(guān)及WIA網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)三部分組成。井口的現(xiàn)場終端設(shè)備主要包括WIA無線壓力變送器、WIA無線溫度變送器、WIA無線示功儀及WIA無線電測儀等，單口油井的設(shè)備安裝如圖3所示。
                           
                                           圖3  單口油井部分無線設(shè)備安裝示意圖
    終端設(shè)備用來周期性從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)信息，包括壓力、溫度、示功、電機(jī)狀態(tài)參數(shù)等通過無線電波發(fā)送給WIA無線網(wǎng)關(guān)；WIA無線網(wǎng)關(guān)的主要功能是對整個數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理及維護(hù)，匯集終端設(shè)備的數(shù)據(jù)信息并通過無線方式發(fā)送給數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)中心模塊；WIA網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)安裝在工作站，主要功能是用來顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?shí)時數(shù)據(jù)信息、設(shè)備狀態(tài)、歷史記錄及配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)據(jù)率等信息。

    3.2 系統(tǒng)硬件

    系統(tǒng)硬件主要分為兩類。一類是無線網(wǎng)關(guān)，用于網(wǎng)絡(luò)管理，另一類是WIA設(shè)備，用于現(xiàn)場的各類參數(shù)檢測裝置和執(zhí)行器。

    3.2.1 WIA無線網(wǎng)關(guān)

    WIA無線網(wǎng)關(guān)是集成WIA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)核心協(xié)議的短程無線通信設(shè)備，工作在2.4GHz頻段。WIA無線網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的管理、調(diào)度和優(yōu)化，設(shè)定和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)，統(tǒng)一為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配通信資源和路由，配置網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，調(diào)度WIA網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的通信，監(jiān)控并定時報告網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)。

    WIA無線網(wǎng)關(guān)還作為全網(wǎng)的時間同步源，提供消息緩沖與保存，橋接所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。WIA無線網(wǎng)關(guān)支持一個或多個網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)和服務(wù)接入點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)提供連接其他網(wǎng)絡(luò)的接口。服務(wù)接入點(diǎn)為上位機(jī)應(yīng)用提供訪問和管理網(wǎng)絡(luò)的接口。WIA網(wǎng)關(guān)的主要功能與技術(shù)指標(biāo)如下：

    網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：一臺WIA無線網(wǎng)關(guān)最多可以管理100個現(xiàn)場無線設(shè)備，通過互連多個網(wǎng)關(guān)可構(gòu)建起大規(guī)模的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；

    波段：2.4GHz；

    用戶接口：為用戶應(yīng)用提供OPC、XML及HART三種接口方式；

    全面API接口：支持一個或多個網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)和服務(wù)接入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議的互連接和互操作；

    多種通信接口：支持以太網(wǎng)、RS232等通信接口。

    3.2.2 WIA無線儀表

    檢測、控制儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)是檢測工藝過程數(shù)據(jù)、執(zhí)行控制系統(tǒng)命令的關(guān)鍵設(shè)備，因此要求井口的無線儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)除了必須滿足其所需的精度要求外，處于爆炸環(huán)境的儀表防爆等級不低于ExdI IBT4，現(xiàn)場儀表防護(hù)等級不低于IP65，所有儀表設(shè)備必須在溫度-40～85℃，濕度≤95%RH環(huán)境下正常工作。具體包括以下一些主要的WIA無線儀表：

    WIA低功耗無線載荷、位移、沖次一體化傳感器；

    WIA微功耗無線壓力傳感器；

    WIA微功耗無線溫度傳感器；

    WIA三相電量智能采集控制模塊；

    WIA微功耗無線流量傳感器；

    WIA高壓智能流量計；

    WIA微功耗數(shù)據(jù)采集控制終端。

    3.3 系統(tǒng)軟件

    系統(tǒng)軟件主要分為兩部分，一個是WIA網(wǎng)絡(luò)的管理軟件，該軟件運(yùn)行在WIA無線網(wǎng)關(guān)上，用于管理WIA網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。另一個是后臺用戶支撐軟件，用以完成對油井生產(chǎn)的自動化遠(yuǎn)程監(jiān)控。

    3.3.1 WIA網(wǎng)絡(luò)管理軟件

    WIA網(wǎng)絡(luò)管理軟件主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理、設(shè)備的入網(wǎng)認(rèn)證和網(wǎng)絡(luò)安全管理，除了負(fù)責(zé)組網(wǎng)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之外，WIA網(wǎng)絡(luò)管理軟件的上位機(jī)部分還具有人機(jī)交互功能，使網(wǎng)絡(luò)用戶可以隨時了解網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)并調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的工作參數(shù)。WIA網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)具有下列功能：

    顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟晥D；

    顯示網(wǎng)絡(luò)所有設(shè)備基本信息；

    設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的工作參數(shù)；

    查詢網(wǎng)絡(luò)設(shè)備歷史數(shù)據(jù)信息；

    查詢網(wǎng)絡(luò)設(shè)備路由信息。

    3.3.2 后臺用戶支撐軟件

    后臺用戶支撐軟件的主體是一個油井?dāng)?shù)據(jù)采集、工況分析與優(yōu)化控制專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有油井自動監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集、油井液量計量、油井工況診斷、系統(tǒng)效率優(yōu)化設(shè)計等功能。具體包括如下功能：

    （1）油井工況檢測功能

    采集并顯示電壓、電流、功率、載荷、沖次、沖程、井口壓力、油溫、動液面、含水率、轉(zhuǎn)速、扭矩、變頻器相關(guān)數(shù)據(jù)等生產(chǎn)參數(shù)。

    （2）故障報警功能

    停電、停機(jī)、回壓異常、缺相及電流異常、抽油機(jī)抽空、防盜紅外監(jiān)控，曲柄銷松動脫落等；預(yù)測故障位置和故障原因并進(jìn)行相應(yīng)提示。

    （3）控制保護(hù)功能

    對油井間抽控制；變頻器遠(yuǎn)程控制；缺相、三相電流不平衡、曲柄銷脫落自動停機(jī)；油井動液面實(shí)時監(jiān)測；實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)液量的自動計量。

    （4）數(shù)據(jù)管理功能

    圖形方式實(shí)時顯示壓力、溫度、載荷、扭矩、電流、電壓、功率等各種生產(chǎn)參數(shù)及泵、機(jī)等生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

    （5）生產(chǎn)管理及遙控指揮

    自動記錄巡井時間；與油田局域網(wǎng)數(shù)據(jù)共享；可以通過現(xiàn)有局域網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)上遠(yuǎn)端監(jiān)控油井生產(chǎn)現(xiàn)場并進(jìn)行指揮。

    （6）油井生產(chǎn)系統(tǒng)分析與優(yōu)化決策功能

    根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，進(jìn)行生產(chǎn)井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、在線診斷、油井系統(tǒng)效率分析等。

    （7）網(wǎng)絡(luò)查詢功能

    通過IE瀏覽器和專用的視頻播放軟件，在油田信息網(wǎng)上可隨時瀏覽各井的監(jiān)控畫面、實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)等，查詢有關(guān)生產(chǎn)報表及分析結(jié)果。

    4 結(jié)論

    基于WIA技術(shù)的油井遠(yuǎn)程計量與優(yōu)化控制系統(tǒng)可以較低的成本提高油田生產(chǎn)的自動化程度，減少抽油機(jī)能耗。通過系統(tǒng)得到的大量數(shù)據(jù)，可完成精細(xì)化的油藏管理系統(tǒng)，以此為起點(diǎn)，通過精細(xì)化的采油工藝配合，可以達(dá)到提高采收率的目的。此外，通過部署遠(yuǎn)程在線計量與優(yōu)化控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)“單管集油”、“撤銷計量站”等目標(biāo)，從而大大減少地面管線投資和維護(hù)成本。

    參考文獻(xiàn)：

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    [4] www.industrialwireless.cn.

    [5] www.ieee802.org/15/pub/TG4.html.

    [6]馬成才等. YD-2油井遠(yuǎn)程產(chǎn)量計量及分析優(yōu)化系統(tǒng)在馬廠油田的應(yīng)用[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2008（9）.

    [7]李小兵等. 油井功圖法自動計量與監(jiān)測技術(shù)研究[J]. 石油化工自動化，2008（02）.

     摘自《自動化博覽》2010年第二期