油田遠程監(jiān)控服務系統(tǒng)優(yōu)化設計探討

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摘要：為提高油田數(shù)字化信息采集及處理進程，基于C/S模式在原有SCADA系統(tǒng)上進行完善和優(yōu)化，設計了以現(xiàn)場RTU設備、數(shù)據(jù)處理中心和中央服務器三個層面的軟件系統(tǒng)架構(gòu)，介紹各功能模型，并分析通過數(shù)據(jù)監(jiān)測得到的3種常見油井故障異常示功圖特征，通過整體軟件通訊協(xié)議的完善及現(xiàn)場實踐，為數(shù)字化油田建設提供借鑒。

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

引言

目前國內(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)運行維護過程耗費大量時間，采用定點巡井、人工巡井等方式，已經(jīng)不能滿足于目前油田生產(chǎn)需要。油田自動化、信息化、數(shù)字化是近年來熱門話題，采用多種自動化方法監(jiān)控油田油井、管道，控制油井閥門組件、管道集輸系統(tǒng)、管匯閥門、計量系統(tǒng)等，從而實現(xiàn)數(shù)字化油田管理。遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控提高了油田自動化管理水平，能實時測量、采集、分析、處理現(xiàn)場取得的數(shù)據(jù)，協(xié)助生產(chǎn)運行工作人員對油田進行科學和高效的管理。在工業(yè)控制領(lǐng)域中，SCADA系統(tǒng)已被廣泛應用，但其在開放性方面還有一定的局限性，系統(tǒng)的開發(fā)和維護工作量較大，功能擴展能力較差。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，SCADA系統(tǒng)已經(jīng)可以實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)、多媒體、短信業(yè)務、無線傳輸進行融合，支持了SCADA系統(tǒng)在更多領(lǐng)域上的發(fā)展，并實現(xiàn)與WebServices等網(wǎng)絡對接。本文基于油田數(shù)據(jù)采集特點，對現(xiàn)有系統(tǒng)開展相關(guān)分析，提出合理的系統(tǒng)擴展方案，結(jié)合油田生產(chǎn)實際需求，提出需要完善的功能和系統(tǒng)框架。

1系統(tǒng)總體設計

（1）系統(tǒng)分析。從油田現(xiàn)場管理來看，需要實時監(jiān)測分析各采油區(qū)內(nèi)各井生產(chǎn)情況，也就是各單井的運行參數(shù)，這些參數(shù)通過屏幕顯示出來，可以進行便捷分析和關(guān)系。針對采油井所有需要收集的數(shù)據(jù)參數(shù)種，抽油機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)，當一些參數(shù)出現(xiàn)異常時，需要采油技術(shù)人員進行現(xiàn)場處理。在進行系統(tǒng)設計過程，目前已有油井服務系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集和中央服務器兩部分組成，服務器能連接web，可以正常進行數(shù)據(jù)瀏覽，新并入中心服務器能給用戶提供C/S模式管理。設計過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性，能夠在現(xiàn)場維持較長時間的平穩(wěn)運行；軟件架構(gòu)具有良好的可拓展性，便于后期針對系統(tǒng)開展新功能的設計完善，提高軟件應用的靈活性；軟件界面及功能清晰，能夠根據(jù)用戶需求選擇不同的功能；界面友好、能進行多方位展示，人機交互功能簡單易行，普通人員通過系統(tǒng)說明書也能良好的進行操作；具有良好的維護性、穩(wěn)定性，軟件架構(gòu)和代碼都符合通常標準，采用模塊化設計。（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，從整體結(jié)構(gòu)出發(fā)設計系統(tǒng)為三個層次：現(xiàn)場RTU設備層，包括RTU模塊、傳感器等；數(shù)據(jù)處理中心，負責接收底層傳上來的RTU數(shù)據(jù)，并存儲到相應數(shù)據(jù)庫中，如何重新上傳到中央服務器；中央服務器，由第三方軟件公司開發(fā)，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控、瀏覽和控制功能。系統(tǒng)軟件能直接反應出客戶對目標管理的需求，根據(jù)圖例列出建立客戶需求的模塊，并分析系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性、可靠性、實時性，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、故障診斷等。

2數(shù)據(jù)通信模塊實現(xiàn)

（1）數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)監(jiān)測過程將RTU安裝于抽油機設備系統(tǒng)內(nèi)，收集傳感器電信號值，經(jīng)過分析計算得到工作量值，按照GPRSModem將數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)中心服務器。無線連接方式為GPRS移動通信模式，目前而言網(wǎng)絡覆蓋面較廣，雖然油田野外區(qū)域較廣，但通過部分基站的建設，為本系統(tǒng)的應用提供了條件。且GPRS網(wǎng)絡整體上而言較為便宜，具有一定的經(jīng)濟性。（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)，一是實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)，另一個是抽油機示功圖數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式設定為可自定義，由底層每隔一段時間上傳，兩種數(shù)據(jù)包用功能碼來實現(xiàn)消息的區(qū)分和表達，中心服務器接收到數(shù)據(jù)包后，需要完成一個返回包的發(fā)送，才能實現(xiàn)一個數(shù)據(jù)采集過程，數(shù)據(jù)頭格式見表1。數(shù)據(jù)采集服務器程序建立在TCP/IP層基礎上，即在應用層，從上到下分別為：應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層，目前TCP/IP已實現(xiàn)工業(yè)化標準。在處理數(shù)據(jù)過程，采用多線路技術(shù)，每一個線程可以通過Socket接收到數(shù)據(jù)包，達到高效處理數(shù)據(jù)的目的。多線程指令由CPU發(fā)出，每一個指令彼此之間具有一定的獨立性，且數(shù)據(jù)同時發(fā)出。（3）與中央服務器通信。接收到監(jiān)測數(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掌?，服務器采用的通信協(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)送給中央服務器，該協(xié)議為WIDG協(xié)議，是一種非標準協(xié)議。檢測模塊與中央服務器相互連接時采用長連接信息交互方式，當信道上沒有數(shù)據(jù)傳輸時，每個一定的時間雙方會發(fā)送跳包維持信號的連接，當連續(xù)兩次發(fā)送跳包對方未收到時，則說明鏈路出現(xiàn)了異常。接受和查詢應答時，在數(shù)據(jù)等待應答過程設定一個讀超時間，超時時間需要根據(jù)主站處理器詢問來設置，以免造成故障時間發(fā)送時間較長，甚至產(chǎn)生長時間不發(fā)送命令的資源浪費。在應答消息過程，需要保持事務處理和標簽協(xié)議的一致性，應答消息的前4個字節(jié)僅需要與所準備查詢數(shù)據(jù)的前4個字節(jié)即可。

3示功圖測量及故障診斷

（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，造成沉沒度逐漸變小，示功圖特征見圖1所示。（2）油井出砂故障，當?shù)貙映錾昂?，井筒?nèi)液體也會混著出砂進入泵筒中，使得活塞在運動過程產(chǎn)生阻力，當油井出砂輕微時，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?shù)貙赢a(chǎn)出流體內(nèi)氣體含量增加時，會給泵筒造成氣鎖情況，在上沖程過程無法打開凡爾閥，下沖程過程游動凡爾閥也無法正常打開，造成泵抽過程產(chǎn)液量變低甚至不產(chǎn)液（圖3）。

4結(jié)語

設計軟件經(jīng)過大量的現(xiàn)場測試證明了利用GPRS移動傳輸系統(tǒng)能有效的實時傳輸數(shù)據(jù)，丟包率較低，能夠滿足數(shù)據(jù)分析需要。示功圖分析測試準確度較高，基本上完成了油田數(shù)字化服務的初步應用效果。

參考文獻：

[1]何鵬舉，曹允耀，吳來斌.基于嵌入式云技術(shù)的油井液位遠程測試系統(tǒng)[J].電子設計工程，2014,22(16):187-190.

作者：張家田 馬權(quán) 單位：西安石油大學