2022年物联网技术在数字化井场建设中的应用 .pdf

2010 年 11 月第 15卷 第 6 期西安邮电学院学报JOURNAL OF XIAN UNI VERSIT Y OF POSTS AN D TEL ECOMMU NICA TIONSN ov.2010Vol 15 No 6收稿日期:2010 10 12作者简介:梁宝娟(1975),女,河南许昌人,长安大学数字油田研究所讲师,在职博士;高志亮(1956),男,陕西吴起人,长安大学数字油田研究所研究员。物联网技术在数字化井场建设中的应用梁宝娟1,2,高志亮1(1.长安大学 数字油田研究所,陕西 西安710054;2.长安大学 电子与控制工程学院,陕西 西安710064)摘要:对数字井场的物联网技术进行研究,提出一种应用无线传感器网 络和太阳 能供电 的先进 RTU 技术,实现 对抽油机远程控制的方法。实验表明,该方法能够满足工作需要,使油田生产过程更加简单化。关键词:物联网;数字化井场;无线传感器网络;RTU(远程终端控制系统);数字油田中图分类号:T P399文献标识码:A文章编号:1007 3264(2010)06 0088 040引言每一个油田企业,都拥有众多的油气井,并且分布在油田范围的山川旷野里,对其管理的方式多为由人工每日值守,定时检查设备运行情况,记录相关数据。这种方式增加了用工人数,加大了护井工劳动强度,最重要的是影响对设备的监控。当抽油机、电泵出现微小故障时,往往很难被人工及时发现的,从而也得不到有效地防护与控制 1。油井抽油机看起来是一种提升油气的生产设备,实际上这些设备的工作状态可以反映油井状态,甚至地层、油藏状态。油气井每天都有产量,看起来是一些数据,实际上这些数据又反映的是抽油机的工作状况,同时也反映油井、地层和油藏的动态,所以,抽油机的工况和油气井的产量,对油田企 业来说,十分重要。为了能有效地发现油井、地层、油藏的变化,可利用 油井远程测控系统!2,3,通过在抽油机上安装位移传感器和载荷传感器,检测抽油机的工况,实时在线监测抽油机工作参数,如电流、电压、载荷、位移等,从而对抽油机的各种故障包括电流、电 压越限,压力过高过低,光杆卡死时过载、停机、缺相、欠载等进行实时诊断,及 时发现故障并报警,及 时维护。目前有多种实现此功能的有线传感器网络方案,本文提出一种应用无线传感器网络和太阳能供电的先 进 RTU技术,实 现对 抽 油机 远程 控 制的方法。1数字化井场物联网流程数字化井场物联网建设,主要体现在传感器对井场抽油机工况的检测和诊断,其整个工作过程可形成一个闭环的流程如图1。图 1数字化井场物联网建设模型图 1 模型反映了从井场传感器到通讯传输与功图分析应用的一个完整过程。红色小图片是井场抽油机,这是一个丛式井,即在一个井台子上拥有多口油井。其下方是在抽油机上要安装的5 个传感器和RTU(Remote T erminalU nit远 程 终 端 控 制 系统)4 5,RTU 接收传感器发来的检测抽油机的数据名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 4 页 -后,将 信 号 通 过 上 方 的 通 信 塔,即 CDM A 或 者GPRS 传至控制中心机房,即服务器。在图1 的左上方为数据分析与应用平台,即采油厂客户端,实现功图管理和数据分析 与辅 助决 策,还 可以 在基 于skyline 技术的三维GIS 可视化系统中展示油井的具体方位。这是油田数字化井场物联网数据从采集到应用的完整过程,构成了一个回路。2物联网技术与数字化井场2.1数据采集技术传感器测量抽油机光杆往复运动中的加速度信号,然后把加速度信号进行二次积分运算得到抽油机的实际运行位移值,加速度传感器和载荷传感器一起安装在悬绳器上,故称为载荷位移一体化功图传感器,通过 2.4GH z 频段无线通信传输到后端接收平台,后端 接收平 台把 接收 到的功 图信 号通 过RS232/RS485 通信接口提供给用户。其设备测量精度高,安装极其简便,不存在任何安装安全隐患。2.2无线网络技术传统的井场物联网传感器需要用很多的线互联,造成井场到处都是电线和数据线,对井场油气生产和作业带来了困难,而且对抽油机监测系统的维护也带来了很大的工作量,同时耗电和环保压力都很大。根据近距离、低复杂度、低功耗、低速率和低成本的双向无线通信技术,且适合于承载数据流量较小业务 6,7的特点,基于在现场自动建立网络路由、自组织,即在某些节点失去功能后网络能自动恢复节点联网,一个节点可以给另一个节点做中继,适合于野外环境下长时间无人值守观测网络、自动化执行网络及高度智能化应用。井场无线传感器自组织网络 8系统如图 2 所示。图 2井场无线传感器自组织网络通过引入无线传感器网络技术,可以实现在井场范围内传感器相互发现机制,即传感器安装好后直接寻网,寻到网后就自动发送数据,构成抽油机无线传感器组网技术。这一网络,节点都和中心进行通信,网络中节点支持中继方式传递别的节点信息,节点之间的通信需要通过中心节点转发。这类网络具有网络结构灵活,使用方便等优点,能广泛适应各种数据采集场合。这一网络的自组织性大大地提高了数据的传输能力。井场 RT U 通过 数据预 处理后,再 通过光 纤、CDM A 或 者 GPRS、3G 等传输方式将数据传输至中控室,供软件平台综合数据管理和应用。2.3井场抽油机监测系统数字化井场基本要求,是要能对井场中工作的多个抽油机系统工况参数进行数字化采集和实时测控,掌握抽油机工作状态。其中抽油机示功图是重要的测量指标之一,通过在抽油机井口的光杆上加装载荷和加速度传感器(二次积分得到位移),可以构成示功图监测系统。系统通过测量光杆每个冲程位移和时间变化规律、载荷随时间的变化规律两条曲线,即悬点示功图曲线,H 以此为边界条件,通过描述抽油杆柱的纵向振动波动方程计算出井下抽油杆泵的动态力学参数,即地下泵功图。利用悬点示功图推算得到地下泵功图的过程叫做有杆抽油泵的诊断技术。抽油杆柱振动的三维Gibbs 波动方程数学模型如下:2u(s,t)t2=v22u(s,t)s2-cu(s,t)t-(s)Q(s)+T(s)u(s,t)s+g(s),其中 u(s,t)是位移 s和时间 t 的函数,v代表声波在抽油杆中的传播速度,c 代表粘滞阻尼系数,(s)代表沿抽油杆方向摩擦系数函数,Q(s)和 T(s)分别代表轴向载荷和井斜,g(s)代表抽油杆的重力。通过对示功图的分析可以对抽油机工况做出判断,进一步可以推算单井产量。目前,对垂直井功图计量技术的研究已经基本成熟,但是定向井的功图计量技术还有待进一步完善。主要技术点:(1)太阳能供电在传统的井场抽油机检测系统中,必须连接供电系统。在井场中需要很多的布线,既不安全又不美观,而且由于电压不稳经常烧坏设备,通过改造后利用太阳能供电,使得抽油机和整个井场都很清爽,在无线传感器处安装太阳能板解决供电,也实现了节能降耗和绿色井场。图 3 是新型 RTU 产品,在 RTU 中安装超级电?89?第 6 期梁宝娟,等:物联网技术在数字化井场建设中的应用名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 4 页 -容电池,接受太阳能板供电,超 级电容电池存储电能,供 RTU 用电,可长期工作。太阳能和RTU在一个井场可以和视频监控设备共用一个电杆,安装也省去了很多麻烦。图 3设备安装和太阳能供电(2)自动报警和远程自动控制由于在抽油机上安装了电流传感器等设备,当发现抽油机工作不正常、油井井筒需要作业、发生停电等情况,可实施远程自动报警,通过功图信息,识别油井故障情况,短信通知技术人员,还可以在控制中心对抽油机实施远程关停和启动。(3)数据管理和应用无线传感器所采集的各种数据,通过无线传输到控制中心后,在后台 进行分类入库管理,组 合使用,可自动生成数据报表及相应的油藏等动态信息。3无线物联网数据与控制中心油田井场物联网建成后,要产生大量的数据,这些数据对油田企业生产管理十分重要,人们可以在采油大队或者采油厂控制中心工作,利用物联网数据进行有效分析,实现对全油田所有油气井的监管。3.1数据与控制中心系统物联网数据中心主要有数据采集服务器、数据存储服务器、数据处理服务器以及Web 数据服 务器,它们将在配套软件的操作下,完成数据从井场到数据中心的采集、存储、分析,并通过采油厂局域网,直接发布相关数据及结果,使工程技术人员在采油厂局域网内的任何一台终端上,通过 Web 方式随时随处查看各油井抽油机功况。控制中心系统将采用面向服务架构技术(Service OrientedArchitecture,SOA),用户可以通过智能移动设备、客户端程序、浏览器等多种方式访问。提供丰富的Web 服务使应用功能通过标准化接口(WSDL)提 供,并可基 于标准 化传输 方式(H TT P和 JMS)、采用标准化协议(SOAP)进行调用。第三方软件开发人员可以通过标准化接口方便地访问系统提供的各种功能。图4 是物联网中心系统架构。图 4物联网中心系统架构客户端程序(胖客户端)主要实现大批量数据的录入,复杂数据的查询、分析和挖掘功能。浏览器程序(瘦客户端)主要实现简单数据录入和丰富数据查询和简单分析功能。智能移动客户端主要实现简单数据录入和简单数据查询功能。3.2物联网数据分析和决策系统平台物联网的网络化数据分析和决 策系统平台 iOPADs(Internet Oilfield Production Analysis andDecision System)是一套方便扩展、可二次开发的柔性软件平台,是由长安大学数字油田研究所根据油田企业物联网特点研发的新一代软件框架系统,该系统打破了传统软件 B/S和 C/S 划分模式。可以任意切换运行方式。平台应用先进的信息流程管理技术,拥有全新的 3S(GIS、GPS、RS)管理能力,使得数据、图形、图像得到统一管理,力图从信息流、服务流等角度,以最短时间高效、灵活地开发和维护平台业务模块,平台的应用为业务模块提供一个载体,为业务模块的扩展提供安全、广阔的空间。图5 是系统分层结构图。图 5系统分层结构图?90?西安邮电学院学报2010 年 11 月名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 4 页 -i OPADs 2010 是全新的设计架构,并重新规划了功能模块划分。利用这一架构可以很好地实现功图管 理和 辅 助 决 策。功图 管 理 系 统 界 面 如 图 6所示。图 6物 联网油井监测功图管理界面4结论与建议数字油田建设中的数字化管理是数字油田的一个重要组成部分,油井抽油机监测、监控系统过程突出了物联网技术在油田中的应用 9 10。(1)利用传感器技术安装在油井抽油机相应的位置,监测抽油机的工作状况,利用相应的通讯技术将数据传输到控制中心,实现对抽油机的远程在线测控。(2)通过在成熟的传感器技术中研发出无线传感器,利用自组织原理实现在井场无线自组织寻址和数据传输,做到最优化和低碳、环保,是油井监测技术的一次革命。(3)在数字化井场建设中引入物联网技术,可以简单、方便地实现井场实时数据采集,无线数据传输,数据处理应用和辅助决策,并利用这些有效数据指导油田油气生产,提高产量,其构成一个物联网回路,改变了油田生产方式。总之,基于物联网络技术,在数字化井场建设的中,因生产方式的改变和生产效率的提高,降低了生产成本和管理成本,从而使数字化井场建设的效果更好。参考文献1王权.油田信息化的新阶段#数字油 田时代 J.数 字化工,2004(9):4 6.2李清辉.数字 新疆油 田的 建设与 实践 J.数字 化工,2004(9):35 39.3王 辉.数字 油 田 建 设与 实 践 J.数 字 石油 和 化 工,2006(12):10 14.4乐秀.基于 ZigBee Pro 技术 的 SCADA 系统 研究 J.电力系统通信,2010(4):40 44.5曾为民,李志康,李宏利,等.基于 ARM 与Clinux 的RTU 设计 J.电 子技术应用,2005(8):13 15.6王 殊,阎 毓杰,胡富 平,等.无 线传感 器网络 的理论 及应用 M.北 京:北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社,2007:32 35.7王雪.无线传感网络测量系统 M.北京:机械工业 出版社,2007.8孙利民,李 建中,陈 渝,等.无线 传感 器网 络 M.北京:清华大学出版社,2005:67 70.9Conner Margery.Sensors empower theInternet ofThings!M.Englewood,Colo.:Rogers Pub.Co.,2010:60 63.10 姜奇 平.两化 融 合开 启 现代 化新 局 面 J.数 码世 界,2008,7(6):10 11.Applicationof Internet of Things in digital oil well siteLIANGBao juan1,2,GAO Zhi liang1(1.Digital oilfield institute,Chang an U niv.,Xi an 710054,China;2.Dept.Of Electronic and Contr ol Eng.,Chang anUniv.,Xi an710064,China)Abstract:An application of Inter net of T hings in digital oil well site is studied.An advanced method,RTU(remote terminalunit)technolog y,is proposed to monitorand contro l the pumping unitremotely withwireless sensor netw ork which is solar powered.Experimentalresults show that the system can meet thework requirementswell and make the production of oil fields more simply.Key words:Inter net of Thing s;digitaloil well site;wireless sensor netw ork;RT U(Remote T erminal Unit);digital oilfield?91?第 6 期梁宝娟,等:物联网技术在数字化井场建设中的应用名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 4 页 -