摘  要： 提出了油氣井地面測試數(shù)據(jù)無線采集的研究路線,采用采集器與中間服務(wù)器相連,，采集傳感器的數(shù)據(jù)，通過無線射頻方式將數(shù)據(jù)傳送到中間服務(wù)器,中間服務(wù)器整合處理無線射頻信號,，并將處理后的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳送到工控機中進(jìn)行存儲,、顯示、處理等,。介紹了無線地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和軟件架構(gòu),、數(shù)據(jù)流程，詳細(xì)闡述了無線采集監(jiān)控裝置的終端硬件設(shè)計以及系統(tǒng)現(xiàn)場測試及應(yīng)用情況,。
關(guān)鍵詞： 油氣測試,；無線傳輸技術(shù)；數(shù)據(jù)采集,；采集監(jiān)控裝置

    隨著油氣勘探開發(fā)[1]的不斷深入,，對試油資料錄取質(zhì)量的要求越來越高。目前國內(nèi)外油氣井地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都采用有線傳輸方式,，而隨著油氣井測試的數(shù)字化,、自動化越來越強，測試采集參數(shù)越來越多，有線地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被無線地面測試數(shù)據(jù)采集所替代是必然的趨勢,。它也將成為油田進(jìn)行科學(xué)試油的發(fā)展方向,。
    有線地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于油氣井試油地面測試作業(yè)中，經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用,，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)存在以下不足：(1)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境惡劣,，布線困難，工作量大,；(2)地面溫度太低時,，易導(dǎo)致信號傳輸電纜破裂損壞,；(3)信號電纜維護(hù)成本較高,；(4)信號電纜現(xiàn)場出現(xiàn)故障時，檢修焊接不方便,；(5)現(xiàn)場布置的信號電纜經(jīng)常被割走等,。
    針對以上問題，提出了數(shù)字化,、無線化,、智能化的設(shè)計模式，研制開發(fā)了一套無線地面測試數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng),，實現(xiàn)了現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)實時采集并無線傳輸?shù)浆F(xiàn)場操作中心計算機進(jìn)行顯示,、存儲和處理等功能。
1 系統(tǒng)目標(biāo)
    本系統(tǒng)主要采用采集器與中間服務(wù)器相連,，采集器采集傳感器的數(shù)據(jù),，然后通過無線射頻方式將數(shù)據(jù)傳送到中間服務(wù)器。中間服務(wù)器將接收到的無線射頻信號進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合處理,，并將處理后的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳送到工控機中進(jìn)行存儲,、顯示、處理等,。該技術(shù)具有抗干擾能力強,、傳輸距離遠(yuǎn)、延時短,、成本低等優(yōu)點,。此外在該系統(tǒng)中，與傳感器配套的無線采集終端具有數(shù)據(jù)處理能力,，能夠根據(jù)用戶需求增加多種智能化的功能,，提供了更多、更有效的數(shù)據(jù)處理,、統(tǒng)計分析,、決策輔助等功能[2-4]。
2 試油地面測試數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)設(shè)計
2.1 無線采集監(jiān)控裝置的體系結(jié)構(gòu)
    根據(jù)多年現(xiàn)場測試經(jīng)驗和部分井的實際情況，試油地面測試數(shù)據(jù)測點距離現(xiàn)場控制中心直線距離約500 m,，井場內(nèi)常有壓裂車,、酸罐、泥漿池等大型遮擋物,。無線射頻方式傳輸距離與功率成正比,，功率越大則傳輸距離越遠(yuǎn)，電池的使用壽命越短,，成本越高,。為了降低直接成本，采集器必須設(shè)計為低功耗,，而低功耗采集器通過試驗,，在周圍無大型遮擋物的情況下，傳輸距離為500 m左右,，不能滿足現(xiàn)場測試需要,。為了很好地解決既節(jié)約用電又有較遠(yuǎn)的傳輸距離這個矛盾，該系統(tǒng)設(shè)計了中繼器,，將信號放大后再傳輸給接收器,。
    油氣井鉆采集測試現(xiàn)場每個節(jié)點都有固定的地址，數(shù)據(jù)的傳輸采用主從站方式,，節(jié)點數(shù)量不多,，而且都處于主站的無線通信范圍內(nèi)，由主站統(tǒng)一控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信時序,。根據(jù)這一特點,，無線采集監(jiān)控裝置設(shè)計為一個實用的集中式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示,。

    系統(tǒng)采用先進(jìn)的三層結(jié)構(gòu),，并采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計,，最底層數(shù)據(jù)服務(wù)層由SQL Server數(shù)據(jù)庫承擔(dān),，通過表、視圖,、存儲過程,、觸發(fā)器、規(guī)則和缺省值等工具進(jìn)行數(shù)據(jù)控制,，以事務(wù)方式保證數(shù)據(jù)完整性和一致性,。中間層為業(yè)務(wù)邏輯層，以DLL動態(tài)庫或后臺服務(wù)的方式,，完成數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)邏輯處理,。頂層位為表示層，以應(yīng)用程序或網(wǎng)頁的形式提供人機接口，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入輸出,。它通過業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)服務(wù)層打交道,，獲取或提交需要的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,。

2.2 數(shù)據(jù)流程
    首先由低功耗傳感器將模擬量傳給采集板,，采集板進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換生成數(shù)字信號，然后通過無線方式發(fā)給中繼器,，中繼器再以無線方式轉(zhuǎn)發(fā)給接收器,，接收器通過局域網(wǎng)絡(luò)，以TCP/IP方式發(fā)給控制中心,?？刂浦行耐ㄟ^一個上位機，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集,，并利用ADO技術(shù)將數(shù)據(jù)實時存儲到SQL Server數(shù)據(jù)庫中,；同時控制中心還通過一個下位機,，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理,，它與上位機共用同一個SQL Server數(shù)據(jù)庫，也利用ADO技術(shù)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫操作,，生成實時曲線及預(yù)警報警,，完成采集數(shù)據(jù)的歷史曲線回放、打印,、數(shù)據(jù)計算,、數(shù)據(jù)查詢、導(dǎo)出及基本信息維護(hù)等工作,。
3 無線采集監(jiān)控裝置的終端硬件設(shè)計
    地面測試數(shù)據(jù)自動采集及無線傳輸系統(tǒng)硬件包括四部分：第一部分為數(shù)據(jù)采集器,，負(fù)責(zé)采集傳感器的數(shù)據(jù)，然后通過無線射頻方式將數(shù)據(jù)傳送到中繼器,；采集器又分為壓力采集器,、溫度采集器、差壓采集器,、液體流量采集器和氣體流量采集器等,；第二部分為中繼器，它接收采集器發(fā)來的數(shù)據(jù)信號并無線轉(zhuǎn)發(fā)給接收器,；第三部分為接收器,，它在總控室內(nèi)通過無線接收中繼器發(fā)來的數(shù)據(jù)，并通過RJ45口或DB9接入局域網(wǎng),；第四部分為現(xiàn)場控制中心,，通過PC機對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析和處理[5]。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,。

3.1 采集器
    地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集壓力,、溫度、流量和差壓信號,。根據(jù)測試現(xiàn)場需要主要有壓力采集器,、溫度采集器、流量采集器等,。主要功能是采集測點數(shù)據(jù),，并通過無線射頻方式將采集到的信息無線發(fā)送到中繼器。
    數(shù)據(jù)采集器主要完成傳感器信號輸入,、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換（脈沖輸出型流量計無需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,，可以直接由MCU進(jìn)行檢測）、采集和記錄傳感相關(guān)數(shù)據(jù),，并通過無線射頻方式將采集到的信息無線發(fā)送到中繼器,。采集器由傳感器、單片機,、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,、無線射頻芯片和電池電源管理五個部分構(gòu)成。即傳感器采集測點數(shù)據(jù)通過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳輸給低功耗單片機（MCU）,，單片機經(jīng)過處理后通過射頻電路和天線發(fā)送給中繼器,。采集器和中繼器之間可以雙向通信，即采集器可以向中繼器發(fā)送數(shù)據(jù)信息,，同時也可以通過中繼器向采集器傳遞操作指令,。采用無線通信協(xié)議為分時協(xié)議，工作頻率為433 MHz,，通過檢測和現(xiàn)場試驗,，效果良好。采集器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示,。

3.2 接收器
    接收器主要功能是通過無線通道接收中繼器或采集器發(fā)出的數(shù)據(jù),，并將接收到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口經(jīng)局域網(wǎng)傳送到控制中心。與中心服務(wù)器連接中斷時,，暫存無線通道送來的數(shù)據(jù)到板載的Flash中,，待正常連接后，將Flash中的數(shù)據(jù)補發(fā)給中心服務(wù)器,。中繼器和接收器之間可以雙向通信,。接收器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    接收器工作時放置在現(xiàn)場控制中心,，采用外電源供電,。接收器的設(shè)計選用了高性能的嵌入式CPU和大功率收發(fā)模塊,，配置高增益的全向天線，保證實時接收采集器或中繼器傳來的數(shù)據(jù),。
4 試油地面測試數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)現(xiàn)場測試
    試油地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在富順1井開展了現(xiàn)場試驗,，測試層位為須二下段；地面測試設(shè)備為節(jié)流管匯,、轉(zhuǎn)向管匯,、熱交換器、分離器,、數(shù)據(jù)采集房等,；無線采集系統(tǒng)設(shè)備為0～70 MPa壓力采集器1只，0～16 MPa壓力采集器1只,，-50 ℃～150 ℃溫度采集器1只和液體流量采集器1只,，中繼器1只，接收器1只,，網(wǎng)絡(luò)集線器1只,，網(wǎng)線1根，接收機天線1根,，筆記本電腦1臺和無線數(shù)據(jù)采集軟件,。
    0～70 MPa壓力采集器安裝在套壓處，0～16 MPa壓力采集器安裝在流量計孔板上壓處,，-50 ℃～150 ℃溫度采集器安裝在熱交換器出口處,，流量采集器未安裝在設(shè)備上,，作為測量設(shè)備傳輸距離和抗干擾能力,。接收機天線安裝在數(shù)據(jù)采集房房頂上。接收機和網(wǎng)絡(luò)集線器放在數(shù)據(jù)采集房內(nèi),。測試具體情況如下：
    (1)未安裝中繼器時,，套壓和熱交換器處信號較好，井場內(nèi)效果均良好,；
    (2)中繼器放置在鉆臺司鉆房頂,，所有采集器通過中轉(zhuǎn)后發(fā)送給接收機，效果非常好,。將流量采集器放置在距采集房約800 m處,，傳輸信號良好，無數(shù)據(jù)丟失情況發(fā)生,；
    (3)酸化時兩臺壓裂車同時開泵工作,，整個工作期間無干擾信號產(chǎn)生，無線采集器工作穩(wěn)定,；
    (4)和有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比,，測試數(shù)據(jù)值一致,，精度相當(dāng)，無明顯延時滯后現(xiàn)象,。
    現(xiàn)場無線采集器布置圖及系統(tǒng)測試曲線圖如圖6,、圖7所示。

    本文中的地面測試數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng),，改變了原有線采集傳輸方式,，實現(xiàn)了地面測試數(shù)據(jù)采集無線傳輸功能，解決了試油測試現(xiàn)場布線困難等實際問題,。通過現(xiàn)場試驗,，研制開發(fā)的無線地面數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)運行可靠、性能穩(wěn)定,、安全性高,、自動化程度高、仿真效果直觀,、數(shù)據(jù)庫集中管理數(shù)據(jù),、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確可靠，充分滿足了油氣井試油信息的數(shù)據(jù)采集,、監(jiān)視控制和信息處理的需要,，實現(xiàn)了試油地面測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的升級。
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