油井多参量远程监测系统设计

(兰州工业学院电子信息工程系,甘肃 兰州 730050)

0 引言

随着石油工业的发展，智能仪器仪表在油气开发中得到越来越广泛的应用与发展，而油井多参量监测技术已成为智能油田生产过程中的一个热点问题。但是采油厂一般地处偏远、环境相对恶劣地区，因此对测量系统本身提出了较高要求。另外，来自各类传感器的数据量庞大，加之油层地质结构和地层压力、温度等诸多因素影响，给数据处理和解释[1]带来了巨大挑战。因此，有必要引进新的方法加以优化。而嵌入式技术可把软件固化、集成到硬件系统中，将硬件系统与软件系统一体化，构成嵌入式系统。若嵌入式系统能够连接到Internet，则可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。

基于此，本文提出一种以嵌入式技术搭建油井多参量远程监测系统的设计方法。在此系统中，油井开采现场传感器把采集的各类油井参量信息交给嵌入式操作系统VxWorks[2]进行处理，以满足油井多参量采集模块的实时多任务要求；而控制中心可通过嵌入式Web服务器GoAhead[3-4]访问PC104，实现原油组分信息可视化和相关油井、仪表参数设置的任务。

1 系统构成

监测系统主要由现场仪表和系统控制单元组成。现场仪表包括温度传感器、压力传感器、流量测量传感器、含水率监测传感器、含气率监测传感器、含沙量监测传感器；系统控制单元包括现场仪表信号的采集和计算处理。系统功能框图如图1所示。

图1 系统功能框图

在该系统中，现场仪表部分为石油工业常用的标准仪表，系统将根据仪表使用说明进行应用；数据采集和控制单元为系统的核心部分。各模块功能说明如下。

① 数据采集处理模块采集现场仪表的监测信号，将采集到的仪表信号根据仪表参数进行数据转换。

② 参数配置模块包括仪表参数配置和油井参数配置。仪表参数配置模块将根据系统所使用的仪表，对其进行配置，便于计算处理。其中，油井参数可用于配置油井的介质参数如油密度、水密度、气密度等，此模块功能主要通过Web服务器以远程方式完成。

③ 压力体积温度(pressure-volume-temperature,PVT)转换模块将根据现场仪表数据将监测到的原油流量进行组分分析、计算，并将工况条件下的油井参数转换为标况条件下对应的油井参数，方便分析油井的生产状况。

④ 数据存储模块主要保存监测所得的油井数据，方便历史数据的查询和数据分析。

⑤ 远程传输控制模块主要实现监测数据的远程传输等功能。

2 系统硬件

系统采用瑞士数字逻辑公司生产的MSM586SL PC104主板。PC104是Intel x86系列处理器，具有丰富的系统应用外设和标准接口，有较宽的工作温度和较好的工业参数，广泛应用于工业控制领域，适用于现场条件恶劣的油田开采环境。PC104微处理器通过工业标准结构(industrial standard architecture,ISA)总线与网卡和A/D转换板[5]连接，建立了油井监测点与工业网络的互联通道。网卡接口对外通过RJ45网口与上位机通信。此外，PC104自带RAM、ROM和Flash存储器、串口等资源，方便应用。系统硬件框图如图2所示。

图2 系统硬件框图

3 系统软件

建立硬件平台后，需要实现监测系统的软件系统。首先需要完成VxWorks操作系统在PC104上的移植[6]，然后还需实现GoAhead在VxWorks上的移植。系统软件部分由引导系统、操作系统、板卡驱动和应用软件组成。系统上电后，先启动DOS引导程序，调用VxLoad文件，VxLoad文件一旦启动即调用BootRom引导文件；然后BootRom启动VxWorks操作系统，操作系统初始化硬件系统接口，并调用应用软件，使其进入工作状态。系统软件框图如图3所示。图中的GoAhead服务器负责接收、处理和应答主控中心远程用户的请求。

图3 系统软件框图

4 A/D驱动设计

在该系统中，油田开采现场仪表信号为4～20 mA的电流信号，信号经A/D转换电路转换为数字信号。数据采集单元负责A/D转换电路的控制和仪表信号的转换计算，将采集到的数字信号根据仪表配置参数转换为监测值。如温度传感器，其根据油井温度，输出4～20 mA的电流信号。其中，4 mA代表温度传感器的量程下限，20 mA代表温度传感器的上限。数据采集单元将根据采集到的温度传感器电流和设置的量程上下限计算出油井的实际温度。

油井多参量采集模块主要具有A/D转换以及I/O接口功能，驱动的开发主要由驱动函数与ioDrv()完成。按照A/D驱动的基本流程，系统首先启动代码调用驱动程序安装函数adDrv()，然后调用设备创建函数，创建设备adDevCreate()，最后用户可以调用VxWorks的标准I/O接口函数对设备进行操作。完成以上各项内容后，就基本完成了石油多参量采集模块的驱动。在WindShell中可以调用I/O控制函数adIoctl()检查设备是否正确识别。

5 基于GoAhead的远程传输控制模块

基于GoAhead的远程传输控制模块，使远程用户在浏览器地址栏输入监测系统网址即可登录系统、查看油井实时参量、设置仪表参数和油井参数等。如用户可以在系统界面设置油井编号选择不同的油井，通过点选开始测量按钮，系统控制软件根据所配置的油

井参数和采集到的现场仪表信号进行计算处理，将油井参量的计算结果输出到当前监测界面。

6 结束语

本监测系统以PC104处理器为硬件平台，利用VxWorks操作系统来处理复杂多变的油井参量信息，采用GoAhead实现网络化的监控功能，远程管理中心借助普通浏览器就可登录PC104，实现对油井参数的实时访问和设置。该系统所做的工作最终可为油田开采部门提供原油的油、水、气等组分信息。同时，油田管理部门能及时了解油井生产状况[7]、产能配置等情况，从而为其进行科学决策、优化生产管理提供技术保障。

[1] 周彬.基于VxWorks的原油产量动态监测系统设计[J].自动化与仪器仪表,2013(3):22-24.

[2] 蒋爽,袁成奎.基于VxWorks的复杂道口监控系统软件研究[J].铁道通信信号,2011,47(1):8-9,10.

[3] 安佰秀.基于嵌入式Web服务器的监测系统设计[D].青岛：山东科技大学，2011.

[4] 周彬,秦玉娟,刘馨.基于GoAhead的油井多参量远程监测系统的设计[J].低压电器,2013(11):23-26.

[5] 徐惠民.基于VxWorks的嵌入式系统及试验[M].北京:北京邮电大学出版社,2006.

[6] 李方敏.VxWorks高级程序设计[M].北京:清华大学出版社,2004.

[7] Yin Bangtang,Li Xiangfang,Meng Yuexin,et al.Measurement techniques for multiphase flow in productivity evaluation in petroleum industry[C]∥Mechanic Automation and Control Engineering(MACE),2011 Second International Conference on，2011:4132-4135.