热采井多点温压远程监测系统研究与应用

余训兵*

（中国石油天然气股份有限公司辽河油田分公司钻采工艺研究院）

油田开发进入中后期，稠油区块的开发会越来越多，稠油开发一般采用蒸汽驱、SAGD（蒸汽辅助重力泄油技术）和火驱等方式。准确掌握热采井井下温度、压力的变化，对稠油区块的科学开发十分重要。

由于热采井井下温度较高，电子仪器无法实现井下温度、压力的长期监测，因此，采用毛细管测压及热电偶测温的工艺，将井底的温度、压力信号转移至地面，通过热采井多点温压远程监测系统进行温度、压力采集，并进行远程数据传输、发布和存储，最终实现远程监测［1-3］，如图1所示。

图1 热采井多点温压远程监测实现工艺示意

热采井多点温压远程监测系统是实现井下温度、压力远程监测的重要组成部分，也是实现多口热采井数字化管理的核心。

1 整体设计

热采井多点温压远程监测系统（见图2）包括热采井多点温压采集装置及远程监测单元。

热采井多点温压采集装置包括：电源模块、显示与设置单元、多点温压采集单元和无线通信单元。电源模块外接井场电源后，进行电压转化，从而为装置提供电源；显示与设置单元用于设置系统采集温度、压力的点数（温度可实现6个点的采集，压力最高可实现2个点的采集）；多点温压采集单元根据显示与设置单元设置的各项参数，进行温度、压力数据采集；无线通信单元（包括串口通信电路板和DTU）与远程监测单元进行无线通信。

远程监测单元是热采井多点温压远程监测系统的控制单元，包括数据库、SCADA（数据采集与监视控制）软件和DTU（数据传输单元）。远程监测单元采用TCP（传输控制协议）与热采井多点温压采集装置通信。SCADA软件发送特定的命令，通过DTU转换为无线信号，然后与多个热采井多点温压采集装置进行无线通信。被指定的热采井多点温压采集装置接收到命令后，返回信号与SCADA软件握手（非指定的装置不返回信号），根据SCADA软件的命令将数据发送至SCADA软件。SCADA软件将所接收到的数据存入数据库中，并显示在计算机上，同时进行网页数据的发布，实现了对热采井井下多点温度和压力的远程监测。

图2 热采井多点温压远程监测系统示意

2 电路设计

显示与设置单元是热采井多点温压采集装置的控制单元，包含微控制器（PIC16F877A）、液晶显示器、液晶画面调节、存储模块和按键部分等。该单元接收来自远程的命令，并对多点温压采集单元发送命令。其可以实现井下多点温度和压力数据的显示、各项测试参数的设置。

多点温压采集单元采用PIC16F876A作为系统的微控制器，该单片机有14.3 K的程序存储空间、368字节的数据存储空间、256字节的EEPROM空间，满足程序编写的要求。该单元采用两个芯片（AD7794）分别采集2点压力、6点温度（每个芯片采集1点压力、3点温度）。该芯片可以采用内部时钟或外部时钟工作，输出数据速率可以在4.17～470 Hz变化，可以用2.7～5.25 V电源供电，C级器件的额定温度在-40～125 ℃，可以采集6路信号。该单元电路结构如图3所示。

图3 多点温压采集单元电路结构示意

热采井多点温压远程监测系统的温度采集是0～700 ℃。温度采集采用芯片（AD7794）采集K型热电偶完成。热电偶是一种典型的自发电型传感器，工作时不需要外加电源。多点温压采集单元中有数字温度传感器（DS18B20）可以测试环境温度，作为K型热电偶的冷端温度补偿，连接在K型热电偶的地上引脚，两端温度不同会产生温差电动势。测试该电动势，即可得到两端温差。该温差与环境温度之和就是井下的温度。芯片对K型热电偶的采集采用偏置电压提升测试口的输入电压，放大倍数选择16倍，缓冲器自动使能。

压力采集采用芯片（AD7794）采集压力传感器。该压力传感器通过毛细管注氮气连接至热采井井底，其输出电流是4～20 mA，对应的压力为0～10 MPa。首先，压力采集电路采用高精密电阻50欧，将电流信号转换为电压信号，再由芯片进行采集，采用内部的1.17 V高精度参考电压进行测试，不进行信号放大。压力测试原理如图4所示。

图4 压力测试原理示意

3 多点温压采集单元程序设计

热采井多点温压采集单元实现井下温度、压力的采集。其程序设计采用C语言编写，程序模块包括温压采集模块、时钟模块、存储模块、串口通信模块、模拟串口通信模块、timer1模块、timer0模块、中断模块、数据采集模块和延时模块等。

该单元程序设计有三种工作模式：一是向显示及设置系统发送测试数据；二是与显示及设置系统双向通信；三是向显示及设置系统发送测试数据，并与服务器双向通信。其程序流程如图5所示。

图5 多点温压采集单元程序流程示意

4 远程监测单元设计

远程监测单元包括SCADA软件、数据库和DTU模块。

SCADA是一种组态软件，又称组态监控软件。SCADA与装置的通信协议使用Modbus协议。SCADA软件的命令以Modbus协议，通过DTU模块转换为无线信号，发送至热采井多点温压采集装置。远程监测单元与指定的装置“握手”后，实现命令与数据的传输，将井下温度、压力的数据显示在计算机和网络上，并存储在计算机数据库中，方便随时调用。

DTU模块产品采用工业级设计，满足苛刻的工业环境使用要求，产品工作温度达到-40～85 ℃，有良好的电磁兼容性和电磁抗干扰性。

Modbus协议简单，是工业标准协议。在使用组态软件进行软件开发时，Modbus协议是一个成熟的选型，不必开发数据的采集和翻译系统，节约开发时间。服务器采用两个命令与热采井多点温压装置进行通信，一个发送命令要求装置发送采样数据，另一个发送命令要求装置发送深度设置数据。

5 应用情况

热采井多点温压远程监测系统已经在辽河油田广泛应用，运行稳定，效果良好。如，位于辽河油田特油二区的某井，仪器在该井进行6点温度、2点压力的监测，性能稳定，测试结果准确，如图6所示，图中不同颜色的曲线代表不同的温度测试点。2017年1月11日，对该井注蒸汽，井底温度在1月12日上升至210 ℃以上，显示注蒸汽效果良好。

图6 热采井多点温压远程监测实例

6 结束语

热采井多点温压远程监测系统通过热采井多点温压采集装置进行测试，采用DTU进行远程数据传输，实现远程数据监测。该系统测试精度高、用户使用方便。该技术的应用为油田准确掌握稠油区块井下蒸汽运动方向和推进速度、调整注汽井网、分析水平井地层供液能力、合理制定生产制度等提供了有力的依据［4-6］。该技术的应用实现了热采井温压测试的数字化管理，提高了油田的运行效率。