基于NBIOT技术的油田采油监测系统设计

赵磊 王虎成 王蓬 王中磊 雒渊乾

[摘    要]文章设计了基于NBIOT技术的油田采油监测系统，可以在低功耗电池供电条件下将温度、压力、流量等重要数据传到油田生产指挥中心，具有功耗低、覆盖广、低成本、高容量、高安全、架构优等特点，降低了工程建设成本和施工周期，确保了信息安全，增加了设备接入量，为油田在偏远地带、无市电供电等艰苦条件下的生产监测工作提供了一种新途径。其具有很好的推广前景和应用价值。

[关键词]NBIOT技术;油田;采油;监测系统

[中图分类号]TE938.2 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）11–00–02

Design of Oilfield Production Monitoring System Based on NBIOT Technology

Zhao Lei， Wang Hu-cheng， Wang Peng， Wang Zhong-lei， Luo Yuan-qian

[Abstract]The article designs an oilfield oil production monitoring system based on NBIOT technology， which realizes the remote transmission of important data such as temperature， pressure， and flow to the oilfield production command center under the condition of low-power battery power supply. It has low power consumption， wide coverage， and low power consumption. The characteristics of cost， high capacity， high security， and excellent architecture reduce the construction cost and construction period， ensure information security， increase the amount of equipment access， and monitor the production of oilfields under difficult conditions such as remote areas and no electricity supply. The work provides a new way with good promotion prospects and application value.

[Keywords]NBIOT technology; oil field; oil production; monitoring system

目前大多数现有的油田采油监测系统是通过铺设有线电缆的方式将数据上传到数据中心的，其工程成本高、施工周期长且地域覆盖范围有限。同时，也有一些采用无线通信的，如4G等方式。此方式也需要市电供电，不仅无法实现长时间电池供电将数据远传，而且通信时系统的安全性也无法保证。

NBIOT技术是一种基于蜂窝通信演进的物联网通信技术，是物联网领域一个新兴的技术。其具有覆盖广、功耗低、容量大、成本低、高安全的技术特性，符合当前物联网通信的发展需求。NBIOT可以使用较窄的频段实现广覆盖，大连接，与传统的 LTE 网络相比，成本会大大降低。与其他的LPWAN技术相比，NBIOT网络基于授权频谱组建网络，其抗干扰能力、数据安全性、技术服务等方面均有高安全性保障。

文章設计了基于NBIOT技术的油田采油监测系统，利用NBIOT的技术特性，解决了上述所提到的油田生产监测的实际问题，具有很好的推广前景和应用价值。

1 系统的架构设计

基于NBIOT技术的油田采油监测系统包括：NBIOT采集器、NBIOT服务器、SCADA系统服务器、生产指挥系统服务器（见图1）。其中，NBIOT采集器主要用于现场温度、压力、流量等数据的采集、存储和传输。NBIOT服务器主要用于NBIOT采集器设备的数据采集、存储和传输。SCADA系统服务器位于油田工业网内，主要负责油田工业网内的数据采集与监视控制。生产指挥系统服务器位于油田办公网内，主要用于油田办公网数据的存储、管理、分析和应用服务等。

2 系统的详细设计

2.1 NBIOT采集器设计

NBIOT采集器采用锂电池供电方式的低功耗设计，用于采集温度、压力等数据。其以固定时间间隔唤醒后采集温度和压力等数据，数据在滤波处理后通过NBIOT网络传输数据，数据传输完成后NBIOT采集器进入休眠模式。

NBIOT采集器硬件选择意法半导体公司推出的STM32低功耗系列单片机作为MCU，网络NBIOT选择上海移远通信技术股份有限公司的BC25型号网络模块。在采集温度模块和压力模块数据的前提下，同时搭配了美信半导体的MAX17048电池管理芯片来监控采集器的电池健康状态，NBIOT采集器功能框图如图2所示。

2.2 通信设计

NBIOT采集器与上位机通信采用TCP协议，默认服务器端口为2306。NBIOT采集器采用定时唤醒的方式与上位机进行通信，唤醒时间间隔默认为30 min，其具体流程体现在以下几个方面：①在每一次唤醒后，NBIOT采集器会把实时数据上传给上位机，上位机收到数据后给予应答，同时上位机可发送修改NBIOT采集器参数的配置信息（无配置信息则无该流程）;②NBIOT采集器接收到上位机的配置信息后进行处理，处理完毕后并反馈给上位机;③上位机发送结束命令，整个通信结束，NBIOT采集器断开连接，进入休眠模式（见图3）。

NBIOT采集器与上位机通信协议的具体内容如图4所示。

2.3 系统软件设计

基于NBIOT技术的油田采油监测系统软件主要包括3个部分：①油田生产指挥系统软件。其安装于油田生产指挥系统服务器上，主要功能为生产数据监测、生产报警、生产动态、生产管理、调度运行、应急处置。②油田SCADA系统软件。其安装于油田SCADA系统服务器中，主要功能包括数据采集服务、数据库服务和数据转储服务。其中，数据采集服务是将采集到的数据存储到本地数据库服务中，数据转储服务是将实时数据转储到油田生产指挥系统服务器中。③NBIOT服务软件。其安装于油田NBIOT服务器中，可部署到油田安全隔离区内，主要功能为设备管理、数据采集、命令下发、消息推送等。

在油田的实际生产应用中，若已经建成油田生产指挥系统和SCADA系统且较完善，可直接部署NBIOT服务软件将NBIOT采集器接入已有系统;若没有建成，则需要根据实际情况在部署完NBIOT服务软件后再设计相应的系统。

报警功能是油田采油监测系统的一项重要应用功能。其应用原理体现在以下几个方面：①系统应用人员需要根据实际工况设置现场参数的高报警阈值和低报警阈值，阈值通过NBIOT服务软件设置到NBIOT采集器中;②当NBIOT采集器采集数据发现数据超过高报警阈值或低于低报警阈值时，就会触发报警并上报给NBIOT服务软件;③NBIOT服务软件再将报警信息上报给油田SCADA系统软件和油田生产指挥系统软件。

3 案例应用

基于NBIOT技术的油田采油监测系统在某油田接入了约3 000个NBIOT采集器，将现场的温度、回压、套压、流量等数据传回了生产指挥中心，覆盖了全国多个省的偏远地区。NBIOT采集器每60 min会上传一次数据，电池至少可用三年。其现场安装简单施工成本低，系統已经安全运行三年多，应用界面如图5所示。

4 结束语

文章设计了基于NBIOT技术的油田采油监测系统，为油田在偏远地带、无市电供电等艰苦条件下的生产监测工作提供了一种新途径，解决了工程成本高、周期长、信号覆盖差、功耗高、信息不安全等问题。其经过长时间的应用验证，解决了油田的实际应用问题，具有较大的推广和应用价值。

参考文献

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