基于物联网的双通道油井含水率监测系统

刘亚洲

（延长油田股份有限公司定边采油厂，陕西 榆林 718600）

0 引 言

在数字化智能油田建设过程中，油井含水率是重要的工艺监测数据，准确、稳定的油井含水率能够有效反应出油井储油层特性和注水开发状况，为调整注水工艺与智能采油控制提供数据支撑，这对于提高油井采收率和实现油田稳产具有重大现实意义[1-2]，因此，基于物联网的准确可靠的油井含水率监测系统尤为重要。目前，在陕北低渗超低渗油田，现有的油井含水率在线监测系统一般多采用WiFi或GPRS网络的单一传输方式。其中，WiFi网络传输方式存在传输距离短、连接设备有限，在数据量较大时易产生数据包堵塞、丢失等问题；采用GPRS网络传输的方式易受基站密度的限制，在偏远井场信号较差，传输数据较慢，且数据不稳定[3]。针对以上问题，本文提出了一种基于物联网的双通道油井含水率监测系统，包括WiFi和GPRS两种数据传输方式，通过数据对比实现含水率数据在井口仪表和后台监测中心之间的可靠传输，以及对油井含水率的在线监测。

1 基于物联网双通道油井含水率监测系统

基于物联网双通道油井含水率监测系统由井口仪表、数据传输单元和后台监测中心组成，如图1所示。

图1 基于物联网的双通道油井含水率监测系统结构

井口仪表主要包括STM32主控制器、微波探测发射单元、微波探测接收单元数据存储模块，以及用于双通道数据传输的WiFi模块和GPRS模块[4-5]。微波探测发射单元包括供电单元、继电器、光耦隔离器和微波探测发射器，微波探测接收单元主要包括微波探测接收器。数据传输单元主要包括油井智能RTU。后台监测中心主要包括后台服务器、数据库以及工控机。其中，井口仪表主要负责实时采集含水率数据，将测量数据打包、加密，通过WiFi将含水率数据传输至RTU，RTU作为数据传输中继站在井口仪表和后台监测中心之间建立Socket连接，进行数据传输。含水率数据通过GPRS模块直接传输至后台监测中心[6]。后台服务器采用独有的原油含水率在线实时计算模型和大数据分析对比校正模型进行含水率数据的高精度计算，将测量结果存储至MySQL数据库中，最后通过工控机以网页的形式展示出各油井的实时含水率数据，便于油井现场人员查看分析[7]。

2 双通道油井含水率监测系统硬件实现

2.1 井口仪表硬件原理

井口仪表通过微波进行油井含水率的检测。采用的STM32F103RET6主控芯片包括供电电路、最小系统电路、信号产生电路、信号采集电路、通信电路和人机交互电路等。井口仪表的硬件结构如图2所示。

图2 井口仪表硬件结构

流量传感器用于检测油管内是否有流体通过，当有流体通过时，主控制器通过光耦隔离器控制继电器闭合，微波探测发生器和微波探测接收器进入工作状态。微波探测接收器将波形数据通过I/O口传输至STM32主控芯片进行数据封包加密，之后通过ESP-07S的WiFi模块和SIM800L的GPRS模块将含水率数据发送至后台监测中心[8]。

2.2 数据传输单元硬件构成

数据传输单元主要包括井场RTU。RTU作为井口仪表和后台监测中心之间的信号中继站，选取S3C4510B01作为主控芯片，该芯片内含TCP/IP协议，能够稳定进行双向数据传输。RTU的硬件构成如图3所示。

图3 RTU硬件构成

2.3 后台监测中心硬件组成

后台服务器在接收到WiFi和GPRS传输的含水率波形数据后，采用独有的大数据分析对比校正模型和原油含水率在线实时计算模型，对接收的两组数据进行对比、分析及计算，将计算结果存储至数据库中，通过工控机实时查看油井含水率数据。其中数据库服务器采用联想System x3500 M5塔式服务器，工控机选用联想扬天系列T4900C，将MySQL数据库作为配套软件，用于数据存储与调用。

3 基于物联网的双通道油井含水率监测软件

3.1 双通道油井含水率监测软件

基于物联网的双通道油井含水率监测系统的软件部分主要由数据采集与远传程序、含水率数据接收与计算程序组成。双通道油井监测软件功能如图4所示。

图4 双通道油井含水率监测软件功能

数据采集与远传程序由油井含水率数据采集，采集数据的存储、组包，WiFi数据传输以及GPRS数据传输等程序组成。含水率数据接收与计算子程序由数据包解析、信号滤波优选、油井含水率计算及数据存储展示四部分组成[9]。

3.2 油井含水率监测与数据远传程序设计

基于物联网的双通道油井含水率监测系统采用微波三探头法检测油井实时在线含水率。油井含水率监测与数据远传流程如图5所示。

图5 油井含水率监测与数据远传流程

如图5所示，首先判断油井油管内是否有液体流动，确保低位、中位和高位微波探头至少有一组能够检测到有效数据，并判断中位微波探头含水率数据是否小于零，若小于零，表明只有低位微波探头的探测有效，若不小于零，则继续判断高位微波探头的数据。若含水率值不小于零，则表明低位、中位和高位微波探头的探测数据均有效，将有效的探测信号经过放大、滤波和A/D采样后转换为数字信号，按照预先设定的帧格式进行数据组包，并通过WiFi和GPRS两种数字传输方式上传[10]。WiFi首先将含水率数据传输至井场RTU，再通过以太网传输至后台监测中心。GPRS通过SIM800L模块将数据直接传输至后台监测服务器。

3.3 油井含水率监测数据接收与计算程序设计

油井含水率监测数据接收与计算程序流程如图6所示。后台服务器一直处于发送连接问答状态，当接收到WiFi和GPRS的应答信号后，开始接收两路油井含水率数据包，服务器将对数据进行解析，按照油井标号和时间存储数据后，向井口仪表返回时间信息。之后通过独有的大数据分析对比校正模型对比两路含水率信号，剔除差异较大的数据点，通过油井含水率在线实时计算模型计算出精确的油井含水率数值。计算完成后，将油井含水率数据存储在MySQL数据库中，并下发至井口仪表，在井口仪表的显示屏上显示。此外，数据库根据井号和时间对含水率进行分组保存，在工控机客户端将各油井的含水率数据绘制成折线图并显示，油井现场工作人员可以根据油井含水率变化趋势调整区块注水量。

图6 油井含水率监测数据接收与计算程序

4 结 语

基于物联网的双通道油井含水率监测系统应用微波探头法提高了含水率监测的准确性，使用WiFi和GPRS数据传输方式建立的双通道数据传输系统能有效提高数据传输的可靠性和监测数据的准确性。同时，针对陕北低渗超低渗油田特殊的地理与通信环境，此法提高了油井含水率监测系统的稳定性。

系统采用独有的大数据分析对比校正模型对采集的两类数据进行综合分类，通过对比剔除异常数据点，实现油井含水率监测数据的实时处理，从而提高油井含水率监测数据的准确性与可靠性，为油田智能开发控制提供依据，在数字化智能油田建设与油田开发生产中具有典型应用价值。