油田远程监控服务系统优化设计探讨

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摘要：为提高油田数字化信息采集及处理进程，基于C/S模式在原有SCADA系统上进行完善和优化，设计了以现场RTU设备、数据处理中心和中央服务器三个层面的软件系统架构，介绍各功能模型，并分析通过数据监测得到的3种常见油井故障异常示功图特征，通过整体软件通讯协议的完善及现场实践，为数字化油田建设提供借鉴。

关键词：数字化油田；油井远程监控；GPRS；油井示功图

引言

目前国内大部分油田勘探井所处环境条件恶劣、分布范围较广，在油田生产运行维护过程耗费大量时间，采用定点巡井、人工巡井等方式，已经不能满足于目前油田生产需要。油田自动化、信息化、数字化是近年来热门话题，采用多种自动化方法监控油田油井、管道，控制油井阀门组件、管道集输系统、管汇阀门、计量系统等，从而实现数字化油田管理。远程数据监控提高了油田自动化管理水平，能实时测量、采集、分析、处理现场取得的数据，协助生产运行工作人员对油田进行科学和高效的管理。在工业控制领域中，SCADA系统已被广泛应用，但其在开放性方面还有一定的局限性，系统的开发和维护工作量较大，功能扩展能力较差。随着互联网技术的发展，SCADA系统已经可以实现互联网、多媒体、短信业务、无线传输进行融合，支持了SCADA系统在更多领域上的发展，并实现与WebServices等网络对接。本文基于油田数据采集特点，对现有系统开展相关分析，提出合理的系统扩展方案，结合油田生产实际需求，提出需要完善的功能和系统框架。

1系统总体设计

（1）系统分析。从油田现场管理来看，需要实时监测分析各采油区内各井生产情况，也就是各单井的运行参数，这些参数通过屏幕显示出来，可以进行便捷分析和关系。针对采油井所有需要收集的数据参数种，抽油机示功图是最为重要的参数，是分析油井工作电流、电压、功率等的重要依据，当一些参数出现异常时，需要采油技术人员进行现场处理。在进行系统设计过程，目前已有油井服务系统，包括数据采集和中央服务器两部分组成，服务器能连接web，可以正常进行数据浏览，新并入中心服务器能给用户提供C/S模式管理。设计过程需要遵循以下原则：系统性能的稳定性、可靠性和具有较好的容错性，能够在现场维持较长时间的平稳运行；软件架构具有良好的可拓展性，便于后期针对系统开展新功能的设计完善，提高软件应用的灵活性；软件界面及功能清晰，能够根据用户需求选择不同的功能；界面友好、能进行多方位展示，人机交互功能简单易行，普通人员通过系统说明书也能良好的进行操作；具有良好的维护性、稳定性，软件架构和代码都符合通常标准，采用模块化设计。（2）系统结构设计。根据现场实际情况，从整体结构出发设计系统为三个层次：现场RTU设备层，包括RTU模块、传感器等；数据处理中心，负责接收底层传上来的RTU数据，并存储到相应数据库中，如何重新上传到中央服务器；中央服务器，由第三方软件公司开发，能实现数据监控、浏览和控制功能。系统软件能直接反应出客户对目标管理的需求，根据图例列出建立客户需求的模块，并分析系统性能的稳定性、可靠性、实时性，将系统划为几大模块，数据采集通信、信息处理分析、数据监测、故障诊断等。

2数据通信模块实现

（1）数据采集实现。在数据监测过程将RTU安装于抽油机设备系统内，收集传感器电信号值，经过分析计算得到工作量值，按照GPRSModem将数据发送给系统中心服务器。无线连接方式为GPRS移动通信模式，目前而言网络覆盖面较广，虽然油田野外区域较广，但通过部分基站的建设，为本系统的应用提供了条件。且GPRS网络整体上而言较为便宜，具有一定的经济性。（2）数据格式及解析。底层数据采集模块只能采集到两种数据，一是实时监测的数据，另一个是抽油机示功图数据，数据格式设定为可自定义，由底层每隔一段时间上传，两种数据包用功能码来实现消息的区分和表达，中心服务器接收到数据包后，需要完成一个返回包的发送，才能实现一个数据采集过程，数据头格式见表1。数据采集服务器程序建立在TCP/IP层基础上，即在应用层，从上到下分别为：应用层、传输层、网络层、数据链路层，目前TCP/IP已实现工业化标准。在处理数据过程，采用多线路技术，每一个线程可以通过Socket接收到数据包，达到高效处理数据的目的。多线程指令由CPU发出，每一个指令彼此之间具有一定的独立性，且数据同时发出。（3）与中央服务器通信。接收到监测数据和示功图数据后，将数据解析完毕传输到中央服务器，服务器采用的通信协议由各大厂商提供，厂商将这些数据按照口头协议重新组装并发送给中央服务器，该协议为WIDG协议，是一种非标准协议。检测模块与中央服务器相互连接时采用长连接信息交互方式，当信道上没有数据传输时，每个一定的时间双方会发送跳包维持信号的连接，当连续两次发送跳包对方未收到时，则说明链路出现了异常。接受和查询应答时，在数据等待应答过程设定一个读超时间，超时时间需要根据主站处理器询问来设置，以免造成故障时间发送时间较长，甚至产生长时间不发送命令的资源浪费。在应答消息过程，需要保持事务处理和标签协议的一致性，应答消息的前4个字节仅需要与所准备查询数据的前4个字节即可。

3示功图测量及故障诊断

（1）供液不足，即油层向井筒内供液的能力小于井筒内泵的排液能力，造成沉没度逐渐变小，示功图特征见图1所示。（2）油井出砂故障，当地层出砂后，井筒内液体也会混着出砂进入泵筒中，使得活塞在运动过程产生阻力，当油井出砂轻微时，示功图上表现出锯齿的曲线特征（如图2）（3）气液比上升影响，当地层产出流体内气体含量增加时，会给泵筒造成气锁情况，在上冲程过程无法打开凡尔阀，下冲程过程游动凡尔阀也无法正常打开，造成泵抽过程产液量变低甚至不产液（图3）。

4结语

设计软件经过大量的现场测试证明了利用GPRS移动传输系统能有效的实时传输数据，丢包率较低，能够满足数据分析需要。示功图分析测试准确度较高，基本上完成了油田数字化服务的初步应用效果。

参考文献：

[1]何鹏举，曹允耀，吴来斌.基于嵌入式云技术的油井液位远程测试系统[J].电子设计工程，2014,22(16):187-190.

作者：张家田 马权 单位：西安石油大学