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集散式油井動液面監測井場集中監控器研制

2021-10-10

集散式油井動液面監測井場集中監控器研制

張乃祿1,2,盛 盟1,2,顏 瑾1,2,王彥龍3,李佰濤4,孟智彬5,袁 瑛1,2

(1.西安石油大學 電子工程學院,陜西 西安 710065; 2.陜西省油氣井測控技術重點實驗室,陜西 西安 710065;3.延長油田股份有限公司 定邊采油廠,陜西 榆林 718600; 4.中國石油長慶油田 油氣工藝研究院,陜西 西安 710018;5.西安海聯石化科技有限公司,陜西 西安 710065)

摘要:對于低滲、超低滲油田,特別是叢式井場和大井組油井,油井連續實時監測需每一口油井安裝一臺固定式連續動液面監測儀,致使油井投資成本過高而難以實施,為此研制了一種集散式動液面監測井場集中監控器。硬件基于STM32F429嵌入式系統,軟件采用RT-thread實時操作系統,以自定義協議進行通信,RS485總線連接多井口監測儀表進行測量同步控制及多路監測實時數據讀取,通過4G網絡傳輸至監測分析平臺進行數據解析與實時計算?,F場應用表明,該井場集中監控器能有效降低油井動液面監測生產成本,提高油井動液面連續實時監測的準確性與可靠性,在數字化智能油田建設與油田開發生產中具有典型應用價值。

關鍵詞:油井動液面;井場集中監控器;多路監測;同步控制;STM32

引 言

隨著物聯網、大數據、云計算、人工智能等技術在油田開發生產中應用,數字化油田正邁向智能油田,其中的一個關鍵問題在于油井動液面實時監測與綜合分析,油藏地層實時動態分析與動態試井,以及油井動液面、示功圖融合與油井工況診斷,確定地層供液能力,實現最佳采油工藝與最優采油控制,提高油井產量和降低采油成本[1]。目前,國內外油井動液面監測普遍采用人工定時監測和自動連續實時監測兩種模式,自動連續實時監測則是每一口油井安裝一臺固定式連續動液面監測儀,對低滲、超低滲油田,特別是叢式井場和大井組油井,單口油井安裝固定式動液面監測儀,因油井投資成本過高而難以實施[2]。本文研發一種基于“一拖多”概念的集散式油井動液面監測系統,重點研制集散式動液面監測井場集中監控器。

1 集散式油井動液面監測系統構成

油井動液面實時監測與綜合分析系統是數字化智能油田的重要支撐,采用物聯網、大數據、人工智能技術構建油井液面與套壓數據采集、傳輸、分析應用系統[3],基于物聯網三層架構的集散式油井動液面監測系統如圖1所示。

圖1 集散式油井動液面監測系統構成
Fig.1 Composition of distributed oil well dynamic fluid level monitoring system

集散式油井動液面監測系統包括3部分:①井口監測儀表,進行次聲波和套壓信號頻域處理與數據同步采集;②井場集中監控器,進行多路監測數據實時處理、分包、加密、傳輸,以及系統測量同步控制、參數配置、數據存儲等,RS485總線和4G網絡構成數據傳輸網絡;③監測分析平臺,進行動液面和套壓數據解析、模型算法、動液面實時計算、存儲與綜合分析等[4],其中井場集中監控器是集散式油井動液面監測系統的核心。

2 井場集中監控器硬件設計

2.1 井場集中監控器硬件組成

井場集中監控器主控芯片選用意法半導體公司的STM32F429IGT6系列。硬件電路包括測量同步控制與多路數據讀取、壓力信號采集、次聲波聲爆源控制、觸摸屏實時數據讀寫、實時數據無線傳輸、數據存儲、USB數據導出以及JTAG、電源、復位等電路。壓力信號采集電路選用AD7792芯片對壓力傳感器輸出電信號進行模數轉換,經SPI接口輸入主控芯片。次聲波聲爆源控制電路由NMOS管和執行繼電器實現,依據實時采集壓力數據控制[5]。測量同步控制與多路數據讀取電路采用RS485接口,實時數據無線傳輸電路采用4G通信傳輸。井場集中監控器硬件組成如圖2所示。

2.2 測量同步控制與多路數據讀取電路

測量同步控制與多路數據讀取電路采用SP485R低功耗半雙工收發器,井口監測儀表硬件上配備相同的SP485R收發器,井場集中監控器可通過自帶的RS485接口下發測量信號,或讀取多路測量數據,完成和多井口監測儀表的通信。測量同步控制與多路數據讀取電路如圖3所示。

2.3 實時數據無線傳輸電路

實時數據無線傳輸電路選用4G模塊EC20,可將原始套壓和動液面數據統一無線上傳至監測分析平臺,也為短信遠程配置參數提供硬件支撐[6]。實時數據無線傳輸電路如圖4所示。

圖2 井場集中監控器硬件組成
Fig.2 Hardware composition of well-site centralized monitor


圖3 測量同步控制與多路數據讀取電路
Fig.3 Measurement synchronization control and multiplex data reading circuit


圖4 實時數據無線傳輸電路
Fig.4 Real-time data wireless transmission circuit

3 井場集中監控器軟件開發

3.1 井場集中監控器軟件功能

井場集中監控器軟件開發在Keil開發環境下搭建RT-thread操作系統,該操作系統以線程為調度單位,具有實時性強、穩定性高、可剪裁性的特點,可處理多個并發的任務,提高CPU的利用率[7]。井場集中監控器集測量控制、數據讀取、數據上傳、本地存儲與參數配置于一體,讀取多路油井監測數據統一上傳至監測分析平臺,經數據解析、濾波處理、聲速液面模型算法匹配,完成多油井動液面實時監測。井場集中監控器軟件功能如圖5所示。

圖5 井場集中監控器軟件功能
Fig.5 Software functions of well-site centralized monitor

3.2 自定義通信協議

通信協議是通信雙方主體實現通信必須遵循的規則,須提前約定好才能保證數據的順利傳輸與處理等,實現系統功能[8]。

(1)與井口監測儀表的自定義通信協議

井場集中監控器與井口監測儀表的通信為問答式RS485主從多機模式。通信均由井場集中監控器主設備發起,分為啟動測量和數據讀取,數據幀格式分別見表1和表2。

(2)與監測分析平臺的自定義通信協議

井場集中監控器和監測分析平臺的通信為4G傳輸模式,通過AT指令控制4G模塊將多路油井監測數據統一上傳,相鄰兩口油井上傳數據需加序號0作為區分標志。數據上傳幀格式見表3。

3.3 多口油井測量同步控制程序設計

首先對系統初始化,包括時鐘、I/O口等,其次初始化各子任務線程。通過觸摸屏或短信配置油井測量時間,當油井測量定時器倒計時歸零,觸發油井測量線程。一般依照“先到先處理”原則進行,但當多口油井預設測量時間同步時,井場集中監控器建立自動輪詢制度,按測量隊列有序下發自定義協議幀格式的啟動測量命令,井口監測儀表接收并解析,若設備號與自身一致執行命令,否則不予處理,繼續進入休眠等待。多口油井測量同步控制程序如圖6所示。

表1 啟動測量的數據幀格式
Tab.1 Data frame format of start measurement

表2 數據讀取的數據幀格式
Tab.2 Data frame format of data reading

表3 數據上傳幀格式
Tab.3 Data frame format of data uploading

3.4 多口油井監測數據實時讀取程序設計

井口監測儀表接收對應啟動測量命令,開啟電磁閥產生測量聲源,并根據下發的采樣點數采集動液面信號,完成數據實時處理、分包、加密操作,同時向井場集中監控器作出響應。井場集中監控器收到響應信號并下發數據讀取命令,通過RS485總線以自定義協議幀格式讀取當前油井總包數、原始數據點信息。多口油井監測數據實時讀取程序如圖7所示。

圖6 多口油井測量同步控制程序
Fig.6 Synchronization control program for multi-well measurement


圖7 多路油井監測數據實時讀取程序
Fig.7 Real-time reading program of multi-well monitoring data

3.5 數據上傳、存儲及U盤導出程序設計

井場集中監控器以4G模塊EC20傳輸讀取的多口油井動液面監測數據。首先初始化模塊,以“AT+QIOPEN”指令向指定域名、端口號的服務器發起通信請求,通過三次握手協議建立TCP連接。隨即以“AT+QISEND”指令向服務器在線發送數據,進行數據解析、模型算法匹配、動液面值計算及下發。若未收到下發的動液面值,需再次上傳,3次均未響應時存儲原始數據至FLASH中。定期可利用U盤拷出存儲數據,借助在線解析客戶端實現和服務器的對接,彌補數據庫缺失數據[9]。數據上傳、存儲及U盤導出程序如圖8所示。

圖8 數據上傳、存儲及U盤導出程序
Fig.8 Data upload,storage and USB flash disk export program

4 井場集中監控器應用效果與分析

2019年5月,井場集中監控器在長慶油田塞152叢式井場應用,進行4口油井動液面的實時監測?,F選取8月30日共12組監測數據(見表4—表7),當天油井工況未發生變化。結果表明,井場集中監控器功能正常,各油井動液面值變化范圍不大于10 m,實現了4口油井動液面準確實時監測,符合現場作業情況。

5 結 論

(1)針對數字化智能油田“一拖多”集散式油井動液面監測系統,研制了集散式動液面監測井場集中監控器,實現多口油井動液面測量同步控制、多路數據讀取、數據存儲與傳輸。

(2)井場集中監控器硬件采用STM32F429嵌入式系統,軟件移植RT-thread實時操作系統,以自定義協議進行通信,通過RS485總線連接多井口監測儀表,經4G網絡傳輸數據至監測分析平臺進行數據解析與實時計算。

(3)井場集中監控器現場運行表明,可實現叢式井場或大井組多口油井動液面穩定、準確實時監控,有效降低油井動液面監測生產成本,在數字化智能油田建設與油田開發生產中具有典型應用價值。

表4 “賀14-13”油井動液面監測數據
Tab.4 Dynamic fluid level monitoring data of oil well "He 14-13"

表5 “賀15-13”油井動液面監測數據
Tab.5 Dynamic fluid level monitoring data of oil well "He 15-13"

表6 “賀15-11”油井動液面監測數據
Tab.6 Dynamic fluid level monitoring data of oil well "He 15-11"

表7 “賀14-11”油井動液面監測數據
Tab.7 Dynamic fluid level monitoring data of oil well "He 14-11"

參 考 文 獻:

[1] 張乃祿,李偉強,劉峰,等.基于動液面與套壓的抽油控制系統[J].西安石油大學學報(自然科學版),2018,33(1):75-78,84.

ZHANG Nailu,LI Weiqiang,LIU Feng,et al.Control system of pumping unit based on dynamic liquid level and casing pressure[J].Journal of Xi&apos;an Shiyou University(Natural Science Edition),2018,33(1):75-78,84.

[2] 張立明.油井動液面實時監測技術進展[J].石油石化節能,2017,7(3):35-38.

ZHANG Liming.Advances in real-time monitoring of dynamic fluid level for oil wells[J].Energy Conservation of Oil Fields,2017,7(3):35-38.

[3] CAO Guohou,YANG Xiaoqiang,LI Huanliang.Intelligent monitoring system of special vehicle based on the internet of things[J].Advances in Intelligent Systems and Computing,2014,255:309-316.

[4] LIU Yan,HUANG Lin,XU Yang.Embedded system of oil wells monitoring base on GPRS[C].Washington,DC,USA:IEEE Computer Society,2009:451-454.

[5] 萬曉鳳,易其軍,雷繼棠,等.動液面遠程自動連續測量裝置實現[J].工程設計學報,2013,20(3):260-264.

WAN Xiaofeng,YI Qijun,LEI Jitang,et al.Realization of remote working level automatic measurement device of oil well[J].Chinese Journal of Engineering Design,2013,20(3):260-264.

[6] 朱偉華,周文姝.基于4G技術的智能農業小氣候監測系統[J].實驗技術與管理,2016,33(4):82-85.

ZHU Weihua,ZHOU Wenshu.An intelligent agricultural microclimate monitoring system based on 4G technology[J].Experimental Technology and Management,2016,33(4):82-85.

[7] 李琦,李梅.基于RT-Thread的工業遠程控制器設計[J].實驗室研究與探索,2013,32(9):61-64.

LI Qi,LI Mei.A design of the industrial remote controller based on RT-Thread[J].Research and Exploration in Laboratory,2013,32(9):61-64.

[8] 王濤,劉軍,曾國強,等.基于4G模塊的高精度傾角測量系統設計[J].儀表技術與傳感器,2017(8):59-61.

WANG Tao,LIU Jun,ZENG Guoqiang,et al.Design of high precision inclination measuring system based on 4G module[J].Instrument Technique and Sensor,2017(8):59-61.

[9] 張乃祿,邊松巖,顏瑾,等.油井動液面實時監測數據存儲器研制[J].西安石油大學學報(自然科學版),2020,35(2):120-126.

ZHANG Nailu,BIAN Songyan,YAN Jin,et al.Development of data memory for real-time monitoring of oil well fluid level[J].Journal of Xi&apos;an Shiyou University(Natural Science Edition),2020,35(2):120-126.

 

Development of Centralized Monitor for Dynamic Fluid Level Monitoring of Oil Wells

ZHANG Nailu1,2,SHENG Meng1,2,YAN Jin1,2,WANG Yanlong3,LI Baitao4,MENG Zhibin5,YUAN Ying1,2

(1.College of Electronic Engineering,Xi&apos;an Shiyou University,Xi&apos;an,Shaanxi 710065,China;2.Key Laboratory of Shaanxi Province for Measurement and Control Technology of Oil and Gas Wells,Xi&apos;an,Shaanxi 710065,China;3.Dingbian Oil Production Plant,Yanchang Oilfield Company,Yulin,Shaanxi 718600,China;4.Oil and Gas Technology Research Institute,Changqing Oilfield Company,Xi&apos;an,Shaanxi 710018,China;5.Xi&apos;an Hailian Petrochemical Technology Co.,Ltd.,Xi&apos;an,Shaanxi 710065,China)

Abstract: For low permeability and ultra-low permeability oilfields,especially for cluster well pads and large well groups,the continuous real-time monitoring of oil wells requires each well to be equipped with a fixed continuous dynamic liquid level monitor,which is difficult to implement due to the high investment cost.Therefore,a wellsite centralized monitor of distributed dynamic fluid level monitoring was developed.The hardware is based on STM32f429 embedded system,and the software uses RT thread real-time operating system to communicate with user-defined protocol.Multi-wellhead monitoring instruments are connected through the RS485 bus for synchronous control of measurement and real-time data reading of multiplex monitoring.The data was transmitted to the monitoring and analysis platform through 4G network for data analysis and real-time calculation.Field application shows that the wellsite centralized monitor can effectively reduce the production cost,improve the accuracy and reliability of continuous real-time monitoring of dynamic fluid level,and has a typical application value in the construction of digital oilfield and the development of oilfields.

Key words: dynamic fluid level of oil well;well-site centralized monitor;multiplex monitoring;synchronous control;STM32

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