无线传感技术在燃油气井测试系统中的运用

伴随着油气勘探开发的不断深入，对试油资料接收质量提出了更高的要求。

油气井地面测试数据采集系统目前国内外均采用有线传输方式，但随着油气井测试数字化、自动化程度的提高，测试参数越来越多，采用有线传输方式取代传统的地面测试数据采集系统已成为必然趋势。这也将成为油田科学试油的发展方向。

有线地面测试数据采集系统在油气井地面测试作业中得到了广泛的应用，在实际应用中发现了以下不足：

(1)现场工作环境恶劣、线路布置困难、工作量大；

(2)当地面温度过低时，容易造成信号传输电缆的破裂和损坏；

(3)维护信号电缆的费用较高；

(4)信号电缆在现场发生故障时，不方便检修焊接；

(5)现场布置的信号电缆等常常被切断。

为解决上述问题，提出了数字化、无线化、智能化的设计模式，研制开发了一套无线地面测试数据采集与管理系统，该系统可实现现场测试数据的实时采集，并可无线传输至现场作业中心计算机进行显示、存储和处理。

制度目标。

该系统主要是利用采集器连接到中间服务器，采集器采集传感器的数据，然后通过无线射频传输传输到中间服务器。中端服务器将接收到的无线射频信号进行数据整合处理，并通过局域网将处理后的数据传送给工业控制计算机进行存储、显示和处理。它具有抗干扰能力强，传输距离远，延迟时间短，成本低等特点。另外，与传感器配套的无线采集终端还具有数据处理能力，可根据用户需求增加各种智能功能，提供更多更有效的数据处理、统计分析和辅助决策等功能。

油品地面试验数据无线采集系统的设计。

一是无线采集监控设备的架构。

基于多年的现场测试经验，结合一些井的实际情况，地面测试数据测点与现场控制中心直线距离约500米，并在井场中设置了压裂车、酸液、泥浆池等大型遮挡物。采用无线射频方式，传输距离与功率成正比，功率越大，传输距离越远，电池寿命越短，成本越高。为减少直接成本，采集器必须设计成低功耗的结构，但由于周围没有大型遮挡物，采集器通过测试时，传输距离仅为500米，无法满足现场测试要求。为解决既节省电力又有较长传输距离这一矛盾，系统设计了中继器，将信号放大后再传送到接收机。

油气井井采油测试现场，各节点均有固定地址，数据传输均采用主从站方式，节点数目不大，且均在主站无线通信范围内，主站统一控制网络通信时序。针对这种特点，无线采集监控装置被设计成一个实用的集中式无线传感器网络。

该系统采用先进的三层结构，采用模块化和结构化设计，最底层的数据服务层由SQLServer数据库负责，通过诸如表、视图、存储过程、触发器、规则和默认值等工具对数据进行控制，从而保证事务处理方式下的数据完整性和一致性。中间层为业务逻辑层，通过DLL动态库或后台服务，对数据进行业务逻辑处理。最上层为表示层，以应用程序或网页的形式提供人机界面，负责输入和输出数据。其处理业务逻辑层和数据服务层，获取或提交所需的数据。

二是数据处理。

模拟量先由低功耗的传感器传送到采集板，采集板通过A/D转换产生数字信号，然后通过无线方式发送到中继器，中继器再通过局域网络以TCP/IP方式发送到控制中心。通过上位机控制中心负责数据的采集，并利用ADO技术实时地将数据存储在SQLServer数据库中；通过下位机控制中心负责数据的管理，并与上位机共用一个SQLServer数据库，还利用ADO技术对数据库进行读写操作，生成实时曲线和预警报警，完成采集数据的历史曲线回放、打印、数据计算、数据查询、导出和基本信息的维护。

无线采集监控装置终端的硬件设计。

地测数据自动采集和无线传输系统的硬件包括：

(1)数据采集器，负责对传感器数据进行采集，并通过无线射频方式向中继器传输数据；二是采集器，包括压力采集器、温度采集器、差压采集器、液流采集器、气流采集器等；

(2)中继器，它接收采集器发送的数据信号并将其无线转发给接收机；

该系统采用无线传输方式，通过RJ45接口或DB9接口将数据传输到总控室，实现对局域网的无线传输；

最后一部分是现场控制中心，数据在PC上经过显示、分析和处理[5]。

一、采集设备。

地测数据采集系统主要采集的是压力，温度，流量和压差信号。按现场需要主要有压力采集器、温度采集器、流量采集器等。其主要功能是采集测点数据，并以无线射频方式向中继器传输所采集到的信息。

该数据采集器主要完成传感器信号输入、ADC模数转换(不需进行A/D转换，可直接由MCU进行A/D转换)、传感器相关数据的采集和记录，并通过无线射频向中继器传送所采集的信息。采集器由传感器、单片机、ADC模数转换电路、无线射频芯片、电池电源管理五部分组成。该方法是通过ADC模数转换电路将传感器采集的测点数据转换成数字信号，然后传送到低功耗的单片机上，经处理后通过射频电路和天线传送到中继器上。采集器与中继器可以双向通信，即采集器既能向中继器发送数据信息，又能通过中继器将操作指令传递给采集器。

该系统采用无线通讯协议作为分时协议，工作频率为433MHz，检测和现场测试效果良好。

二、接收机。

接收端的主要功能是通过无线信道接收中继器或收集器发出的数据，并通过网口经局域网将数据发送给控制中心。当与中央服务器的连接中断时，通过临时无线信道发送的数据就会被传送到板载的Flash中，在正常连接之后，将Flash中的数据重新发送到中央服务器。增音机与接收机可以双向通讯。

接收装置工作时置于现场控制中心，由外部电源供电。该接收机采用高性能的嵌入式CPU和大功率的收发模块，采用高增益的全向天线，以确保采集器或中继器发出的数据能够实时接收。

油品地面试验数据无线采集系统的现场测试；

(1)试油地面测试数据采集系统在富顺1井进行现场测试，试油层为下二层；地面测试设备有节流管汇、转向管汇、热交换器、分离器、数据采集房等；无线采集系统设备有0~70MPa压力采集器1个，0~16MPa压力采集器1个，-50℃~150℃温度采集器1个，液流采集器1个，中继器1个，网络集线器1个，网线1个，接收器1个，便携式电脑1个，无线数据采集软件1个。

在套压处安装0~70MPa压力采集器，在流量计孔板上压处安装0~70MPa压力采集器，在热交换器出口安装-50℃~150℃，在设备上未安装流量采集器，作为测量设备传输距离和抗干扰能力的工具。接收天线安装在数据采集机房的顶部。接收和网络集线器位于数据采集室。以下是试验结果：

在没有安装中继器的情况下，套压和换热器处的信号都比较好，在井场中的效果都很好；

(2)增压器安装在钻台司钻房顶，经中转后全部送至接收机，具有良好的效果。在距采集房约800m的地方放置流量采集器，传输信号良好，无数据丢失；

(3)酸化时两台压裂车同时开动泵工作，整个工作过程中无干扰信号产生，无线采集装置工作稳定；

与有线数据采集系统相比，该系统的测试数据值一致，精度相当，且没有明显的时滞。

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