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　　前言
　　井口數(shù)字化建設是油田地面工程數(shù)字化建設最底層、范圍最廣、最關鍵的現(xiàn)場部分，主要完成對現(xiàn)場井口、站點的數(shù)據(jù)采集和控制。包括：抽油機油井、螺桿泵油井、電潛泵油井、注水井等。在數(shù)字化油田井口建設中，使用無線傳感器可以減少建設周期、維護方便，適合于規(guī)模施工，全面建設數(shù)字化油田。下面以中石油青海油田為例，介紹無線傳感器在油田中的應用。
　　1.背景介紹
　　中石油青海油田公司是集油氣勘探、開發(fā)、研究、生產、銷售為一體的大型石油公司。作業(yè)區(qū)域在素有"聚寶盆"之稱的柴達木盆地。石油資源量達21.5多億噸，天然氣資源量近25000億立方米，目前油氣勘探程度較低，具有廣闊的發(fā)展前景。
　　自2000年以以來，青海油田在部分區(qū)塊已經建立了井網自動化系統(tǒng)，典型系統(tǒng)如尕斯區(qū)塊、躍進區(qū)塊、七個泉區(qū)塊，覆蓋約500多口油井。但是原有系統(tǒng)的覆蓋面小，對于整個油田而言，仍有一半以上的井口、站點尚未實現(xiàn)自動化監(jiān)控；另一方面，隨著電子技術、通信技術的發(fā)展，在已有系統(tǒng)中，早期建成的部分系統(tǒng)采用的產品和技術已經逐漸失去了先進性，在使用維護過程中暴露出的一些問題。
　　2011年青海油田的數(shù)字化油田項目，完成對現(xiàn)場的抽油機油井、螺桿泵油井、電潛泵油井、注水井的數(shù)字化建設。最終要在2011年底建立起覆蓋整個油田的、技術先進、質量可靠、便于使用維護的基于物聯(lián)網的油田數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)字化油田的建設目標。
　　在實時監(jiān)控方面，實現(xiàn)對油井的遠程示功圖、電流圖、功率圖采集，三相電參數(shù)采集和中控室遠程啟?？刂?；在生產管理方面，通過抽油機示功圖對油井工況進行診斷分析，通過電量數(shù)據(jù)掌握油井耗電情況和采取節(jié)能措施，通過功圖計產分析制定油井管理措施；在生產信息方面，在鉆采院室設置數(shù)據(jù)庫服務器和WEB發(fā)布服務器，實現(xiàn)油田生產信息在油田范圍內的信息共享。
　　1.1數(shù)字化油田項目
　　既包括新建區(qū)塊（對原來沒有實現(xiàn)自動化的區(qū)塊進行自動化建設），也包括老區(qū)塊改造（對已有自動化的區(qū)進行改造和完善）。其中新建區(qū)塊的抽油機井約1000口、螺桿泵井約100口、電潛泵井約20口，此外還包括600多口注水井；老區(qū)塊改造的油水井總數(shù)約數(shù)百口。這些油水井隸屬于3個采油廠12個區(qū)塊。
　　各種井口要實現(xiàn)的功能如下：

　　2.數(shù)字化油田的總體結構設計和產品選型
　　井口數(shù)字化建設主要由井口控制終端(RTU)、現(xiàn)場檢測設備、通訊鏈路組成的一套（SCADA）數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。如何選用功能完備的RTU和檢測儀表、如何選用可靠的通訊方式進行井口數(shù)據(jù)通訊以及如何使數(shù)據(jù)穩(wěn)定準確及時的傳輸?shù)街锌厥?，都決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實用性和可靠性。
　　在2011年的新系統(tǒng)建設和老區(qū)塊改造項目中，盡管各種油水井的功能同以前建設的已有系統(tǒng)類似，但是在井站系統(tǒng)的通信系統(tǒng)設計和產品、技術選型方面，卻發(fā)生了本質的變化。
　　在產品選型方面，選用北京安控科技股份有限公司最新生產的高性能一體化無線RTU產品和無線傳感器，安控產品既保留了其傳統(tǒng)的高性能、高可靠性等特點，同時又全面支持最新的ZigBee無線技術。對于該油田已有系統(tǒng)的老RTU，也采用北京安控公司的ZigBee無線通信模塊進行改造，擴充出無線通信接口。
　　在井站系統(tǒng)通信設計方面，井口儀表與井口RTU之間采用先進的ZigBee無線技術，具備大容量、低功耗、高可靠性、高安全性的優(yōu)點，代表了短距離無線通信技術的發(fā)展趨勢，并由此帶來施工簡化、調試維護簡單、建設周期短等優(yōu)點。井口RTU與上級監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)通信，則采用了CDMA通信網絡。
　　2.1井站自動化系統(tǒng)的總體結構
　　在高標準、高性能、高穩(wěn)定性的原則指導下，青海油田數(shù)字化油田系統(tǒng)結構如下圖所示，包括數(shù)據(jù)采集部分、網絡通訊部分和采集驅動WEB發(fā)布三大部分

　　●每個井口通過無線傳感器采集所需數(shù)據(jù)；
　　●充分利用ZigBee網絡特點，一個平臺井口的所有無線儀表接入到同一個無線RTU，組成Mesh網絡，提高通訊可靠性；每個RTU可以帶64塊儀表；
　　●所有無線儀表和無線RTU支持手操器調試，方便現(xiàn)場維護；
　　●無線RTU采集到的無線傳感器數(shù)據(jù)，通過CDMA 1X網絡上傳到監(jiān)控中心，并在本地存儲歷史數(shù)據(jù)，支持數(shù)據(jù)補傳功能；
　　●監(jiān)控中心搭建油氣水井數(shù)字化生產信息平臺，通過WEB方式發(fā)布井口實時數(shù)據(jù)；
　　2.2產品選型
　　在油田井口數(shù)字化建設中，相關產品選用了北京安控科技股份有限公司的采集和控制設備。這些設備均支持ZigBee技術。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。ZigBee技術是基于IEEE802.15.4物理層、MAC層和數(shù)據(jù)連接層上制定出的標準，具有高可靠、高性價比、低功耗的網絡應用規(guī)格。
　　北京安控科技股份有限公司（簡稱"安控科技"），是專業(yè)從事工業(yè)級RTU產品研發(fā)、生產、銷售和系統(tǒng)集成業(yè)務的高新技術企業(yè)，是行業(yè)領先的工業(yè)級RTU產品供應商和系統(tǒng)集成服務商，擁有完善的遠程控制終端（RTU）產品鏈，擁有完善的油氣田自動化和環(huán)保在線監(jiān)測專用產品。
　　2.2.1無線電量模塊

　　抽油機井、電潛泵井的數(shù)據(jù)采集設備，選用的是安控科技的SZ308無線電量模塊，可實現(xiàn)三相電壓、三相電流、有功功率、功率因數(shù)、有功電能等電參數(shù)采集，實現(xiàn)抽油機啟停狀態(tài)采集，實現(xiàn)抽油機的啟停控制，與SZ902N配合實現(xiàn)抽油機井電流圖、功率圖的采集。模塊具備6路AI、4路DI、4路DO通道。在通信接口方面，具備1個RS232接口、1個RS485接口，內置了高性能的ZigBee通信芯片，并配套提供2.4G高增益天線。
　　SZ308無線電量模塊采用先進的32位處理器，不僅能完成電參數(shù)的采集，還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、通訊聯(lián)網等功能；強大的通訊組網能力和卓越的環(huán)境指標特性，能夠適應各種惡劣工況環(huán)境。通過無線通訊協(xié)議與井口RTU進行數(shù)據(jù)通訊。
　　2.2.2無線功圖傳感器

　　抽油機井示功圖采集選用安控科技的SZ902N無線功圖傳感器，可自動測量抽油機井地面示功圖（沖程、沖次等），實現(xiàn)對有桿泵示功圖的采集。示功圖數(shù)據(jù)以ZigBee無線通信方式，傳輸?shù)骄跓o線RTU中。
　　SZ902N無線功圖傳感器，設備簡單，只有一個與傳統(tǒng)載荷傳感器相似的終端組成；安裝方便，與傳統(tǒng)的載荷傳感器安裝方法相同，但是免去了有線儀表電纜敷設的施工量，安裝簡化快捷；運行穩(wěn)定，使用電池供電，可消除外界電網干擾；安全防盜，示功儀與卡鎖一起上下運動，不易被人為破壞；技術先進，可設置多個頻點，避免同頻干擾；方法新穎，利用加速度傳感器獲取位移量；綠色產品，利用太陽能充電安全環(huán)保。通過無線通訊協(xié)議與井口RTU進行數(shù)據(jù)通訊。
　　2.2.3無線數(shù)字壓力表

　　井口油壓、套壓采集選用安控科技的SZ903D無線數(shù)字壓力表，實時監(jiān)測油壓、油套的壓力和注水井注水壓力。SZ903D無線數(shù)字壓力表，就地顯示配置液晶顯示器；采用防H2S腐蝕設計；適用于各種惡劣的使用環(huán)境；具有功能強、可靠性高、應用靈活、操作方便等特點。通過無線通訊協(xié)議與井口RTU進行數(shù)據(jù)通訊。
　　2.2.4無線扭矩傳感器
　　螺桿泵井口扭矩、負荷、轉速采集選用安控科技的SZ904無線扭矩傳感器，實時監(jiān)測螺桿泵井口扭矩、負荷、轉速。SZ904無線扭矩傳感器，采用防H2S腐蝕設計；適用于各種惡劣的使用環(huán)境；具有功能強、可靠性高、應用靈活、操作方便等特點。通過無線通訊協(xié)議與井口RTU進行數(shù)據(jù)通訊。
　　2.2.5無線數(shù)字溫度表

　　井口溫度采集選用安控科技的SZ905D無線數(shù)字溫度表，實時監(jiān)測井口油溫和注水井注水溫度。SZ905D無線數(shù)字溫度表，就地顯示配置液晶顯示器；采用防H2S腐蝕設計；適用于各種惡劣的使用環(huán)境；具有功能強、可靠性高、應用靈活、操作方便等特點。通過無線通訊協(xié)議與井口RTU進行數(shù)據(jù)通訊。
　　2.2.6無線RTU

　　井口無線RTU選用安控科技的SZ932無線網關產品。該設備具有1個ZigBee無線接口、1個RS485接口、1個RS232接口、1個TCP/IP網絡接口，因此可以廣泛用于以下場合：
　　（1） 接收SZ90X無線儀表的數(shù)據(jù)；
　?。?） 實現(xiàn)有線通信和無線通信之間的轉換；
　?。?） 實現(xiàn)第三方產品的協(xié)議轉換；
　?。?） 作為網關設備，將有線RS232/RS485或者無線通信轉換為網絡數(shù)據(jù)傳輸；
　　在油田井口數(shù)字化建設中，SZ932無線RTU可以通過ZigBee接口接收井口無線儀表的數(shù)據(jù)，并通過ZigBee或其他通信方式將井口數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控室。主要支持的通信方式為
　　1) GPRS/CDMA DTU通信
　　2) 無線網關通信
　　3) SCDMA大靈通通信
　　4) 數(shù)傳電臺通信
　　5) 有線RS485通信
　　2.3網絡通信設計
　　從系統(tǒng)結構圖可以看出，通信設計采取了ZigBee+CDMA 1X方式，達到實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、遠程控制等效果，并將相應數(shù)據(jù)傳輸至后臺網絡，實現(xiàn)后臺信息共享，信息管理等應用。
　　2.3.1  ZigBee無線應用部分
　　每個叢式井場，一般有3、4口井相對比較集中,采用短距離無線技術可以節(jié)省成本同時也降低了施工強度。無線技術采用的是ZigBee的無線網絡協(xié)議，ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)915MHZ(美國流行)3個頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-250m的范圍內，但可以繼續(xù)增加。
　　2.3.2  CDMA應用部分
　　井站是分散的，且與作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心的距離相對較遠。井口采集數(shù)據(jù)要統(tǒng)一傳送到中控室，采取了抗干擾能力強、傳輸距離遠的CDMA作為媒介，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性和穩(wěn)定性。
　　3．系統(tǒng)實現(xiàn)的功能
　　數(shù)據(jù)采集包括井口數(shù)據(jù)采集、作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心。
　　3.1井口數(shù)據(jù)采集部分
　　1) 功圖法量油
　　在井場，井場配套無線功圖傳感器SZ902N，實現(xiàn)油井功圖全天候采集。在作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心則安裝專門的示功圖量油診斷軟件，及時掌握油井產量情況和分析故障原因。
　　2）電流圖、功率圖采集
　　無線電量模塊與無線功圖傳感器配合，實現(xiàn)油井電流圖、功率圖全天候采集。在作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心則安裝專門的分析診斷軟件，及時掌握油井電機運行情況和分析故障原因。
　　3）電參采集、油井壓力、溫度采集
　　在抽油機控制箱配套無線電量模塊SZ308，監(jiān)測抽油機上下行過程中三相電流和三相電壓的變化情況；監(jiān)視抽油機運行狀態(tài)，對電機缺相、過載、空轉等故障實現(xiàn)自動報警，并能根據(jù)控制中心命令實現(xiàn)啟?？刂啤?br>　　在油井上安裝無線數(shù)字壓力表SZ903D，實時監(jiān)測油壓和套壓的變化。
　　在油井上安裝無線數(shù)字溫度表SZ905D，實時監(jiān)測井口出油溫度的變化。
　　3）螺桿泵井
　　在螺桿泵井井口安裝無線扭矩傳感器，實時采集光桿的扭矩、負荷、轉速。在作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心則安裝專門的螺桿泵量油診斷軟件，及時掌握螺桿泵井產品情況。
　　無線RTU  SZ932提供了標準的RS485接口，能夠與螺桿泵控制變頻進行通訊。采集變頻實時數(shù)據(jù)，了解三相電壓、三相電流、電功率、功率因數(shù)和電能等參數(shù)，并據(jù)此制定節(jié)能降耗措施。
　　4）電潛泵井
　　在電潛泵井控制箱內配套無線電量模塊SZ308，通過電流互感器對電泵井的三相電流進行實時監(jiān)控。
　　5）注水井
　　在注水井安裝無線數(shù)字壓力表SZ903D，實時監(jiān)測注水井壓力的變化。
　　3.3監(jiān)控中心部分
　　建立油氣水井數(shù)字化生產信息平臺，通過WEB方式實現(xiàn)流程監(jiān)控、功圖分析、生產曲線、報表生成、操作日志和報警等功能。有著信息完整、提高工作效率、正確掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢。提高了油田油井系統(tǒng)運行可靠性、安全性與經濟效益，減輕了調度員的負擔，實現(xiàn)了油田調度自動化與現(xiàn)代化，在提高調度人員的工作效率和操作水平方面有著不可替代的作用。
　　4．無線傳感器在油氣田數(shù)字化建設中的優(yōu)點、效益分析
　　與傳統(tǒng)的產品選型和系統(tǒng)設計相比，無線傳感器在油氣田數(shù)字化建設和使用中均顯示出了獨特的優(yōu)點：
　　4.1施工簡便、低成本，節(jié)省材料和人工
　　油田傳統(tǒng)的井站自動化系統(tǒng)的建設方式，以某油田原有的老區(qū)塊為例，采用的是模擬儀表和有線通信傳輸。模擬儀表傳輸和有線通信方式，在施工安裝過程中不可避免地需要敷設信號電纜、通信電纜（如RS485電纜），涉及到在井場挖溝和安裝電纜護管等。人工費用和材料費用造成施工成本高。
　　而在無線傳感器應用的系統(tǒng)中，這一部分的施工費用不存在了，信號傳輸和通信傳輸均簡化為無線通信的調試，施工成本被降到了最低。
　　4.2施工快捷，建設周期短，便于后期維護
　　由于新系統(tǒng)的建設省略了在井場動土挖溝、動火電焊等施工，因此施工速度提高了數(shù)倍。
　　以安控科技生產的無線功圖傳感器的安裝為例，傳統(tǒng)的信號電纜敷設和傳感器安裝需要至少半小時以上，而該傳感器減少了安裝抽油機光桿卡子和電纜敷設的時間，因此正常的安裝時間縮短到了10分鐘以內。
　　井場內自動化設備的安裝施工中，都需要對油井停機停電，而停機就意味著油井減產。因此從這個意義而言，施工速度的提高就等于是生產效益的提高。
　　在系統(tǒng)的后期維護方面，某油田老區(qū)塊原有的信號和通信電纜，在修井作業(yè)中經常被重型車輛軋斷和遭到人為破壞。而無線傳感器則免除了這一問題。
　　4.3適合于規(guī)模施工，全面建設數(shù)字化油田
　　隨著電子技術、計算機技術的進步，特別是國產設備的推陳出新，油田專用的RTU、PLC產品的采購成本已經逐漸降低；而無線技術的應用，則帶來了施工費用的大大降低。
　　僅僅在數(shù)年以前，油田數(shù)字化建設的投資還只能針對重點區(qū)塊、建設重點工程。而目前最新的技術和產品，則為全面建設數(shù)字化油田創(chuàng)造了條件。