［編輯簡介］： 地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)油氣井測試作業(yè)中各流程管線壓力、溫度、流量、各種液體排出量等參數(shù)自動采集，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)計算天然氣日產(chǎn)量、天然氣無阻流量、流動壓力、地層壓力等參數(shù)，采集及計算結(jié)果提供數(shù)據(jù)列表和曲線等多種顯示方式、并提供信號突變、越限聲光報警、記錄存儲、可定制的報表曲線打印等功能。
一、方案的提出
1.1．方案背景
- 施工過程及環(huán)境具有突發(fā)性，存在安全隱患。
- 施工決策指揮對數(shù)據(jù)及現(xiàn)場狀況提出更高的實(shí)時性要求。
- 數(shù)據(jù)分析及管理的自動化、信息化要求。
1.2．方案效益
- 有利于現(xiàn)場作業(yè)人員安全。通過將所有的施工數(shù)據(jù)及現(xiàn)場視頻集中到數(shù)據(jù)房，可以避免現(xiàn)場作業(yè)人員頻繁出入施工區(qū)域，使得作業(yè)人員更安全；
- 有利于施工安全。可以實(shí)時觀測壓力并及時發(fā)現(xiàn)壓力突變，以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，有利于防范事故和時間處理事故，保障整個測試施工安全。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，適應(yīng)惡劣施工現(xiàn)場環(huán)境；
- 有利于數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。由于采用自動化采集，可以避免一些人為的記錄失誤，為后續(xù)的油氣藏分析提高準(zhǔn)確的參數(shù)依據(jù)。
- 有利于指揮決策。將數(shù)據(jù)采集和實(shí)時數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，可以及時觀測壓力歷史變化和進(jìn)行產(chǎn)量預(yù)測，有利于現(xiàn)場作業(yè)人員和管理人員快速判斷地層情況，優(yōu)化放噴方式，合理調(diào)整測試工作制度。
- 有利于操作使用。采用成熟的無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)以及友好的人機(jī)接口界面，安裝部署、操作使用、系統(tǒng)維護(hù)方便快捷。
二、地面數(shù)據(jù)采集
2.1．系統(tǒng)概述
地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)油氣井測試作業(yè)中各流程管線壓力、溫度、流量、各種液體排出量等參數(shù)自動采集，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)計算天然氣日產(chǎn)量、天然氣無阻流量、流動壓力、地層壓力等參數(shù)，為油氣井測試施工結(jié)果提供理論依據(jù)，采集及計算結(jié)果提供數(shù)據(jù)列表和曲線等多種顯示方式、并提供信號突變、越限聲光報警、記錄存儲、可定制的報表曲線打印等功能。
系統(tǒng)同時提供現(xiàn)場環(huán)境硫化氫含量、可燃?xì)怏w含量的實(shí)時分析采集的功能擴(kuò)展，提供硫化氫、可燃?xì)怏w含量越限聲光報警功能，為施工安全、現(xiàn)場人員安全提供可靠保證。
系統(tǒng)采用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，避免繁瑣的安裝部署、系統(tǒng)維護(hù)工作量，同時有效解決了有線連接帶來的各種故障隱患。
2.2．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖一、地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
2.3．技術(shù)
系統(tǒng)采用、成熟的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及創(chuàng)的專業(yè)油氣井測試流程組態(tài)技術(shù)，為系統(tǒng)高效率、高可靠運(yùn)行提供保障。
2.3.1．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
采用的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，超低功耗電路設(shè)計，在提供系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性、可擴(kuò)展性的同時，極大的提供了系統(tǒng)安裝部署及運(yùn)行維護(hù)的工作量，方便用戶使用。從而有效的解決了傳統(tǒng)的有線連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的各種弊端，并具有更優(yōu)良的性能。
技術(shù)特點(diǎn)如下：
- 采用成熟的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，避免現(xiàn)場繁瑣的信號線纜連接，減少因信號電纜帶來的龐大工作量以及由此而產(chǎn)生的各種故障隱患；
- 提供擴(kuò)展型無線壓力傳感器擴(kuò)展一路溫度傳感器輸入接口，提供管線相同位置的壓力、溫度信號檢測，的減少系統(tǒng)投資費(fèi)用；
- 傳感器具備防爆、防硫、防水、防塵等性能，滿足各種惡劣的現(xiàn)場施工環(huán)境要求；
- 實(shí)現(xiàn)任意環(huán)境、任意施工規(guī)模的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)覆蓋，滿足任意施工井場施工數(shù)據(jù)監(jiān)控要求；
- 傳感器終端超低功耗設(shè)計，所有無線傳感器設(shè)備內(nèi)置可充電大容量鋰電池組，滿足任意長時間施工的連續(xù)無間斷監(jiān)控要求，系統(tǒng)采集間隔以秒為單位設(shè)置，采樣間隔為5秒時終端連續(xù)工作時間不小于15個工作日。
2.3.2．施工流程組態(tài)技術(shù)
創(chuàng)專業(yè)針對油氣測試施工流程的組態(tài)軟件技術(shù)，采用所見即所得的方式進(jìn)行界面及測點(diǎn)布局，操作顯示友好直觀，自動識別測試放噴管線并以醒目的標(biāo)示顯示。技術(shù)特點(diǎn)如下：
- 與油氣井測試施工作業(yè)緊密結(jié)合的專業(yè)軟件；
- 靈活的圖形組態(tài)技術(shù)，適應(yīng)任意施工流程規(guī)模的數(shù)據(jù)監(jiān)控；
- 數(shù)據(jù)突變、數(shù)據(jù)越限聲光報警，記錄報警日志，提供報警事件事后查詢；
- 放噴管線關(guān)聯(lián)自動識別，醒目顯示，人機(jī)界面友好直觀；
- 傳感器電池電量檢測報警提示，提示操作人員進(jìn)行電池更換。
圖2、系統(tǒng)流程組臺及運(yùn)行示意圖
2.4．井場巡視功能
為加強(qiáng)井場巡視管理，系統(tǒng)集成了巡更功能。根據(jù)長期的系統(tǒng)使用經(jīng)驗(yàn)，一般壓力傳感器安裝點(diǎn)均為井場巡視時關(guān)注的地方，為方便系統(tǒng)安裝部署、操作使用以及信息點(diǎn)名稱匹配，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)巡更功能時將巡更信息點(diǎn)與壓力變送器終端集成（其他終端如硫化氫監(jiān)測終端、天然氣監(jiān)測終端可選配集成），并提供巡更數(shù)據(jù)通過信號變送器終端的無線上傳監(jiān)控主機(jī)
- 巡更功能以功能模塊的形式，集成在變送器終端內(nèi)部，可根據(jù)需要進(jìn)行選配；
- 巡更數(shù)據(jù)記錄巡視時間、巡視自檢表、巡視點(diǎn)、巡視點(diǎn)狀態(tài)、異常狀況下的整改措施、巡視點(diǎn)圖片數(shù)據(jù)等；
- 對發(fā)生異常情況巡視點(diǎn)，要求通過相機(jī)獲取異常狀況照片，采集系統(tǒng)在記錄巡更數(shù)據(jù)時提供照片數(shù)據(jù)的導(dǎo)入功能；
2.5．無線遠(yuǎn)傳功能
系統(tǒng)可配套選擇無線遠(yuǎn)程傳輸功能，如果選擇無線遠(yuǎn)程傳輸功能，系統(tǒng)將集成GPRS/CDMA無線遠(yuǎn)程傳輸模塊，為方便運(yùn)輸及攜帶，無線遠(yuǎn)程傳輸模塊將集成在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器中，以USB/RS232與采集主機(jī)接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。
- 通信服務(wù)器內(nèi)集成GPRS、CDMA無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，系統(tǒng)能自動識別現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)信號在并GPRS、CDMA之間切換，確保遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)連接；
- 系統(tǒng)提供IP地址方式以及域名方式按指定端口實(shí)現(xiàn)TCP/IP遠(yuǎn)程連接；
- 數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容包括系統(tǒng)實(shí)時采集數(shù)據(jù)、巡更管理信息等內(nèi)容；
- 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按照《油氣井施工作業(yè)遠(yuǎn)程傳輸通信約定》進(jìn)行握手通信。
2.6．防爆及抗干擾
2.6.1．防爆處理
在石油、化工等過程測量與自動化控制系統(tǒng)中，可能出現(xiàn)潛在的爆炸性環(huán)境，在實(shí)踐應(yīng)用中設(shè)計人員必須對系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)備及其相關(guān)設(shè)備采取相應(yīng)的防爆措施。
系統(tǒng)現(xiàn)場所有傳感器終端均采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，傳感器之間、傳感器與監(jiān)控中心設(shè)備之間不存在任何形式的線纜聯(lián)接?；诖耍F(xiàn)場設(shè)備的防爆處理采用隔爆方式實(shí)現(xiàn)。傳感器電路采用電池供電的超低功耗設(shè)計，電路內(nèi)部有效的避免了大電流高功率發(fā)熱現(xiàn)象。傳感器終端采用具備不低于Exd ⅡBT4防爆等級的防爆外殼全密封封裝，從而達(dá)到現(xiàn)場設(shè)備防爆之目的。
2.6.2．無線防爆
無線電波無處不在，作為無線電波本身是不會成為爆炸環(huán)境中的爆炸源，往往無線接收設(shè)備由于內(nèi)部電路的老化、電路連接、電池接觸不可靠，當(dāng)工作電流達(dá)到一定程度時，產(chǎn)生火花，成為爆炸源。
國家規(guī)定在潛在爆炸環(huán)境如加油站無線設(shè)備的禁用是以２０瓦特功率為標(biāo)準(zhǔn)制定，且主要是針對手機(jī)等具有按鍵操作而容易產(chǎn)生電子摩擦的電子設(shè)備。
方案中的系統(tǒng)傳感器終端電路低功耗設(shè)計，同時提供任何線路短路故障保護(hù)功能，排出電路產(chǎn)生火花的可能。同時，傳感器外殼防爆等級的全密封封裝，進(jìn)一步保障了設(shè)備的防爆性能。在安裝及測試過程中，現(xiàn)場設(shè)備無任何的電子機(jī)械動作或操作，與其他設(shè)備無任何電纜連接，從而排除設(shè)備操作原因引發(fā)爆炸的可能。
如果現(xiàn)場空氣過分干燥，容易在設(shè)備外殼形成靜電積累引發(fā)靜電火花，這種現(xiàn)象在任何連接方式的現(xiàn)場設(shè)備中都可能存在，這就需要設(shè)備在安裝部署時有良好的接地，使得外殼靜電得以有效釋放，我們提供的所有傳感器均有專門的接地連接端子，在懸空的連接管線情況下，方便設(shè)備接地。同時，由于全金屬的殼體與測試管線連接，外殼積累的靜電通過各放噴管線接地也能有效靜電釋放。
2.6.3．無線抗干擾
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用2.4G頻段工作，與現(xiàn)場其他無線電器設(shè)備（如對講機(jī)）的通用工作頻段不會形成相互干擾，同時，傳感器網(wǎng)絡(luò)建立時，會自動對所處環(huán)境網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行分析，選擇的信號傳輸通道（最多提供12個通道選擇）建立傳輸網(wǎng)絡(luò)連接。
同時在軟件的處理上，我們提供有效的數(shù)據(jù)校驗(yàn)重發(fā)機(jī)制，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確。數(shù)據(jù)采集頻率以秒為單位進(jìn)行設(shè)置，有效保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備性以及實(shí)時性。
三．性能對比
比較項(xiàng)目 | CCWL-DMS | 其他數(shù)采系統(tǒng) |
運(yùn)輸便攜性 | 體積精簡小巧、攜帶方便 | 設(shè)備、配件多，攜帶運(yùn)輸繁重 |
使用方便性 | 無線連接，安裝部署方便快捷 | 有線連接，安裝部署工作量大 |
維護(hù)方便性 | 設(shè)備獨(dú)立，維護(hù)方便 | 設(shè)備關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，維護(hù)工作量大 |
運(yùn)行穩(wěn)定性 | 避免線纜連接帶來的各種不穩(wěn)定因素 | 信號連接是現(xiàn)場環(huán)境重要的不穩(wěn)定因素 |
測量準(zhǔn)確性 | 測量精度高 | 測量精度高 |
系統(tǒng)擴(kuò)展性 | 系統(tǒng)配置靈活，擴(kuò)展性能強(qiáng) | 設(shè)備連接固定，擴(kuò)展性能較差 |
系統(tǒng)性價比 | 高 | 較高 |
四．系統(tǒng)配置
4.1．用戶需求
針對完井測試管理中心對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出的配置要求，信號測點(diǎn)、測量范圍、精度要求統(tǒng)計如下：
序號 | 參數(shù)名稱 | 量程范圍 | 精度 | 誤差 | 數(shù)量 |
1 | 套管壓力 | 0-70MPa | 0.01MPa | 0.1MPa | 1 |
2 | 油管壓力 | 0-105MPa | 0.01MPa | 0.1MPa | 1 |
3 | 井口溫度 | -35~100℃ | 0.1℃ | 1℃ | 1 |
4 | 回壓 | 0-70MPa | 0.01MPa | 0.1MPa | 1 |
5 | 回壓溫度 | -35~100℃ | 0.1℃ | 1℃ | 1 |
6 | 分離器壓力 | 0-16MPa | 0.01MPa | 0.05MPa | 1 |
7 | 分離器溫度 | -35~100℃ | 0.1℃ | 1℃ | 1 |
8 | 氣體流量 | 0-50萬方/天 | 1方 | 50方 | 1 |
9 | 硫化氫含量 | 0-100ppm | 1ppm | ±3%F.S. | 2 |
10 | 天然氣含量 | 0-99%LEL | 1%LEL | ±3%F.S. | 2 |
4.2．配置說明
- 根據(jù)用戶需求由于所測壓力及溫度均成對出現(xiàn)，因而推薦采用具備溫度擴(kuò)展接口的無線智能壓力變送器終端，由智能終端擴(kuò)展溫度采集，從而降低系統(tǒng)投資成本，其中溫度測量部分采用PT100傳感器方式，測量精度高、測量范圍廣、無需冷端溫度補(bǔ)償。
- 氣體流量的采集通過采集臨界速度流量計上下游參數(shù)進(jìn)行計算，采集參數(shù)包括上流壓力、下流壓力、上流溫度并根據(jù)用戶提供的求產(chǎn)公式在軟件中實(shí)現(xiàn)，由于臨界速度流量計上下游壓力范圍小，為保證測量精準(zhǔn)，建議采用低量程壓力傳感器（推薦采用采用15MPa）。
- 系統(tǒng)采用壓力傳感器為藍(lán)寶石壓力傳感器，具有的介質(zhì)溫度適應(yīng)范圍以及嚴(yán)格的全程線性，為保證現(xiàn)場傳感器的使用不混亂，除臨界速度流量計上下游壓力外推薦所有無線智能壓力變送器采用統(tǒng)一的量程（0-105MPa）、溫度傳感器量程（-50℃-200℃），系統(tǒng)保證各量程段的測量準(zhǔn)確，同時方便現(xiàn)場安裝使用。
4.3．配置清單
根據(jù)完井測試管理中心對系統(tǒng)提出的要求，方案中我們提出的基礎(chǔ)設(shè)備配置清單如下：
序號 | 設(shè)備名稱 | 規(guī)格型號 | 單位 | 數(shù)量 | 備注 |
1 | 數(shù)據(jù)監(jiān)控主機(jī) | DCL-D05-V12-I | 臺 | 1 | |
2 | 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器 | CCWL-DMS-TII-CS | 臺 | 1 | 標(biāo)準(zhǔn)配置 |
3 | 服務(wù)器連接轉(zhuǎn)換器 | UPROT 1110 | 套 | 1 | 標(biāo)準(zhǔn)配置 |
3 | 無線智能壓力變送器（帶溫度擴(kuò)展接口）量程：105MPa | LBWDS-T-PT105 | 只 | 4 | 標(biāo)準(zhǔn)配置，數(shù)量可選 |
4 | 無線智能壓力變送器（帶溫度擴(kuò)展接口）量程：15MPa | LBWDS-T-PT015 | 只 | 2 | 標(biāo)準(zhǔn)配置，臨界速度流量計上流、下流壓力 |
5 | 無線智能硫化氫監(jiān)測儀 | LBWDS-HS-100 | 只 | 2 | 井場硫化氫含量監(jiān)測 |
6 | 可燃?xì)獗O(jiān)測儀 | LBLDS-CH-100 | 只 | 2 | 井場可燃?xì)怏w含量監(jiān)測 |
4 | PT100鉑電阻溫度傳感器 | JWB/P238-PT100 | 只 | 4 | 標(biāo)準(zhǔn)配置，數(shù)量可選其中1只為臨界速度流量計溫度 |
5 | 傳感器專用鋰電池 | LC 4.2V1000Mah | 只 | 12 | 標(biāo)準(zhǔn)配置，數(shù)量可調(diào) |
6 | 專用傳感器電池充電器 | DGW-D00-A20-I | 臺 | 1 | （可同時對6只電池進(jìn)行充電）標(biāo)準(zhǔn)配置 |
7 | Zigbee高增益全向天線 | DHW-005-A12-I | 支 | 1 | 標(biāo)準(zhǔn)配置 |
8 | 油氣井測試數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件 | CCWL-DMS-TSIII | 套 | 1 | 標(biāo)準(zhǔn)配置，1許可協(xié)議 |
4.4．基礎(chǔ)設(shè)備主要性能參數(shù)
4.4.1．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器
- 產(chǎn)品型號：CCWL-DMS-TII-CS
- 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)：Zigbee、802.15.4兼容
- 工作頻率：2.4~2.4835GHz
- 發(fā)射功率：500mW（視距≥500米井場范圍覆蓋）
- 接收靈敏度：-97dBm
- 數(shù)據(jù)端口：1個RS-232、1個USB，可同時連接
- 傳輸速率：19200 BPS
- 接入終端：≥40 單元
- 指示燈：電源、網(wǎng)絡(luò)、報警
- 工作電源：AC220V、5W
- 工作溫度：-20℃ ~ 70 ℃
- 工作濕度：95%RH以內(nèi)
- 尺寸重量：310mm x 200mm x 90mm，6.5Kg
- 內(nèi)置電池：12VDC 14400mAH
4.4.2．無線智能壓力變送器
- 產(chǎn)品型號：LBWDS-T-PT
- 擴(kuò)展接口：1個溫度傳感器接口
- 無線標(biāo)準(zhǔn)：Zigbee、802.15.4兼容
- 工作頻率：2.4~2.4835GHz
- 發(fā)射功率：+19dBm
- 接收靈敏度：-97dBm
- 壓力范圍：0-105MPa、0-15MPa
- 介質(zhì)溫度：-50~150℃
- 環(huán)境溫度：-40℃~85℃
- 相對濕度：≤95%Ｒ.Ｈ. （無冷凝）
- 準(zhǔn)確度：±0.25%FS（包括非線性重復(fù)性遲滯性在內(nèi)的綜合誤差）
- 安全過載：150%FS
- 極限過載：200%FS
- 響應(yīng)時間：5 mS(上升到90%FS)
- 穩(wěn)定性：≤±0.2%FS/年
- 電池容量：4.2V 1000mAH
- 防爆等級：ExdⅡBT4
- 防護(hù)等級：IP65
- 安裝方式：M20螺紋（可定制）
4.4.3．鉑電阻溫度傳感器
- 產(chǎn)品型號：JWB/P238-PT100
- 測量范圍：-50℃~200℃
- 準(zhǔn)確度：0.25%F.S.
- 環(huán)境溫度：-40℃~85℃
- 相對濕度：≤95%Ｒ.Ｈ. （無冷凝）
- 防護(hù)等級：IP65
- 安裝方式：M14螺紋（可定制）
4.4.4．無線網(wǎng)絡(luò)延伸器
- 產(chǎn)品型號：DEW-D05-000-I
- 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)：Zigbee、802.15.4兼容
- 工作頻率：2.4~2.4835GHz
- 擴(kuò)展角度、距離：360°視距400米，
- 擴(kuò)展終端：≥40 單元
- 電池容量：4.2V 14400mAH
- 工作溫度：-40℃ ~ 85 ℃
- 工作濕度：95%RH以內(nèi)
五、系統(tǒng)特點(diǎn)
- 便攜性能，所有設(shè)備存放于專門定制的儀器儀表箱內(nèi)，方便運(yùn)輸攜帶；
- 系統(tǒng)功能*，滿足數(shù)據(jù)監(jiān)測、生產(chǎn)管理的各項(xiàng)要求；
- 采用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，載波頻率2.4G Hz，自動搜索信號質(zhì)量通信信道組網(wǎng)，有效避免井場無線設(shè)備的相互干擾（如400MHz對講機(jī)）；
- 無限制的網(wǎng)絡(luò)覆蓋擴(kuò)展技術(shù)，滿足井場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋，確保井場無網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)；
- 壓力傳感器終端提供溫度擴(kuò)展輸入接口，減少系統(tǒng)設(shè)備投入，降低系統(tǒng)投資費(fèi)用，同時方便系統(tǒng)現(xiàn)場安裝部署；
- 自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件開發(fā)，系統(tǒng)功能擴(kuò)展方便快捷；
- 專業(yè)的油氣井測試施工流程組態(tài)技術(shù)，系統(tǒng)適應(yīng)任何規(guī)模井場測試施工要求，界面顯示友好直觀；
- 信號曲線的任意放大及移動，為異常數(shù)據(jù)分析提供有效手段；
- 提供遠(yuǎn)程傳輸監(jiān)控擴(kuò)展、移動監(jiān)控擴(kuò)展，為施工安全、遠(yuǎn)程決策提供有效手段。
六、現(xiàn)場應(yīng)用圖片
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