前言
井口數(shù)字化建設(shè)是油田地面工程數(shù)字化建設(shè)最底層,、范圍最廣,、最關(guān)鍵的現(xiàn)場(chǎng)部分，主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)井口,、站點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和控制,。包括：抽油機(jī)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(shè)中,，使用無線傳感器可以減少建設(shè)周期,、維護(hù)方便，適合于規(guī)模施工,，全面建設(shè)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(yīng)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(chǎn)、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(dá)木盆地,。石油資源量達(dá)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(jīng)建立了井網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng),，典型系統(tǒng)如尕斯區(qū)塊,、躍進(jìn)區(qū)塊、七個(gè)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(duì)于整個(gè)油田而言,，仍有一半以上的井口,、站點(diǎn)尚未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)控；另一方面,，隨著電子技術(shù),、通信技術(shù)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(chǎn)品和技術(shù)已經(jīng)逐漸失去了先進(jìn)性,，在使用維護(hù)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(xiàng)目,，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的抽油機(jī)油井,、螺桿泵油井、電潛泵油井,、注水井的數(shù)字化建設(shè),。最終要在2011年底建立起覆蓋整個(gè)油田的、技術(shù)先進(jìn),、質(zhì)量可靠,、便于使用維護(hù)的基于物聯(lián)網(wǎng)的油田數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化油田的建設(shè)目標(biāo),。
在實(shí)時(shí)監(jiān)控方面,，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井的遠(yuǎn)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(yuǎn)程啟停控制,；在生產(chǎn)管理方面,，通過抽油機(jī)示功圖對(duì)油井工況進(jìn)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(jì)產(chǎn)分析制定油井管理措施,；在生產(chǎn)信息方面，在鉆采院室設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和WEB發(fā)布服務(wù)器,，實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)信息在油田范圍內(nèi)的信息共享,。
1.1數(shù)字化油田項(xiàng)目
既包括新建區(qū)塊（對(duì)原來沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的區(qū)塊進(jìn)行自動(dòng)化建設(shè)），也包括老區(qū)塊改造（對(duì)已有自動(dòng)化的區(qū)進(jìn)行改造和完善）。其中新建區(qū)塊的抽油機(jī)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(gè)采油廠12個(gè)區(qū)塊。
各種井口要實(shí)現(xiàn)的功能如下：
2.數(shù)字化油田的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品選型
井口數(shù)字化建設(shè)主要由井口控制終端(RTU),、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)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(cè)儀表,、如何選用可靠的通訊方式進(jìn)行井口數(shù)據(jù)通訊以及如何使數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確及時(shí)的傳輸?shù)街锌厥?，都決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)用性和可靠性,。
在2011年的新系統(tǒng)建設(shè)和老區(qū)塊改造項(xiàng)目中,，盡管各種油水井的功能同以前建設(shè)的已有系統(tǒng)類似，但是在井站系統(tǒng)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品,、技術(shù)選型方面,，卻發(fā)生了本質(zhì)的變化。
在產(chǎn)品選型方面,，選用北京安控科技股份有限公司最新生產(chǎn)的高性能一體化無線RTU產(chǎn)品和無線傳感器,，安控產(chǎn)品既保留了其傳統(tǒng)的高性能、高可靠性等特點(diǎn),，同時(shí)又全面支持最新的ZigBee無線技術(shù),。對(duì)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(jìn)行改造,，擴(kuò)充出無線通信接口,。
在井站系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)方面，井口儀表與井口RTU之間采用先進(jìn)的ZigBee無線技術(shù),，具備大容量,、低功耗、高可靠性,、高安全性的優(yōu)點(diǎn),，代表了短距離無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，并由此帶來施工簡(jiǎn)化,、調(diào)試維護(hù)簡(jiǎn)單、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn),。井口RTU與上級(jí)監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)通信,，則采用了CDMA通信網(wǎng)絡(luò)。
2.1井站自動(dòng)化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
在高標(biāo)準(zhǔn),、高性能,、高穩(wěn)定性的原則指導(dǎo)下,，青海油田數(shù)字化油田系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示，包括數(shù)據(jù)采集部分,、網(wǎng)絡(luò)通訊部分和采集驅(qū)動(dòng)WEB發(fā)布三大部分
●每個(gè)井口通過無線傳感器采集所需數(shù)據(jù),；
●充分利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，一個(gè)平臺(tái)井口的所有無線儀表接入到同一個(gè)無線RTU,，組成Mesh網(wǎng)絡(luò),，提高通訊可靠性；每個(gè)RTU可以帶64塊儀表,；
●所有無線儀表和無線RTU支持手操器調(diào)試,，方便現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)；
●無線RTU采集到的無線傳感器數(shù)據(jù),，通過CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控中心,，并在本地存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)補(bǔ)傳功能,；
●監(jiān)控中心搭建油氣水井?dāng)?shù)字化生產(chǎn)信息平臺(tái),，通過WEB方式發(fā)布井口實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；
2.2產(chǎn)品選型
在油田井口數(shù)字化建設(shè)中,，相關(guān)產(chǎn)品選用了北京安控科技股份有限公司的采集和控制設(shè)備,。這些設(shè)備均支持ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種近距離,、低復(fù)雜度,、低功耗、低速率,、低成本的雙向無線通訊技術(shù),。ZigBee技術(shù)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(biāo)準(zhǔn),，具有高可靠,、高性價(jià)比、低功耗的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用規(guī)格,。
北京安控科技股份有限公司（簡(jiǎn)稱"安控科技"）,，是專業(yè)從事工業(yè)級(jí)RTU產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn),、銷售和系統(tǒng)集成業(yè)務(wù)的高新技術(shù)企業(yè),，是行業(yè)領(lǐng)先的工業(yè)級(jí)RTU產(chǎn)品供應(yīng)商和系統(tǒng)集成服務(wù)商，擁有完善的遠(yuǎn)程控制終端（RTU）產(chǎn)品鏈,，擁有完善的油氣田自動(dòng)化和環(huán)保在線監(jiān)測(cè)專用產(chǎn)品,。
2.2.1無線電量模塊
抽油機(jī)井、電潛泵井的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，選用的是安控科技的SZ308無線電量模塊,，可實(shí)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(shí)現(xiàn)抽油機(jī)啟停狀態(tài)采集,，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的啟?？刂疲cSZ902N配合實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)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(gè)RS232接口,、1個(gè)RS485接口,，內(nèi)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(jìn)的32位處理器,，不僅能完成電參數(shù)的采集，還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理,、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能,；強(qiáng)大的通訊組網(wǎng)能力和卓越的環(huán)境指標(biāo)特性，能夠適應(yīng)各種惡劣工況環(huán)境,。通過無線通訊協(xié)議與井口RTU進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,。
2.2.2無線功圖傳感器
抽油機(jī)井示功圖采集選用安控科技的SZ902N無線功圖傳感器，可自動(dòng)測(cè)量抽油機(jī)井地面示功圖（沖程,、沖次等）,，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)備簡(jiǎn)單,，只有一個(gè)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(shè)的施工量,，安裝簡(jiǎn)化快捷,；運(yùn)行穩(wěn)定，使用電池供電,，可消除外界電網(wǎng)干擾；安全防盜,，示功儀與卡鎖一起上下運(yùn)動(dòng),，不易被人為破壞；技術(shù)先進(jìn),，可設(shè)置多個(gè)頻點(diǎn),，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(chǎn)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(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)；適用于各種惡劣的使用環(huán)境,；具有功能強(qiáng),、可靠性高、應(yīng)用靈活,、操作方便等特點(diǎn),。通過無線通訊協(xié)議與井口RTU進(jìn)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(fù)荷,、轉(zhuǎn)速采集選用安控科技的SZ904無線扭矩傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)螺桿泵井口扭矩,、負(fù)荷,、轉(zhuǎn)速。SZ904無線扭矩傳感器,，采用防H2S腐蝕設(shè)計(jì),；適用于各種惡劣的使用環(huán)境；具有功能強(qiáng),、可靠性高,、應(yīng)用靈活,、操作方便等特點(diǎn)。通過無線通訊協(xié)議與井口RTU進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)；適用于各種惡劣的使用環(huán)境,；具有功能強(qiáng),、可靠性高、應(yīng)用靈活,、操作方便等特點(diǎn),。通過無線通訊協(xié)議與井口RTU進(jìn)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(wǎng)關(guān)產(chǎn)品,。該設(shè)備具有1個(gè)ZigBee無線接口,、1個(gè)RS485接口、1個(gè)RS232接口,、1個(gè)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口,，因此可以廣泛用于以下場(chǎng)合：
（1） 接收SZ90X無線儀表的數(shù)據(jù),；
?。?） 實(shí)現(xiàn)有線通信和無線通信之間的轉(zhuǎn)換；
?。?） 實(shí)現(xiàn)第三方產(chǎn)品的協(xié)議轉(zhuǎn)換,；
（4） 作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備,，將有線RS232/RS485或者無線通信轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸,；
在油田井口數(shù)字化建設(shè)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(wǎng)關(guān)通信
3) SCDMA大靈通通信
4) 數(shù)傳電臺(tái)通信
5) 有線RS485通信
2.3網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)
從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看出，通信設(shè)計(jì)采取了ZigBee+CDMA 1X方式,，達(dá)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,、傳輸、遠(yuǎn)程控制等效果,，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)網(wǎng)絡(luò),，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)信息共享，信息管理等應(yīng)用,。
2.3.1 ZigBee無線應(yīng)用部分
每個(gè)叢式井場(chǎng),，一般有3,、4口井相對(duì)比較集中,采用短距離無線技術(shù)可以節(jié)省成本同時(shí)也降低了施工強(qiáng)度。無線技術(shù)采用的是ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)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(guó)流行)3個(gè)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(nèi),，但可以繼續(xù)增加。
2.3.2 CDMA應(yīng)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(duì)較遠(yuǎn),。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(qiáng),、傳輸距離遠(yuǎn)的CDMA作為媒介,，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性和穩(wěn)定性,。
3．系統(tǒng)實(shí)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(chǎng),，井場(chǎng)配套無線功圖傳感器SZ902N,，實(shí)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(shí)掌握油井產(chǎn)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(shí)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(shí)掌握油井電機(jī)運(yùn)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(jī)控制箱配套無線電量模塊SZ308,，監(jiān)測(cè)抽油機(jī)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(jī)運(yùn)行狀態(tài),，對(duì)電機(jī)缺相,、過載、空轉(zhuǎn)等故障實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警,，并能根據(jù)控制中心命令實(shí)現(xiàn)啟?？刂?。
在油井上安裝無線數(shù)字壓力表SZ903D，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油壓和套壓的變化,。
在油井上安裝無線數(shù)字溫度表SZ905D,，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)采集光桿的扭矩,、負(fù)荷、轉(zhuǎn)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(shí)掌握螺桿泵井產(chǎn)品情況。
無線RTU SZ932提供了標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口,，能夠與螺桿泵控制變頻進(jìn)行通訊,。采集變頻實(shí)時(shí)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(nèi)配套無線電量模塊SZ308，通過電流互感器對(duì)電泵井的三相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,。
5）注水井
在注水井安裝無線數(shù)字壓力表SZ903D,，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注水井壓力的變化。
3.3監(jiān)控中心部分
建立油氣水井?dāng)?shù)字化生產(chǎn)信息平臺(tái),，通過WEB方式實(shí)現(xiàn)流程監(jiān)控,、功圖分析、生產(chǎn)曲線,、報(bào)表生成,、操作日志和報(bào)警等功能。有著信息完整,、提高工作效率,、正確掌握系統(tǒng)運(yùn)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(shì),。提高了油田油井系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)效益,，減輕了調(diào)度員的負(fù)擔(dān),，實(shí)現(xiàn)了油田調(diào)度自動(dòng)化與現(xiàn)代化，在提高調(diào)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(shè)中的優(yōu)點(diǎn),、效益分析
與傳統(tǒng)的產(chǎn)品選型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比,，無線傳感器在油氣田數(shù)字化建設(shè)和使用中均顯示出了獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：
4.1施工簡(jiǎn)便、低成本,，節(jié)省材料和人工
油田傳統(tǒng)的井站自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)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(shè)信號(hào)電纜、通信電纜（如RS485電纜）,，涉及到在井場(chǎng)挖溝和安裝電纜護(hù)管等,。人工費(fèi)用和材料費(fèi)用造成施工成本高。
而在無線傳感器應(yīng)用的系統(tǒng)中,，這一部分的施工費(fèi)用不存在了,，信號(hào)傳輸和通信傳輸均簡(jiǎn)化為無線通信的調(diào)試，施工成本被降到了最低,。
4.2施工快捷，建設(shè)周期短,，便于后期維護(hù)
由于新系統(tǒng)的建設(shè)省略了在井場(chǎng)動(dòng)土挖溝,、動(dòng)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(chǎn)的無線功圖傳感器的安裝為例,，傳統(tǒng)的信號(hào)電纜敷設(shè)和傳感器安裝需要至少半小時(shí)以上，而該傳感器減少了安裝抽油機(jī)光桿卡子和電纜敷設(shè)的時(shí)間,，因此正常的安裝時(shí)間縮短到了10分鐘以內(nèi),。
井場(chǎng)內(nèi)自動(dòng)化設(shè)備的安裝施工中，都需要對(duì)油井停機(jī)停電,，而停機(jī)就意味著油井減產(chǎn),。因此從這個(gè)意義而言，施工速度的提高就等于是生產(chǎn)效益的提高,。
在系統(tǒng)的后期維護(hù)方面,，某油田老區(qū)塊原有的信號(hào)和通信電纜，在修井作業(yè)中經(jīng)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(shè)數(shù)字化油田
隨著電子技術(shù),、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,，特別是國(guó)產(chǎn)設(shè)備的推陳出新，油田專用的RTU,、PLC產(chǎn)品的采購(gòu)成本已經(jīng)逐漸降低,；而無線技術(shù)的應(yīng)用,，則帶來了施工費(fèi)用的大大降低。
僅僅在數(shù)年以前,，油田數(shù)字化建設(shè)的投資還只能針對(duì)重點(diǎn)區(qū)塊,、建設(shè)重點(diǎn)工程。而目前最新的技術(shù)和產(chǎn)品,，則為全面建設(shè)數(shù)字化油田創(chuàng)造了條件,。