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系统需求

随着国内油田的发展及工业自动化水平的提高，一种服务于油田采油的新技术展现在人们眼前，那就是利用现代通信技术所开发的GPRS无线通讯模块和现代计算机所组成的系统对采油设备、采油数据的远距离监控与采集。

油田的一个采油场由多口油井、计量间、管汇阀组，转油站，联合站、原油外输系统、油罐以及油田的其它分散设施组成，那么整个采油场的各种设施的工作状态及采出油品的数据（主要有温度、压力、流量等）就直接关系到油田生产的稳定及原油质量。目前大多由人工每日定时检查设备运行情况并测量、统计采油数据。由于油井数量多且分布范围由几十至上百平方公里，这种方式必然使工人劳动强度加重，并且影响了设备监控与采油数据的实时性，甚至准确性。所以油场的自动化、信息化就显得极为突出。

随着计算机技术、通信技术的发展，石油天然气行业生产监控系统也得到了很大发展。

以计算机、GPRS无线通信模块为基础的油田监测和控制系统可大大提高油田生产效率，降低综合成本，实现油田生产、管理的自动化、信息化。为了达到这个目标，必须开发一个可靠的以微型计算机技术、现代通信技术为基础的油田监测和操作系统；开发新而廉价的油田作业监测方法；开发一个易为用户存取的数据库和记录系统。

系统构成

石油天然气行业工业监控系统应用具有以下特点：

* 一般跨越地域大，因此要求电台支持长距离传输；

* 井站的无人值守远动控制决定了电台要具备抵抗恶劣的天气环境的能力；

* 整个系统庞大，监测井站数量多，要求无线通信系统速率要高，轮询响应速度快；

* 同时因为石油天然气行业为国家的能源基础，其所采用工控系统都是最先进可靠的设备，所以做为整个系统关键保证的无线通信链路也必须要可靠稳定且性能优异才能保证整个工控系统的最佳运行。

GPRS无线通讯模块在石油天然气行业的典型应用是在油井和气井的三遥（遥测、遥信、遥控）和自动计量方面——井站数据通过GPRS无线通讯模块传送到采油队控制中心，采油队再通过专用广域通信网或无线网络与上一级的采油厂或石油公司的总控制中心连通。

下图所示为一典型的GPRS无线通讯模块在石油天然气行业工业控制方面的应用。

  

                     图1 - 5 -以微机、GPRS无线通信模块为基础的生产监控系统总体配置

①  油田监控中心：计算机、GPRS无线通讯模块、天线、系统软件、数据库

②      井队监控中心：计算机、GPRS无线通讯模块、天线、监控软件

③      ③ 远端井口：数据采集装置、GPRS无线通讯模块、天线

                                                 图2     井口微型计算机系统组成图

生产监控操作系统的基础，是每天24小时对远方产油或产气井的所有主要环节和地面分离及储存系统的各种常规的或独特的传感器采集的数据进行记录。

1. 油田中心监控计算机

油田中心监控计算机是一种稳定、可靠的计算机，通常放置在一个符合国家电子制造联合会要求的保护性箱体内配有一个断电后可供电达8小时的不间断电源。

中心监控计算机系统的主要功能是监测油田作业，将每口井的数据以便于存取的方式储存起来，能使用户通过常规电话调制解调器得到每口井的"准实时"数据，还可根据普通预测方法或单井的明确经验开发专门软件，以便对每口井的数据进行分析。这些分析工作可提供关于现有作业有效性的资料，并确定那些刚开始产生后可能出现的问题。反过来，这些资料可用来增加生产效率和制订修井作业计划。中心作业计算机的其它功能还包括为编制例行的月产量报表提供数据。

2．井队监控计算机与中心监控计算机相同，一般以采油队为单位配置，通过与井口微型计算机之间的数据通信，以轮循的方式对所属油井进行监控与数据采集。

井队监控计算机系统主要用于储存和显示记录的数据。数据按油井汇存并制成一定的表格，以便能快速检查油井系统的运行情况。同时，对给定油井的每个传感器的历史数据进行详细的复查。由井口微型计算机确定和报告的报警条件按特定格式储存，向操作人员发出警报并需要得到认可。井队监控计算机一般将每口井的数据储存3个星期，以便操作人员进行实时存取。中心监控计算机通过常规电话调制解调器每天从井队监控计算机那里进行几次数据检索。单井资料在计算机中要保留约30天时间。然后，将每口井的所有有关数据转换到软盘上长期储存。

3. 井场微型计算机

井口微型计算机是一种稳定、可靠的计算机，它体积小巧，配备每一口油井。该计算机是一种以通用微处理器为基础的经过特殊设计的单板机。目前，它具有只读存储器（ROM）和静态随机存取存储器（RAM）。该机装有一个插入式数据调节器板（起A/D转换器的作用），将传感器输入的模拟值转变成数字信号。该单板机还包括一个实时时钟、一个232接口以及一个供油田便携式终端（选择件）使用的插口。井口微型计算机系统负责采集每口油井的数据并将其发送至井队监控计算机

井口监控计算机系统包括一个GPRS无线通信模块，一个提供13.8伏的电源。该系统还备有终端卸扣和接头，供采用有线系统传输数据的传感器用。

4. 通信

油田作业计算机和井场计算机之间的数据转输是由微波无线电系统完成的。中继站是可选件，如果采用，则将它建于地势较高的地方，并采用高增益天线。中继站一般位于多个远程井口微型计算机附近，并采用廉价的非增益天线。

中心监控计算机和井队监控计算机之间的通信，则依据通信的距离及环境采用无线或有线方式。有线方式通过拨号调制解调器和商用电话线进行的；无线方式则利用各自连接的GPRS无线通信模块进行数据传输。

5. 传感器

依据所采集的不同参数，选择相应的传感器。包括温度、压力、流量、位移、电压、电流、功率等。

系统软件

为满足加快存取速度和减少存储量要求而设计的几个独立程序包构成了生产监控系统的软件。主要的部分有油田中心监控计算机的操作系统、井口微型计算机扫描和通信程序和在油田中心生产监控系统中编制报表、分析数据和通信用的软件。

1. 操作系统

该系统的特点可分为两类：实时监控和数据管理：

（1） 实时监测

① 自动收集和认可从远程井口微型计算机传输来的数据，每口井具有其自己的识别特征；

② 自动检查错误，如果需要还可重新传输；

③ 在收到任何级别的警报时，可自动进行电话拨号；

④ 调制解调器电话通信处理程序通过安全密码可进入计算机系统，通过第二级安全密码可得到单个用户油井资料。

（2） 数据库管理

① 传感器和报警数据按时间、日期和油井存储。

② 根据报警数据的紧急程度和认可情况排定报警数据的优先次序。每口井的报警资料单独存储。

③ 存储历史数据，并使这些数据在线保留时间约1个月。

④ 通过一个特别菜单和选定的传感器组使远程井口微型计算机初始化。指定无线电中继站（如果设有中继站的话）；计划数据收集时间和间隔；计划数据记录时间和间隔；密码赋值；设定报警优先等级和报警记录的电话号码。

现场操作人员和用户通过一系列菜单和屏幕显示与系统对话。不仅能得到历史数据，而且还可得到现时数据。

2. 井口微型计算机操作系统

其特征包括独立的可编程序数据收集和传输间隔，当达到预选传感器报警阈限时，立即进行数据传输。也包括传输错误检测，如果第一次信息未被油田计算机认可的话，则进行自动重输。在有了一个畅通的无线电信道之后，才开始无线电传输。该软件具有一个"报警时钟"唤醒功能，因此，井场计算机在大部分时间内处于一种不工作、电力消耗较小的状态。这种工作方式对于太阳能供电系统来说尤为重要。

3. 用户人机联作

系统的设计可使现场操作人员和处于远方的矿场经营者能通过一系列菜单显示得到存储在油田总部的数据。

应用案例

油区案例A

某油区油井无法实现正常的井口资料录取及井下泵况的测试，影响油井的动态分析和日常管理，同时各井结蜡严重，抽油机无保护措施，无实时监测、控制设备及手段，对各井的工作状况实时参数不了解，故障井诊断周期长。

采用以微机、GPRS无线通信模块为基础生产监控系统后，能在恶劣环境下稳定可靠工作，自动采集井口油套压、温度等数据资料及与泵况息息相关的示功图、电流图，对计量站实现自动倒井，采集压力、温度、瞬时流量、产量等数据。所有井口与计量站数据通过GPRS模块无线数据传输。监测到异常情况（如电流电压越限，光杆卡死时过负荷、压力过高过低等）系统会自动实行相应保护。且可在中控室下达相应指令远程控制抽油机的起停，读取井口与计量站的数据资料，实现真正的无人值守，大大降低生产成本。可以使管理部门直接了解各抽油井的工作状态，缩短了资料的传递周期性，减少了人工报表的一系列弊端如差错、假资料等，使所有现场数据共享范围扩大。为厂领导及工艺、地质、生产部门提供详细、及时、具体的生产第一手数据，以优化生产参数，达到高效、节能、增产的目的。整个系统存储的大量数据可供日后进行综合分析使用，为提高油田的管理层次提供有力的支持。该系统确保安全生产、减少事故损失、减轻了人员劳动强度，有着明显的经济效应和社会效应。

油区案例B

夏季阳光直射下的地表温度可达摄氏80度，冬季则达摄氏零下40度，风沙侵害，环境恶劣，直接造成井口数据采集的困难与数据更新周期的延长，从而使油区的管理停顿在较低的水平，生产成本居高不下，不利于企业的国际化发展与竞争。

采用以微机、GPRS无线通信模块为基础的生产监控系统后，由中心控制室、中间站、现场智能终端及与之相连的各型传感器组成，实现了油井、水井、计配站及其它生产管理信息的快速获取、应急响应、集中处理和反馈控制，属于集监测、控制、管理一体化的采油生产自动化综合性信息网络系统。井口采集的数据有：功图、电流图及电流、电压、温度、油压、套压、载荷等，水井采集的数据有：瞬时流量、累积流量、注水压力。计量站采集的数据有：集油管汇压力、水套炉压力、烟道温度、出站温度、分离器压力、分离器温度、分离器液位等；控制功能有：抽油井启停控制、空抽控制、故障保护，计量站自动倒油井、自动计量。 该套生产监控系统经受了严寒、酷暑及其它恶劣自然环境的考验，结果表明系统安全、实用、可靠。系统技术先进、结构合理、功能齐全，能够满足采油生产的需要，有利于提高油田生产的安全性，有利于优化生产，有利于生产管理的科学化，对老油田的节能降耗、挖潜增效具有重要的指导意义。