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油气井测试自动化采集系统技术方案
阅读：2524发布时间：2011-11-14
1.1．方案背景
- 施工过程及环境具有突发性，存在安全隐患。
- 施工决策指挥对数据及现场状况提出更高的实时性要求。
- 数据分析及管理的自动化、信息化要求。
1.2．方案效益
- 有利于现场作业人员安全。通过将所有的施工数据及现场视频集中到数据房，可以避免现场作业人员频繁出入施工区域，使得作业人员更安全；
- 有利于施工安全。可以实时观测压力并及时发现压力突变，以及设备运行状态，有利于防范事故和*时间处理事故，保障整个测试施工安全。系统稳定可靠，适应恶劣施工现场环境；
- 有利于数据准确。由于采用自动化采集，可以避免一些人为的记录失误，为后续的油气藏分析提高准确的参数依据。
- 有利于指挥决策。将数据采集和实时数据分析相结合，可以及时观测压力历史变化和进行产量预测，有利于现场作业人员和管理人员快速判断地层情况，优化放喷方式，合理调整测试工作制度。
- 有利于操作使用。采用*成熟的无线数据通信技术以及友好的人机接口界面，安装部署、操作使用、系统维护方便快捷。
2.1．系统概述
地面数据采集系统实现油气井测试作业中各流程管线压力、温度、流量、各种液体排出量等参数自动采集，并根据采集数据计算天然气日产量、天然气无阻流量、流动压力、地层压力等参数，为油气井测试施工结果提供理论依据，采集及计算结果提供数据列表和曲线等多种显示方式、并提供信号突变、越限声光报警、记录存储、可定制的报表曲线打印等功能。
系统同时提供现场环境硫化氢含量、可燃气体含量的实时分析采集的功能扩展，提供硫化氢、可燃气体含量越限声光报警功能，为施工安全、现场人员安全提供可靠保证。
系统采用*的无线传感器网络技术，避免繁琐的安装部署、系统维护工作量，同时有效解决了有线连接带来的各种故障隐患。
图一、地面数据采集系统结构示意图
2.3．*技术
系统采用*、成熟的无线传感器网络技术以及国内*的专业油气井测试流程组态技术，为系统率、高可靠运行提供保障。
2.3.1．无线传感器网络技术
采用*的传感器网络技术，超低功耗电路设计，在提供系统运行的稳定性、安全性、可扩展性的同时，极大的提供了系统安装部署及运行维护的工作量，方便用户使用。从而有效的解决了传统的有线连接的数据采集系统存在的各种弊端，并具有更优良的性能。
技术特点如下：
- 采用*成熟的传感器网络技术，避免现场繁琐的信号线缆连接，减少因信号电缆带来的庞大工作量以及由此而产生的各种故障隐患；
- 提供扩展型无线压力传感器扩展一路温度传感器输入接口，提供管线相同位置的压力、温度信号检测，zui大程度的减少系统投资费用；
- 传感器具备防爆、防硫、防水、防尘等性能，满足各种恶劣的现场施工环境要求；
- 实现任意环境、任意施工规模的现场网络覆盖，满足任意施工井场施工数据监控要求；
- 传感器终端超低功耗设计，所有无线传感器设备内置可充电大容量锂电池组，满足任意长时间施工的连续无间断监控要求，系统采集间隔以秒为单位设置，采样间隔为5秒时终端连续工作时间不小于15个工作日。
2.3.2．施工流程组态技术
国内*专业针对油气测试施工流程的组态软件技术，采用所见即所得的方式进行界面及测点布局，操作显示友好直观，自动识别测试放喷管线并以醒目的标示显示。技术特点如下：
- 与油气井测试施工作业紧密结合的专业软件；
- 灵活的图形组态技术，适应任意施工流程规模的数据监控；
- 数据突变、数据越限声光报警，记录报警日志，提供报警事件事后查询；
- 放喷管线关联自动识别，醒目显示，人机界面友好直观；
- 传感器电池电量检测报警提示，提示操作人员进行电池更换。
图2、系统流程组台及运行示意图
2.4．井场巡视功能
为加强井场巡视管理，系统集成了巡更功能。根据长期的系统使用经验，一般压力传感器安装点均为井场巡视时关注的地方，为方便系统安装部署、操作使用以及信息点名称匹配，系统实现巡更功能时将巡更信息点与压力变送器终端集成（其他终端如硫化氢监测终端、天然气监测终端可选配集成），并提供巡更数据通过信号变送器终端的无线上传监控主机
- 巡更功能以功能模块的形式，集成在变送器终端内部，可根据需要进行选配；
- 巡更数据记录巡视时间、巡视自检表、巡视点、巡视点状态、异常状况下的整改措施、巡视点图片数据等；
- 对发生异常情况巡视点，要求通过相机获取异常状况照片，采集系统在记录巡更数据时提供照片数据的导入功能；
2.5．无线远传功能
系统可配套选择无线远程传输功能，如果选择无线远程传输功能，系统将集成GPRS/CDMA无线远程传输模块，为方便运输及携带，无线远程传输模块将集成在无线传感器网络通信服务器中，以USB/RS232与采集主机接口，进行数据的远程传输。
- 通信服务器内集成GPRS、CDMA无线网络传输模块，系统能自动识别现场网络信号在并GPRS、CDMA之间切换，确保远程传输网络连接；
- 系统提供IP地址方式以及域名方式按端口实现TCP/IP远程连接；
- 数据传输内容包括系统实时采集数据、巡更管理信息等内容；
- 数据采集系统按照《油气井施工作业远程传输通信约定》进行握手通信。
2.6．防爆及抗干扰
2.6.1．防爆处理
在石油、化工等过程测量与自动化控制系统中，可能出现潜在的爆炸性环境，在实践应用中设计人员必须对系统中的现场设备及其相关设备采取相应的防爆措施。
系统现场所有传感器终端均采用无线传感器网络技术实现，传感器之间、传感器与监控中心设备之间不存在任何形式的线缆联接。基于此，现场设备的防爆处理采用隔爆方式实现。传感器电路采用电池供电的超低功耗设计，电路内部有效的避免了大电流高功率发热现象。传感器终端采用具备不低于Exd ⅡBT4防爆等级的防爆外壳全密封封装，从而达到现场设备防爆之目的。
2.6.2．无线防爆
无线电波无处不在，作为无线电波本身是不会成为爆炸环境中的爆炸源，往往无线接收设备由于内部电路的老化、电路连接、电池接触不可靠，当工作电流达到一定程度时，产生火花，成为爆炸源。
国家规定在潜在爆炸环境如加油站无线设备的禁用是以２０瓦特功率为标准制定，且主要是针对手机等具有按键操作而容易产生电子摩擦的电子设备。
方案中的系统传感器终端电路低功耗设计，同时提供任何线路短路故障保护功能，*排出电路产生火花的可能。同时，传感器外壳防爆等级的全密封封装，进一步保障了设备的防爆性能。在安装及测试过程中，现场设备无任何的电子机械动作或操作，与其他设备无任何电缆连接，从而排除设备操作原因引发爆炸的可能。
如果现场空气过分干燥，容易在设备外壳形成静电积累引发静电火花，这种现象在任何连接方式的现场设备中都可能存在，这就需要设备在安装部署时有良好的接地，使得外壳静电得以有效释放，我们提供的所有传感器均有专门的接地连接端子，在悬空的连接管线情况下，方便设备接地。同时，由于全金属的壳体与测试管线连接，外壳积累的静电通过各放喷管线接地也能有效静电释放。
2.6.3．无线抗干扰
无线传感器网络用2.4G频段工作，与现场其他无线电器设备（如对讲机）的通用工作频段不会形成相互干扰，同时，传感器网络建立时，会自动对所处环境网络状况进行分析，选择的信号传输通道（zui多提供12个通道选择）建立传输网络连接。
同时在软件的处理上，我们提供有效的数据校验重发机制，确保数据传输的准确。数据采集频率以秒为单位进行设置，有效保证数据的准备性以及实时性。
| 比较项目 | CCWL-DMS | 其他数采系统 |
| 运输便携性 | 体积精简小巧、携带方便 | 设备、配件多，携带运输繁重 |
| 使用方便性 | 无线连接，安装部署方便快捷 | 有线连接，安装部署工作量大 |
| 维护方便性 | 设备独立，维护方便 | 设备关联性强，维护工作量大 |
| 运行稳定性 | 避免线缆连接带来的各种不稳定因素 | 信号连接是现场环境重要的不稳定因素 |
| 测量准确性 | 测量精度高 | 测量精度高 |
| 系统扩展性 | 系统配置灵活，扩展性能强 | 设备连接固定，扩展性能较差 |
| 系统性价比 | 高 | 较高 |
4.1．用户需求
针对完井测试管理中心对数据采集系统提出的配置要求，信号测点、测量范围、精度要求统计如下：
| 序号 | 参数名称 | 量程范围 | 精度 | zui大误差 | 数量 |
| 1 | 套管压力 | 0-70MPa | 0.01MPa | 0.1MPa | 1 |
| 2 | 油管压力 | 0-105MPa | 0.01MPa | 0.1MPa | 1 |
| 3 | 井口温度 | -35~100℃ | 0.1℃ | 1℃ | 1 |
| 4 | 回压 | 0-70MPa | 0.01MPa | 0.1MPa | 1 |
| 5 | 回压温度 | -35~100℃ | 0.1℃ | 1℃ | 1 |
| 6 | 分离器压力 | 0-16MPa | 0.01MPa | 0.05MPa | 1 |
| 7 | 分离器温度 | -35~100℃ | 0.1℃ | 1℃ | 1 |
| 8 | 气体流量 | 0-50万方/天 | 1方 | 50方 | 1 |
| 9 | 硫化氢含量 | 0-100ppm | 1ppm | ±3%F.S. | 2 |
| 10 | 天然气含量 | 0-LEL | 1%LEL | ±3%F.S. | 2 |
4.2．配置说明
- 根据用户需求由于所测压力及温度均成对出现，因而推荐采用具备温度扩展接口的无线智能压力变送器终端，由智能终端扩展温度采集，从而zui大化降低系统投资成本，其中温度测量部分采用PT100传感器方式，测量精度高、测量范围广、无需冷端温度补偿。
- 气体流量的采集通过采集临界速度流量计上下游参数进行计算，采集参数包括上流压力、下流压力、上流温度并根据用户提供的求产公式在软件中实现，由于临界速度流量计上下游压力范围小，为保证测量，建议采用低量程压力传感器（推荐采用采用15MPa）。
- 系统采用压力传感器为蓝宝石压力传感器，具有*的介质温度适应范围以及严格的全程线性，为保证现场传感器的使用不混乱，除临界速度流量计上下游压力外推荐所有无线智能压力变送器采用统一的量程（0-105MPa）、温度传感器量程（-50℃-200℃），系统保证各量程段的测量准确，同时方便现场安装使用。
4.3．配置清单
根据完井测试管理中心对系统提出的要求，方案中我们提出的基础设备配置清单如下：
| 序号 | 设备名称 | 规格型号 | 单位 | 数量 | 备注 |
| 1 | 数据监控主机 | DCL-D05-V12-I | 台 | 1 | |
| 2 | 无线传感器网络通信服务器 | CCWL-DMS-TII-CS | 台 | 1 | 标准配置 |
| 3 | 服务器连接转换器 | UPROT 1110 | 套 | 1 | 标准配置 |
| 3 | 无线智能压力变送器（带温度扩展接口）量程：105MPa | LBWDS-T-PT105 | 只 | 4 | 标准配置，数量可选 |
| 4 | 无线智能压力变送器（带温度扩展接口）量程：15MPa | LBWDS-T-PT015 | 只 | 2 | 标准配置，临界速度流量计上流、下流压力 |
| 5 | 无线智能硫化氢监测仪 | LBWDS-HS-100 | 只 | 2 | 井场硫化氢含量监测 |
| 6 | 可燃气监测仪 | LBLDS-CH-100 | 只 | 2 | 井场可燃气体含量监测 |
| 4 | PT100铂电阻温度传感器 | JWB/P238-PT100 | 只 | 4 | 标准配置，数量可选其中1只为临界速度流量计温度 |
| 5 | 传感器锂电池 | LC 4.2V1000Mah | 只 | 12 | 标准配置，数量可调 |
| 6 | 传感器电池充电器 | DGW-D00-A20-I | 台 | 1 | （可同时对6只电池进行充电）标准配置 |
| 7 | Zigbee高增益全向天线 | DHW-005-A12-I | 支 | 1 | 标准配置 |
| 8 | 油气井测试数据监测软件 | CCWL-DMS-TSIII | 套 | 1 | 标准配置，1许可协议 |
4.4．基础设备主要性能参数
4.4.1．无线传感器网络服务器
- 产品型号：CCWL-DMS-TII-CS
- 网络标准：Zigbee、802.15.4兼容
- 工作频率：2.4~2.4835GHz
- 发射功率：500mW（视距≥500米井场范围覆盖）
- 接收灵敏度：-97dBm
- 数据端口：1个RS-232、1个USB，可同时连接
- 传输速率：19200 BPS
- 接入终端：≥40 单元
- 指示灯：电源、网络、报警
- 工作电源：AC220V、zui大5W
- 工作温度：-20℃ ~ 70 ℃
- 工作湿度：95%RH以内
- 尺寸重量：310mm x 200mm x 90mm，6.5Kg
- 内置电池：12VDC 14400mAH
4.4.2．无线智能压力变送器
- 产品型号：LBWDS-T-PT
- 扩展接口：1个温度传感器接口
- 无线标准：Zigbee、802.15.4兼容
- 工作频率：2.4~2.4835GHz
- 发射功率：+19dBm
- 接收灵敏度：-97dBm
- 压力范围：0-105MPa、0-15MPa
- 介质温度：-50~150℃
- 环境温度：-40℃~85℃
- 相对湿度：≤95%Ｒ.Ｈ. （无冷凝）
- 准确度：±0.25%FS（包括非线性重复性迟滞性在内的综合误差）
- 安全过载：150%FS
- 极限过载：200%FS
- 响应时间：5 mS（上升到90%FS）
- 稳定性：≤±0.2%FS/年
- 电池容量：4.2V 1000mAH
- 防爆等级：ExdⅡBT4
- 防护等级：IP65
- 安装方式：M20螺纹（可定制）
4.4.3．铂电阻温度传感器
- 产品型号：JWB/P238-PT100
- 测量范围：-50℃~200℃
- 准确度：0.25%F.S.
- 环境温度：-40℃~85℃
- 相对湿度：≤95%Ｒ.Ｈ. （无冷凝）
- 防护等级：IP65
- 安装方式：M14螺纹（可定制）
4.4.4．无线网络延伸器
- 产品型号：DEW-D05-000-I
- 网络标准：Zigbee、802.15.4兼容
- 工作频率：2.4~2.4835GHz
- 扩展角度、距离：360°视距400米，
- 扩展终端：≥40 单元
- 电池容量：4.2V 14400mAH
- 工作温度：-40℃ ~ 85 ℃
- 工作湿度：95%RH以内
- *便携性能，所有设备存放于专门定制的仪器仪表箱内，方便运输携带；
- 系统功能强大，满足数据监测、生产管理的各项要求；
- 采用*的无线传感器网络技术，载波频率2.4G Hz，自动搜索*信号质量通信信道组网，有效避免井场无线设备的相互干扰（如400MHz对讲机）；
- 无限制的网络覆盖扩展技术，满足井场无线传感器网络覆盖，确保井场无网络盲区；
- 压力传感器终端提供温度扩展输入接口，减少系统设备投入，降低系统投资费用，同时方便系统现场安装部署；
- 自主知识产权的软件开发，系统功能扩展方便快捷；
- 专业的油气井测试施工流程组态技术，系统适应任何规模井场测试施工要求，界面显示友好直观；
- 信号曲线的任意放大及移动，为异常数据分析提供有效手段；
- 提供远程传输监控扩展、移动监控扩展，为施工安全、远程决策提供有效手段。
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