油井参数远程监控系统设计与开发

油井参数远程监控系统设计与开发

王晓侃 王琼 陈捡 陈天聪

（河南机电学职业学院，新郑，451191）

摘要：信息化在油田开采生产中起到了关键作用，油井参数远程监控系统主要由四个部分构成：远程监控油井、自动化配电线路、监测输油管道泄漏以及自动化的集输站库监控。油井远程监控系统正在朝着更快、更容易扩展的多功能性方向进行发展。伴随着社会对工业自动化的需求日益增长，现代油田参数远程监测系统也面临着新的挑战。因此，本文设计嵌入式参数远程检测系统。

关键词：油井参数；远程监控；嵌入式操作系统

引言：

伴随着石油行业的进步，智能设备与系统在油气勘探领域的应用日益广泛，同时油井参数监测技术也已转变为智慧型油田生产流程中的一个重要议题。然而，由于采油厂通常位于较为偏僻且环境条件较差的地方，所以对于测量系统的性能有着更高的标准。此外，由于各种传感器产生的数据量巨大，再加上油层的地质构造、压力、温度等多种因素的作用，对数据的处理和解读提出更严格要求。

一、油井参数远程监控的需求分析

（一）功能需求分析

鉴于油井实地地条件相对艰苦、分布广泛并位置偏僻，油井参数远程监测系统需要具备如下功能：

（1）实行24小时全天候无人监控油井现场；

（2）及时获取抽油机驱动电机的三相电流、三相电压、功率等电子信息以及油井环境的视频数据；

（3）工作人员不仅能够在现场获取有关电参数的实时数据，还能通过远程方式获取相关的电参数数据和井场的视频资料；

（4）工作人员能够在实地检测到各种故障，如电机相位不足、超负荷、超速运行等情况发生，另外连接到远程监测设备的设施也可能遭遇故障，比如串行接口故障、网络故障、继电器故障等。此外，还能通过远程方式获取故障详细信息；

（5）工地技术人员可以自行操作和调整抽油设备，同时还能够进行远程操作；

（6）拥有对油井信息的实地保留以及在线保存与解读功能；

（7）在线调整采集终端传输油井参数的时间间隔和参数的最大和最小值。

（二）性能需求分析

（1）系统的可靠性

油井参数远程监测系统需要信息的精确性和稳定性：首先，需具备完整的功能，如收集、传递、展示、管理和分析油井参数。其次，硬件稳定性。该系统需要在油田环境较为恶劣的条件下运行，所以在选择硬件设备时就应该有更严格的标准，而在设计硬件时，更应该关注硬件电路的抗干扰能力。三是软件稳定性。由于该系统需要进行多任务同步，所以更需要注意多任务同步优先级。

（2）系统的安全性

主要两个原因导致系统的不稳定性：首先，自然条件。由于油井环境条件恶劣，很容易造成设备损坏，从而引发系统问题或无法正常运行[1]。其次，人为干预。如果油井工作人员对设备性能不够了解且随意应用，可能导致系统和现场设备受到损害。因此，需要完善对用户的管理。

（3）系统的可扩展性

远程油井参数监测系统的扩展性将影响其是否具备适配未来油田发展的实力。想象一个较大的监控系统，在短暂的现场使用后，随着油井的数量不断上升，监控数据也随之增多，传输的复杂性也随之增强，因此无法继续扩大，必须更换设备或打破原有的设计结构。因此，在设计系统时，应该充分考虑到所有的因素，比如，硬件接口的多样性、软件架构的扩展性以及各模块之间的解耦程度，都是保障后续功能扩展的关键因素。

二、系统结构

监控系统主要由现场设备和控制单元构成。现场设备包含温度感应器、压力感应器、流量测量器、含水量感应器、含气量感应器、含沙量感应器。整个系统的操作环节主要包括对实地设备的信息收集与运算。在该系统中，实地设备是石油行业普遍使用的规范设备，系统会依照设备的操作指南运作；数据收集与操作环节则是整个系统的关键组成部分。以下是每个部分的功能描述。

（1）处理数据的模块负责收集实地设备的检测信息，并依据设备的特性对这些信息进行数据化处理。

（2）配置参数模块由仪器参数设定以及油井参数设定组成。该模块会依照系统中的各种仪器进行设定，以方便数值计算和处理，可以利用油井的相关参数，例如油的浓度、水的浓度、空气的浓度等，进行参数调整。该模块的工作主要是在Web服务器上进行的。

（3）通过利用实地设备的信息，压力体积温度变化模块能够对检测出的原油流动性进行成分分析和运算，同时也能将实际操作环境中的油井参数替换成理想操作环境中的相关参数，从而更好地解读油井的生产情况。

（4）主要用于储存监控获取的油井信息的数据存储模块，以便于对过去的数据进行查找和分析。

（5）远程传输控制模块的主要职责是监控数据的远程传输[2]。

三、系统软硬件设计

（一）系统软件设计

1.Linux操作系统的移植

在油井参数远程监控系统硬件平台构建完毕，需要在主控模块S3C2440A中安装Linux操作系统。此操作系统将依照应用程序的要求，高效地配置并管理系统资源，从而达到其预期功能。linux操作系统与其他常见的嵌入式操作系统相比，是开源系统，拥有丰富的软件资源，其内核强大、高效且稳定，能够执行多任务切换，这与本课题的应用环境相符。将Linux操作系统迁移至主控模块的过程，大致可分为：构筑交互式编译环境、选择并迁移BootLoader、Kernel的设定编译及迁移以及创建基础文件系统。

2.油井多参数远程监控系统软件设计

根据对油井多参数远程监控系统软件需求的探讨，该系统软件主要包括远程监控终端的软件设计和监控中心的软件设计。其中，Linux作为其应用级别的远程监控终端，其监控中心位于阿里云服务器之上，主要远程监测设备的开发包括对油田参数的捕捉、接纳、处置和4G无线传输的环节。在监控中心软件开发过程中，将包括油井远程监测主界面、多个油井参数的展示、油井的监测报告以及预警功能的构建。

（1）基于linux的应用层，油井多参数采集模块主要依赖于串行编码的方法，其核心环节包括启动串行设备、调整串行参数以及接收来自串行的信息。

（2）多参数解析模块的工作原理是依赖于从串行端口传输的信息，同时也需要兼顾串行端口的帧同步、帧校验和帧分析，最终将经过计算的油井参数填充进缓冲区。

（3）缓冲区模块负责按照特定的储存策略，将解算出的油井参数存储在缓冲区中，此过程通过消息队列形式完成。

（4）4G无线传输模块的主要任务是从缓冲区提取数据，并根据阿里云数据传递规则，将所有油井参数进行包装，并将获取信息传输至阿里云。与此同时，也会接受阿里云提供指示，用于执行相关管理任务。

（5）核心软件构建包括用户界面的构建、油井各项参数的呈现与图像的描绘，还有对于油井的工作状态的警告模块与预警模块的构建。

3.油井多参数远程监控系统主界面设计

主界面油井多参数远程监控系统主要包括抽油机的相关参数展示、井场环境的温湿度波动，并且在监测的参数超过预设的限制时，将启动对应的警告机制。

（二）系统硬件设计

1.远程监控终端硬件结构

主控模块（ARMS3C2440A最小系统）、信号调理电路和模数转换电路、4G无线模块、外部数据控制模块以及电源模块是远程监控终端的硬件设计的核心组成。

2.器件的选择

阿里云石油井远程控制系统主控模块采用ARMS3C2440A嵌入式处理器，16/32位精简指令集（RISC）微型处理器是三星公司产品，具有高效率和低成本的特点，其ARM920T核心位于armv9系列中，主要为便携式设备以及常规应用提供了一种低消耗、高效率的微型芯片控制器解决方案。华为ME909U-521模块已经成为4g模块的首选，其传输速率介于50mbps~100mbps，契合研究场景。另一方面，该模块拥有强大的可拓展特性，可以满足未来系统功能扩展需求[3]。

四、油井多参数远程监控系统A/D驱动程序

所有计算机系统（包括嵌入式系统）都依赖于设备驱动程序来实现其功能，共同构成计算机系统与硬件之间的桥梁。该程序可以帮助计算机系统稳定运行，并为软件系统创造出优质的操作环境。利用设备驱动程序，应用程序可以忽略硬件的详尽信息，将所有的硬件设施看作单一的设备文档，使应用程序能够像处理常规文件一样操控硬件设备。硬件设备抽象层位于最底部，在系统调度层，由于内核与用户之间的联络中断，使应用程序不能直接进入到内核界面，同时也不能对硬件进行直接操作。为了保障硬件的安全性，必须利用设备驱动程序的接口访问硬件。

主要的Linux操作系统设备驱动程序包括字符设备、块设备和网络设备，其中字符设备是Linux系统使用频率最高的一种设备驱动，其特性包括可按照一定的顺序进行写入与读取，并且如果出现读写请求，数据无须通过缓存就可以立即进行传递，因此字符设备的I/O处理速度极高[4]。块状设备的主旨在于满足那些需要较高的数据处理能力和较慢的传输速率的需求，其中，数据的储存方式采用“块”作为基本的单元。与字符设备不同，块设备必须有一块系统内存作为其缓冲空间。在用户进程开始读取和写入设备的过程中，驱动程序首先会审核缓冲空间里的信息，若信息符合用户需求，则将其返回；若不符合则将启动相关的请求函数以完成真正的I/O任务。Linux系统对网络设备的重视程度相当特别，其内核与网络设备驱动程序之间的交流方式与字符设备驱动和块设备驱动的交流方式不同，不能像读写设备或块状设备一样实施read或write的功能，一般需要一个socket接口实现，接口负责处理所有的网络任务。

五、油井参数远程监控系统调试及运行结果

（一）系统调试过程

对于油田多参数远程监控系统来说，参数设置是保证测量结果的精确度与稳定性的关键。尤其是当压阻型压力传感器因为温差而产生偏差时，输入与输出将呈现非线性。因此，在该系统中采用曲线拟合方法。在实际操作过程中，需要检查该方法的修复能力和准确性。由于压力传感器的检测设备能够做到准确无误的检测，因此主要集中在对其进行静态校准，其目标在于确认压力传感器的输入和输出数据之间存在着线性或非线性的联系。

（1）首先，需要在规范温度测试箱和压力校准设备上进行校准实验，以此检查并拟合本系统使用的压阻式压力传感器中的零点偏移以及输入到输出的非线性校正精确度。详细地操作步骤如下：

在对0-40mpa测量范围内未添加温度补偿的压阻式压力传感器进行校准实验时，当工作温度逐步升高（其中，最低温度为0℃，最高温度不超过120℃，温度可以自由选择，但通常平均分布较好）。在输入压力保持不变的前提下，压阻式压力传感器的输出压力值会随着温度的升高而逐渐提高。

通过使用曲线拟合方式来调整压阻式压力传感器的温度，通过软件进行。此方式能够纠正压阻式压力传感器因为温度波动导致的零点偏差以及从输入到输出的非线性问题，对添加温度调节的0-40mpa压阻式压力传感器进行检验，并且在不同的温度和压力条件下，比较添加调节算法之后的压力输出数据和真实压力数据的误差。经过添加温度调节，发现收集到的压力数据和真实压力的误差显著降低。

（2）经过参数校准实验的验证，构建用于油井多参数远程监测的硬件与软件平台。a/d接口被用于连接油井地下信号传输系统，而一个串行端口和以太网端口则连接到PC机，同时另一个串行端口则连接到GPRS通信模块。此外，还可以在计算机执行读取串口代码、网络测试软件以及基于C/S的socket编写的服务器代码。

（3）将井底多元素检测单元置于模拟的石油钻探复杂场景中，为井顶的信息收集和处理监控设备安装电源，设备可以启动工作。

（二）实验结果

通过远程监测，油井多参数系统能够将收集到的模拟信息变成数值，然后再以触摸屏的形式展现出来，最后储存到内置数据库中。通过参数监控平台，用户能够清晰地了解油井的即时压力、温度、振动和泄漏电流状态[5]。此外，该系统还配备了预警功能，用户可以在预警平台中设定所有参数的最大和最小值。当系统收集信息超出所规定的范围，将触发对应警告，使油田操作人员能够迅速地进行处理，降低损耗。油田多参数远程监测系统的核心部分是其数据传输功能。该系统有三种不同的传输途径，能够精确、稳定且即时地将收集信息传输至服务器。通过远程监测中心，能够收集和保存数据，从而实现对油田在线监测和信息化处理。

结论：利用信息技术与自动化技术构建远程无线监控系统，即油井参数远程监控系统，能够实时获取油井的运行状况参数，监测油井的变化情况，并能自动识别分析示功图，对油井情况进行实时监控。针对设备及其运营过程中的紧急情况，能够立即触发警告，提高石油钻探自动化处理能力，具有实用价值。

参考文献

[1]王涛. 基于ARM+OneNET的油井参数远程监控系统[D].西安石油大学,2021.

[2]王涛,岳云飞,张英豪等.基于阿里云平台的油井多参数远程监控系统[J].工业控制计算机,2021,34(04):37-38+59.

[3]韩瑞霞. 基于Android平台的油井参数远程监控系统的研究[D].中国石油大学(华东),2019.

[4]司徒霭玲,雷强.基于无线传感网络的通信电源远程监控系统设计[J].信息与电脑(理论版),2022,34(02):214-216.

[5]马源.油井远程监控技术在油田自动化系统中的应用[J].中国设备工程,2022(16):154-156.