基于无线传感器网络的数字化油田油井监控系统研究

基于无线传感器网络的数字化油田油井监控系统研究

何雅麒

中国石油长庆油田公司第二采油厂，甘肃省庆阳市， 745100

摘要：文章以基于无线传感器网络的数字化油田油井监控系统为研究对象，首先对该系统设计需要的相关网络技术进行了分析，随后从硬件设计与软件设计层面入手，对系统重点设计内容进行了研究分析，希望能为相关研究提供一定的参考。

关键词：无线传感器网络；数字化油田油井；监控系统

前言：在互联网时代下，各种先进的数字化智能化技术层出不穷，对各行各业均带来了积极的影响。石油行业也不例外，在各种先进数字化技术以及通信技术的支持下，数字化油田概念应运而生，而数字化油田油井监控系统则是数字化油田概念的重要体现，通过加强该系统设计，能够对油田生产数据信息进行实时监控采集，从而能够开展油田生产远程管理与决策，这对推动油田开采产业实现可持续发展有着非常重要的意义。

1. 数字化油田油井监控系统相关技术分析

1. WSN技术

WSN 技术即为无线网络传感器技术，在实际设计数字化油田油井监控系统时，便是以该技术为基础。WSN技术主要由传感器节点、汇聚节点构成，前者负责传输物理量数据信息，后者负责进行传感器节点管理，由此形成一个完整的网络结构^[1]。用户可以通过互联网的帮助下，收到传感器之上的信息。数字化油田油井监控系统本质上是一种信息收集获取系统，通过应用WSN技术，能够显著提高系统传感器信息采集、传输的效率，更好地实现油井抽油机运行的监控。

2. Zigbee技术

Zigbee技术也是一种网络信息传输技术，能够在小范围内形成一个局域网，实现短距离无线网络通信。更为重要的是，Zigbee技术在网络传输方面，具有功耗低、运行条件要求简单、成本低、低时延等优势，因此非常适合在数字化油田油井监控系统设计中应用。一方面，可显著降低系统设计成本^[2]。另一方面，由于数字化油田油井监控系统工作环境通常比较偏僻，无法频繁更换电池能源，而Zigbee技术能耗低，恰好契合系统实际设计需求。

2. 数字化油田油井监控系统硬件设计

在数字化油田油井监控系统硬件设计方面，以系统硬件设计平台为例，主要包括无线网络传感器节点、路由器节点、网关等。其中设计到以下几点硬件设计内容：

1. 微处理芯片。这是无线网络传感器节点设计核心硬件，主要负责进行节点信息采集与传输。考虑到数字化油田油井监控系统实际需要，比如系统运行环境也比较恶劣，对处理器性能要求适中，因此可选择的微处理器芯片体积小、低功耗、成本低的芯片。在本次设计选择过程中，采用了MSP430F149 PLC微处理器，该处理器具有运行效率高、处理性能好、能耗低、中断源丰富等特点，且对比其他PLC，价格适中。

（2）无线通信模块。本次无线通信设计主要基于ZigBee 技术的无线传感器网络，因此采用了 CC2420 射频芯片作为路由器节点无线通信模块，该硬件闪存空间较大，能够达到256K字节，RAM空间也非常广阔，可实现芯片空中升级。同时该射频芯片的电路可以自动匹配输入阻抗与出阻抗。不仅如此，在4 线 SPI总线的帮助下，可以对芯片工作模式进行配置，以此来对 FIFO、FIFOP 两个管脚进行控制，最终达到发射/接收缓存器配置的目标。

（3）传感器模块。由于数字化油田油井监控系统需要实时采集油井的工作状态信息，因此必须要配置传感器模块，完成信息采集。以下着重对该模块硬件选型进行分析：首先，在选择载荷、位移传感器时，考虑到抽油机杆的最高行程在 6m以内，悬点最大载荷在 16t以内。因此以此为依据，通过进行合理对比，最终选择了CSF-3GD 型无线传输载荷－位移一体化传感器。通过将该传感器安装在抽油机悬绳之上，能够实时采集抽油机的示功图信息。其次，在选择电流、电压传感器时，可结合油田抽油机的实际电流运行参数，由于该设备运行采用了三相电流。因此可采用无线同步电流电压传感器。 该传感器不仅可以进行电流信息采集，还能够进行抽油机电压参数信息采集，本身具有低误差、易维护、布置安装简单（不需要现场布线）、抗干扰能力强等优点。最后，在选择压力、温度传感器时，考虑到石油生产特点，本次采用了石油行业特点，PS2 型无线压力传感器和 TS1 型无线温度传感器，这些传感器专为石油生产设计，能够高效采集油井的油压、井口温度等信息。

3. 数字化油田油井监控系统软件设计

关于数字化油田油井监控系统软件，文章本次主要介绍WCDMA 网络软件设计。WCDMA 网络软件设计是WSN无线通信网络的重要组成部分。在实际设计过程中，主要包括两大内容：

1. 自协调器节点开始，再到数据中心的信息传输。协调器节点在完成数据信息接收后，在网关的帮助下，先完成数据的转换^[3]。然后再通过WCDMA通信网络，将转换后的数据发送至数据监控中心。在这一过程中应注意， WCDMA 网络在实际进行数据信息发送前，首先需要对油田抽油机的运行参数进行全面的检查，确保相关的参数都处于正常运行状态。否则，在后续进行数据传输时，很容易触发自动报警功能。而相关的运行参数如果在正常范围内，则需要在 WCDMA 通信网络的帮助下，将其发送至数据监控中心。

（2）数据监控中心管理软件设计。针对该部分软件设计，主要的目的是实现用户发布采集命令的功能。在这一过程中，需要用户先发布采集信息的命令，随后该油田油井监控系统会自动查询协调器节点的信息。协调器节点在收到用户查询任务后，将会唤醒无线传感器网络，完成抽油机监控数据的采集，便于相关的监控人员对这些信息进行统一分析，为后续的油井生产做好辅助决策。

总结：总而言之，数字化油田油井监控系统设计是一项较为复杂的工作。在实际设计过程中，需要深刻认识到系统实际运行的功能需求，明确需要采用的无线网络技术，随后再分别出软件设计与硬件设计着手，完成相关设计内容的落实，做好硬件装置与软件装置的选择与设计，提高整体数字化油田油井监控系统设计质量水平。

参考文献

1. 霍秋珍. 基于无线传感器网络的油井远程监控系统设计[D]. 南京理工大学， 2011.

2. 孟小红. 基于无线传感器网络的煤矿安全监测监控系统[J]. IT经理世界， 2020(2):19-20.

3. 邹蕾， 谭建军， 鄂翔宇，等. 基于无线传感器网络的超洁净电源设计与应用[J]. 现代电子技术， 2020, 43(2):58-59.