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［編輯簡介］： 地面數據采集系統實現油氣井測試作業中各流程管線壓力、溫度、流量、各種液體排出量等參數自動采集，并根據采集數據計算天然氣日產量、天然氣無阻流量、流動壓力、地層壓力等參數，采集及計算結果提供數據列表和曲線等多種顯示方式、并提供信號突變、越限聲光報警、記錄存儲、可定制的報表曲線打印等功能。
［關鍵詞］：壓力傳感器、無線智能壓力變送器、溫度傳感器、可燃所體監測儀
一、方案的提出
1.1．方案背景
- 施工過程及環境具有突發性，存在安全隱患。
- 施工決策指揮對數據及現場狀況提出更高的實時性要求。
- 數據分析及管理的自動化、信息化要求。
1.2．方案效益
- 有利于現場作業人員安全。通過將所有的施工數據及現場視頻集中到數據房，可以避免現場作業人員頻繁出入施工區域，使得作業人員更安全；
- 有利于施工安全。可以實時觀測壓力并及時發現壓力突變，以及設備運行狀態，有利于防范事故和時間處理事故，保障整個測試施工安全。系統穩定可靠，適應惡劣施工現場環境；
- 有利于數據準確。由于采用自動化采集，可以避免一些人為的記錄失誤，為后續的油氣藏分析提高準確的參數依據。
- 有利于指揮決策。將數據采集和實時數據分析相結合，可以及時觀測壓力歷史變化和進行產量預測，有利于現場作業人員和管理人員快速判斷地層情況，優化放噴方式，合理調整測試工作制度。
- 有利于操作使用。采用成熟的無線數據通信技術以及友好的人機接口界面，安裝部署、操作使用、系統維護方便快捷。
二、地面數據采集
2.1．系統概述
地面數據采集系統實現油氣井測試作業中各流程管線壓力、溫度、流量、各種液體排出量等參數自動采集，并根據采集數據計算天然氣日產量、天然氣無阻流量、流動壓力、地層壓力等參數，為油氣井測試施工結果提供理論依據，采集及計算結果提供數據列表和曲線等多種顯示方式、并提供信號突變、越限聲光報警、記錄存儲、可定制的報表曲線打印等功能。
系統同時提供現場環境硫化氫含量、可燃氣體含量的實時分析采集的功能擴展，提供硫化氫、可燃氣體含量越限聲光報警功能，為施工安全、現場人員安全提供可靠保證。
系統采用的無線傳感器網絡技術，避免繁瑣的安裝部署、系統維護工作量，同時有效解決了有線連接帶來的各種故障隱患。
2.2．系統結構
圖一、地面數據采集系統結構示意圖
2.3．技術
系統采用、成熟的無線傳感器網絡技術以及創的專業油氣井測試流程組態技術，為系統高效率、高可靠運行提供保障。
2.3.1．無線傳感器網絡技術
采用的傳感器網絡技術，超低功耗電路設計，在提供系統運行的穩定性、安全性、可擴展性的同時，極大的提供了系統安裝部署及運行維護的工作量，方便用戶使用。從而有效的解決了傳統的有線連接的數據采集系統存在的各種弊端，并具有更優良的性能。
技術特點如下：
- 采用成熟的傳感器網絡技術，避免現場繁瑣的信號線纜連接，減少因信號電纜帶來的龐大工作量以及由此而產生的各種故障隱患；
- 提供擴展型無線壓力傳感器擴展一路溫度傳感器輸入接口，提供管線相同位置的壓力、溫度信號檢測，的減少系統投資費用；
- 傳感器具備防爆、防硫、防水、防塵等性能，滿足各種惡劣的現場施工環境要求；
- 實現任意環境、任意施工規模的現場網絡覆蓋，滿足任意施工井場施工數據監控要求；
- 傳感器終端超低功耗設計，所有無線傳感器設備內置可充電大容量鋰電池組，滿足任意長時間施工的連續無間斷監控要求，系統采集間隔以秒為單位設置，采樣間隔為5秒時終端連續工作時間不小于15個工作日。
2.3.2．施工流程組態技術
創專業針對油氣測試施工流程的組態軟件技術，采用所見即所得的方式進行界面及測點布局，操作顯示友好直觀，自動識別測試放噴管線并以醒目的標示顯示。技術特點如下：
- 與油氣井測試施工作業緊密結合的專業軟件；
- 靈活的圖形組態技術，適應任意施工流程規模的數據監控；
- 數據突變、數據越限聲光報警，記錄報警日志，提供報警事件事后查詢；
- 放噴管線關聯自動識別，醒目顯示，人機界面友好直觀；
- 傳感器電池電量檢測報警提示，提示操作人員進行電池更換。
圖2、系統流程組臺及運行示意圖
2.4．井場巡視功能
為加強井場巡視管理，系統集成了巡更功能。根據長期的系統使用經驗，一般壓力傳感器安裝點均為井場巡視時關注的地方，為方便系統安裝部署、操作使用以及信息點名稱匹配，系統實現巡更功能時將巡更信息點與壓力變送器終端集成（其他終端如硫化氫監測終端、天然氣監測終端可選配集成），并提供巡更數據通過信號變送器終端的無線上傳監控主機
- 巡更功能以功能模塊的形式，集成在變送器終端內部，可根據需要進行選配；
- 巡更數據記錄巡視時間、巡視自檢表、巡視點、巡視點狀態、異常狀況下的整改措施、巡視點圖片數據等；
- 對發生異常情況巡視點，要求通過相機獲取異常狀況照片，采集系統在記錄巡更數據時提供照片數據的導入功能；
2.5．無線遠傳功能
系統可配套選擇無線遠程傳輸功能，如果選擇無線遠程傳輸功能，系統將集成GPRS/CDMA無線遠程傳輸模塊，為方便運輸及攜帶，無線遠程傳輸模塊將集成在無線傳感器網絡通信服務器中，以USB/RS232與采集主機接口，進行數據的遠程傳輸。
- 通信服務器內集成GPRS、CDMA無線網絡傳輸模塊，系統能自動識別現場網絡信號在并GPRS、CDMA之間切換，確保遠程傳輸網絡連接；
- 系統提供IP地址方式以及域名方式按端口實現TCP/IP遠程連接；
- 數據傳輸內容包括系統實時采集數據、巡更管理信息等內容；
- 數據采集系統按照《油氣井施工作業遠程傳輸通信約定》進行握手通信。
2.6．防爆及抗干擾
2.6.1．防爆處理
在石油、化工等過程測量與自動化控制系統中，可能出現潛在的爆炸性環境，在實踐應用中設計人員必須對系統中的現場設備及其相關設備采取相應的防爆措施。
系統現場所有傳感器終端均采用無線傳感器網絡技術實現，傳感器之間、傳感器與監控中心設備之間不存在任何形式的線纜聯接。基于此，現場設備的防爆處理采用隔爆方式實現。傳感器電路采用電池供電的超低功耗設計，電路內部有效的避免了大電流高功率發熱現象。傳感器終端采用具備不低于Exd ⅡBT4防爆等級的防爆外殼全密封封裝，從而達到現場設備防爆之目的。
2.6.2．無線防爆
無線電波無處不在，作為無線電波本身是不會成為爆炸環境中的爆炸源，往往無線接收設備由于內部電路的老化、電路連接、電池接觸不可靠，當工作電流達到一定程度時，產生火花，成為爆炸源。
國家規定在潛在爆炸環境如加油站無線設備的禁用是以２０瓦特功率為標準制定，且主要是針對手機等具有按鍵操作而容易產生電子摩擦的電子設備。
方案中的系統傳感器終端電路低功耗設計，同時提供任何線路短路故障保護功能，排出電路產生火花的可能。同時，傳感器外殼防爆等級的全密封封裝，進一步保障了設備的防爆性能。在安裝及測試過程中，現場設備無任何的電子機械動作或操作，與其他設備無任何電纜連接，從而排除設備操作原因引發爆炸的可能。
如果現場空氣過分干燥，容易在設備外殼形成靜電積累引發靜電火花，這種現象在任何連接方式的現場設備中都可能存在，這就需要設備在安裝部署時有良好的接地，使得外殼靜電得以有效釋放，我們提供的所有傳感器均有專門的接地連接端子，在懸空的連接管線情況下，方便設備接地。同時，由于全金屬的殼體與測試管線連接，外殼積累的靜電通過各放噴管線接地也能有效靜電釋放。
2.6.3．無線抗干擾
無線傳感器網絡用2.4G頻段工作，與現場其他無線電器設備（如對講機）的通用工作頻段不會形成相互干擾，同時，傳感器網絡建立時，會自動對所處環境網絡狀況進行分析，選擇的信號傳輸通道（最多提供12個通道選擇）建立傳輸網絡連接。
同時在軟件的處理上，我們提供有效的數據校驗重發機制，確保數據傳輸的準確。數據采集頻率以秒為單位進行設置，有效保證數據的準備性以及實時性。
三．性能對比
比較項目 | CCWL-DMS | 其他數采系統 |
運輸便攜性 | 體積精簡小巧、攜帶方便 | 設備、配件多，攜帶運輸繁重 |
使用方便性 | 無線連接，安裝部署方便快捷 | 有線連接，安裝部署工作量大 |
維護方便性 | 設備獨立，維護方便 | 設備關聯性強，維護工作量大 |
運行穩定性 | 避免線纜連接帶來的各種不穩定因素 | 信號連接是現場環境重要的不穩定因素 |
測量準確性 | 測量精度高 | 測量精度高 |
系統擴展性 | 系統配置靈活，擴展性能強 | 設備連接固定，擴展性能較差 |
系統性價比 | 高 | 較高 |
四．系統配置
4.1．用戶需求
針對完井測試管理中心對數據采集系統提出的配置要求，信號測點、測量范圍、精度要求統計如下：
序號 | 參數名稱 | 量程范圍 | 精度 | 誤差 | 數量 |
1 | 套管壓力 | 0-70MPa | 0.01MPa | 0.1MPa | 1 |
2 | 油管壓力 | 0-105MPa | 0.01MPa | 0.1MPa | 1 |
3 | 井口溫度 | -35~100℃ | 0.1℃ | 1℃ | 1 |
4 | 回壓 | 0-70MPa | 0.01MPa | 0.1MPa | 1 |
5 | 回壓溫度 | -35~100℃ | 0.1℃ | 1℃ | 1 |
6 | 分離器壓力 | 0-16MPa | 0.01MPa | 0.05MPa | 1 |
7 | 分離器溫度 | -35~100℃ | 0.1℃ | 1℃ | 1 |
8 | 氣體流量 | 0-50萬方/天 | 1方 | 50方 | 1 |
9 | 硫化氫含量 | 0-100ppm | 1ppm | ±3%F.S. | 2 |
10 | 天然氣含量 | 0-99%LEL | 1%LEL | ±3%F.S. | 2 |
4.2．配置說明
- 根據用戶需求由于所測壓力及溫度均成對出現，因而推薦采用具備溫度擴展接口的無線智能壓力變送器終端，由智能終端擴展溫度采集，從而降低系統投資成本，其中溫度測量部分采用PT100傳感器方式，測量精度高、測量范圍廣、無需冷端溫度補償。
- 氣體流量的采集通過采集臨界速度流量計上下游參數進行計算，采集參數包括上流壓力、下流壓力、上流溫度并根據用戶提供的求產公式在軟件中實現，由于臨界速度流量計上下游壓力范圍小，為保證測量精準，建議采用低量程壓力傳感器（推薦采用采用15MPa）。
- 系統采用壓力傳感器為藍寶石壓力傳感器，具有的介質溫度適應范圍以及嚴格的全程線性，為保證現場傳感器的使用不混亂，除臨界速度流量計上下游壓力外推薦所有無線智能壓力變送器采用統一的量程（0-105MPa）、溫度傳感器量程（-50℃-200℃），系統保證各量程段的測量準確，同時方便現場安裝使用。
4.3．配置清單
根據完井測試管理中心對系統提出的要求，方案中我們提出的基礎設備配置清單如下：
序號 | 設備名稱 | 規格型號 | 單位 | 數量 | 備注 |
1 | 數據監控主機 | DCL-D05-V12-I | 臺 | 1 | |
2 | 無線傳感器網絡通信服務器 | CCWL-DMS-TII-CS | 臺 | 1 | 標準配置 |
3 | 服務器連接轉換器 | UPROT 1110 | 套 | 1 | 標準配置 |
3 | 無線智能壓力變送器（帶溫度擴展接口）量程：105MPa | LBWDS-T-PT105 | 只 | 4 | 標準配置，數量可選 |
4 | 無線智能壓力變送器（帶溫度擴展接口）量程：15MPa | LBWDS-T-PT015 | 只 | 2 | 標準配置，臨界速度流量計上流、下流壓力 |
5 | 無線智能硫化氫監測儀 | LBWDS-HS-100 | 只 | 2 | 井場硫化氫含量監測 |
6 | 可燃氣監測儀 | LBLDS-CH-100 | 只 | 2 | 井場可燃氣體含量監測 |
4 | PT100鉑電阻溫度傳感器 | JWB/P238-PT100 | 只 | 4 | 標準配置，數量可選其中1只為臨界速度流量計溫度 |
5 | 傳感器專用鋰電池 | LC 4.2V1000Mah | 只 | 12 | 標準配置，數量可調 |
6 | 專用傳感器電池充電器 | DGW-D00-A20-I | 臺 | 1 | （可同時對6只電池進行充電）標準配置 |
7 | Zigbee高增益全向天線 | DHW-005-A12-I | 支 | 1 | 標準配置 |
8 | 油氣井測試數據監測軟件 | CCWL-DMS-TSIII | 套 | 1 | 標準配置，1許可協議 |
4.4．基礎設備主要性能參數
4.4.1．無線傳感器網絡服務器
- 產品型號：CCWL-DMS-TII-CS
- 網絡標準：Zigbee、802.15.4兼容
- 工作頻率：2.4~2.4835GHz
- 發射功率：500mW（視距≥500米井場范圍覆蓋）
- 接收靈敏度：-97dBm
- 數據端口：1個RS-232、1個USB，可同時連接
- 傳輸速率：19200 BPS
- 接入終端：≥40 單元
- 指示燈：電源、網絡、報警
- 工作電源：AC220V、5W
- 工作溫度：-20℃ ~ 70 ℃
- 工作濕度：95%RH以內
- 尺寸重量：310mm x 200mm x 90mm，6.5Kg
- 內置電池：12VDC 14400mAH
4.4.2．無線智能壓力變送器
- 產品型號：LBWDS-T-PT
- 擴展接口：1個溫度傳感器接口
- 無線標準：Zigbee、802.15.4兼容
- 工作頻率：2.4~2.4835GHz
- 發射功率：+19dBm
- 接收靈敏度：-97dBm
- 壓力范圍：0-105MPa、0-15MPa
- 介質溫度：-50~150℃
- 環境溫度：-40℃~85℃
- 相對濕度：≤95%Ｒ.Ｈ. （無冷凝）
- 準確度：±0.25%FS（包括非線性重復性遲滯性在內的綜合誤差）
- 安全過載：150%FS
- 極限過載：200%FS
- 響應時間：5 mS(上升到90%FS)
- 穩定性：≤±0.2%FS/年
- 電池容量：4.2V 1000mAH
- 防爆等級：ExdⅡBT4
- 防護等級：IP65
- 安裝方式：M20螺紋（可定制）
4.4.3．鉑電阻溫度傳感器
- 產品型號：JWB/P238-PT100
- 測量范圍：-50℃~200℃
- 準確度：0.25%F.S.
- 環境溫度：-40℃~85℃
- 相對濕度：≤95%Ｒ.Ｈ. （無冷凝）
- 防護等級：IP65
- 安裝方式：M14螺紋（可定制）
4.4.4．無線網絡延伸器
- 產品型號：DEW-D05-000-I
- 網絡標準：Zigbee、802.15.4兼容
- 工作頻率：2.4~2.4835GHz
- 擴展角度、距離：360°視距400米，
- 擴展終端：≥40 單元
- 電池容量：4.2V 14400mAH
- 工作溫度：-40℃ ~ 85 ℃
- 工作濕度：95%RH以內
五、系統特點
- 便攜性能，所有設備存放于專門定制的儀器儀表箱內，方便運輸攜帶；
- 系統功能強大，滿足數據監測、生產管理的各項要求；
- 采用的無線傳感器網絡技術，載波頻率2.4G Hz，自動搜索信號質量通信信道組網，有效避免井場無線設備的相互干擾（如400MHz對講機）；
- 無限制的網絡覆蓋擴展技術，滿足井場無線傳感器網絡覆蓋，確保井場無網絡盲區；
- 壓力傳感器終端提供溫度擴展輸入接口，減少系統設備投入，降低系統投資費用，同時方便系統現場安裝部署；
- 自主知識產權的軟件開發，系統功能擴展方便快捷；
- 專業的油氣井測試施工流程組態技術，系統適應任何規模井場測試施工要求，界面顯示友好直觀；
- 信號曲線的任意放大及移動，為異常數據分析提供有效手段；
- 提供遠程傳輸監控擴展、移動監控擴展，為施工安全、遠程決策提供有效手段。
六、現場應用圖片
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