智能井场数据远程传输系统的研究与应用

徐英卓　张瑞佳

摘要：智能井场数据远程传输系统是基于物联网技术提出的智能采集传输一体化解决方案，系统以井场采传设备、通讯网络和油田信息监测为核心，将采集到的井场数据远程传送到基地的数据库，进行远程实时监控。系统利用智能采传仪以支持多源信息的集中采集，并进行WITS标准传输，数据远传服务器端采用负载均衡来完成实时数据的接收、存储、转发，同时提供FTP服务支持数据缓存和断点续传，为后端应用、辅助决策提供准确、安全的数据支持。

关键词：远程传输；智能化；物联网；井场数据

0引言

在油田信息化系统中，井场数据传输的高效性、稳定性一直是油田生产过程中难以解决的问题，油田井场往往在比较偏远的山区旷野，如沙漠等恶劣环境，管理方式多为人工每日值守，记录相关数据，获取的井场信息通过租用卫星通道或使用远距离微波进行传输，但由于恶劣的天气或其他原因常常会出现数据链路中断。为了弥补上述不足，确保井场数据的准确采集和高效稳定传输，本文提出基于物联网技术的智能井场数据远程传输系统，该系统利用智能采传仪（采传一体化设备）进行多源信息的集中采集和基于WITS标准（井场信息传输规范标准）的数据传输和共享，为基地用户提供可靠安全的实时数据，实现了智能采集传输一体化，满足了对实时数据监测的需求，同时为多专业协同作业、远程决策及生产指挥提供数据支持。

1系统的总体设计

1.1系统部署

智能井场数据远程传输系统在油田的部署，主要体现在利用传感器等设备对油田现场情况的监测，整个系统的部署情况如图1所示。

图1中反映了井场传感器和其他设备的数据借由通讯网络传输至基地进行实时监测的完整过程。具体地，采集仪器将传感器数据传送到仪器控制机和智能采传仪；智能采传仪将数据通过AP组网、WIFI网络、3G通讯网络等传送至工房区域和基地；在工房区域用户的设备终端配备有系统的客户端，可以将智能采传仪或其他源头的数据选择正确的服务器实现上传；系统的数据接收服务器则规划指定在大后方基地，集成了各种数据服务以供基地用户监测数据。

1.2系统的构成和功能

本系统由智能采传仪、井场信息处理平台和监控中心组成。在此，将针对每一部分给出功能阐析与设计论述。

1.2.1智能采传仪

油田现场采用钻井参数仪、LWD/MWD、岩心扫描仪、综合录井仪等众多仪器来采集实时数据，但这些设备存在接口形式众多、数据格式不同的问题。基于这一实际探讨，本系统采用智能采传仪将各个设备的实时采集接口按照统一规范同步封装，并对各类传感器数据和仪器数据设计整定有一体化采集，经过相应处理后实现基于WITS标准的数据传输和共享。智能采传仪的功能结构如图2所示。

在进行传输时，智能采传仪通过RJ45连接至用户工作区域内的自建网络、通过RS232接口和USB接口来连接现场仪器设备，获取相关数据；提供现场具有ZigBee协议和433MHZ协议的无线仪器仪表的连接处理模块：提供小范围WIFI覆盖（100 m2）和AP覆盖（半径300 m或者500 m）。目前支持的各类仪器有：SLZ2A、SLZ-ACE、DIS4.5、DLS5.0、AIS2、Advantage、SL-EXPLORE、SKl.4.0.5、SKl.5、SKI.6、CPS2000、CPS3000、CMS、Drillbyte、wellstar、GWLWD、恒泰系列、海蓝系列、BakerHughes仪器、Haliburton仪器、威德福仪器、斯伦贝谢仪器、GE、基于4-20 mA仪表、基于ZigBee无线传感器、基于433 MHz無线传感器、基于232和485的各类仪器仪表、基于WIFI的仪器仪表等等，实现了对各种传感器及设备数据的自动采集。

1.2.2井场信息处理平台

井场信息处理平台包括传输客户端和数据接收服务器端，两者之间的数据通信如图3所示。为此，研究将逐步展开详述如下。

1.2.2.1传输客户端

客户端主要由系统设置、配置管理、数据传输、工具、视图等模块组成。

1）系统设置：连接、断开服务器连接和退出。远程服务器连接用于接收实时数据采集模块传送的数据，在链路正常时，将实时数据及时、正确地传输到服务器；如果TCP链路不通，则将实时数据缓存起来，系统随后会在网络连接重新建立后，将缓冲数据打包成文件，自动通过FFP文件传输模块上传到服务器。同时对网络链路进行实时监视，判断当前链路状态，对于已经断开的链路要及时处理，重新连接服务器，建立新的链路，保证实时数据传输通畅。该模块支持多服务器数据传输，可以同时连接多个服务器，建立各自的实时数据传输通道，将实时数据同时发往各个服务器，对各个服务器的发送状态进行独立的控制。

2）配置管理：服务器参数、井基本参数、仪器参数、完井库参数、工况状态维护等的配置。其中，服务器参数包括服务器的名称、IP地址、实时数据端口、FFP端口等。井基本参数包括井场名称、井场密码、指令附件存储目录、未发送数据累积保存的文件路径等。用户可根据不同的录井仪器配置对应的仪器参数、数据采集时间间隔、数据采集过程中累积数据数目的阈值等。完井库参数则为完井数据库的路径、密码。工况状态维护即是对工况进行自动判断和手动更改并传输。

3）数据传输：启动采集、停止采集、工况传输、数据补采。启动采集重点是对从录井仪采集的实时数据引入必要的处理，形成系统所需要的标准数据，提交至实时数据传输模块进行传输。如果在某个时间段未采集数据，系统提供了历史数据补采机制，支持自动和手动两种方式补采数据。数据补采根据设定好的日期或者井深处进行数据的历史采集，补采的数据按照一定的格式保存到文件。补采结束后，系统自动提交FTP文件传输模块，并压缩上传到数据接收服务器。

4）工具：完井库上传、分类文件上传、指令回复等。在研究中，完井库上传是对现场数据库进行数据查新和压缩上传到数据接收服务器。分类文件上传则用于实现如地质日报、油气专报、钻井设计、地质完井报告、完井测试报告等以Word、Excel连同多种形式存在的各类文件的上传、下载。而指令回复就是根据平台下达的指令做出回复。

5）视图：文件传输记录、指令历史记录、消息历史记录。分别对系统运行过程中的文件传输时间、路径、上传的目的地信息，将平台下达的指令部门、内容、附件大小、附件名称，对上传的各类文件及上传状态进行记录。

1.2.2.2数据接收服务器端

数据接收服务器端主要提供实时数据服务、FFP服务、解压写库服务、后台监控服务等。各类服务的内容设计可作如下解析展示。

1）实时数据服务：用户管理、链路维护、实时数据接收、指令下达、文件上传结果回复。服务器端要及时接收客户端的连接请求，如果连接请求通过用户认证，则记录相应的链路信息，并实时监视客户、服务器之间的链路状态，判断当前链路状态，对于已经断开的链路要及时处理，回收其占用资源，等待处理客户端新的连接。服务器端同时接收多个客户端传输的实时数据，由于客户端是按照一定的时间间隔向服务器传输实时数据，因此，服务器必须在很短的时间，调度操控实时数据的接收、存储、转发；否则，就会造成实时数据的积累、丢失，达不到实时系统的预定目标。指令下达功能是为了方便将用户通过平台发出的指令、通知等信息，及时传输给指定用户。对于FFP服务来说，偶尔会出现上传加载的文件无法正常解压的现象，这时服务器就不能得到客户上传的信息，而客户端又不知道上传文件出现错误，不会重发该文件。因此，及时、正确地将文件上传是否成功的信息反馈回客户端就显得尤为重要。

2）FFP服务：用户管理、文件管理、文件信息入库。系统首先要保证接收数据的实时传输，为了使文件传输对实时数据的传输产生尽可能小的影响，系统要求对FIT并发服务用户进行限制，对同时提请文件上传、下载的用户数规定了上限，当用户到达上限后，即拒绝此后的用户请求。文件管理要求用户对上传文件进行分类，服务器对于不同的文件提供了相应的服务处理逻辑，对于用户上传推送的各类文件，FFP服务器会将其分类保存在适当的目录下。文件信息入库模块在文件上传接收后，要将文件的详细信息作为一条记录写入数据库，保证解压服务能够通过这条记录找到相应的文件。

3）解压、写库服务：由于文件是在压缩后上传到服务器的，即使得在进一步处理前需要首先进行文件的解压缩处理。系统定时查询数据库，获取当前已经上传结束但还没有解压的文件记录，并通过该记录信息，锁定记录文件转入解压缩处理，并将解压是否成功的信息写入数据库，以便实时数据服务向客户端传输文件回复。成功解压后，根据文件类型展开后续处理，对于实时数据文件和数据库文件，采取写库操作，其他类型的文件转移到平台的发布目录，并向数据库写入文件信息，便于平台发布文件。

4）后台监控服务：是一个通用服务，定时查询当前监控进程是否有响应回传，若被监控进程在规定的时间内没有响应，则将强制终止该进程，重新启动运行，保证系统7x24小时内均能维系正常工作。

1.2.3监控中心

监控中心主要是通过显示终端对采集来的数据进行监测，观察各种参数，如发现有参数超过危险临界值等情况，对其经过全面分析后调取各类定制处理，避免事故的发生，提升了井场作业的安全性。

2关键技术

本次研究系统的关键技术包括数据采集技术、数据传输技术、数据接收服务器的负载均衡技术、接口设计等。这里将提出设计综述如下。

2.1井场数据采集

除了智能采传仪采集的实时数据，专业整理数据、地质日报、岩心图片等数据在经由基层技术员、地质师、工程师通过现场资料收集系统汇总填报后，传输回服务器。

2.2数据传输

在油田现场，对于采集到并成功加密的信息，数据传输处理模块会设计推进数据分包、网络连接测试、网络状态监控、传输队列管理、异常处理等一系列工作来确保数据传输的及时性和准确性。系统使用无线通信网络（GPRS、CDMA）为传输手段，依据TCP/IP协议来实现智能采传仪与工房移动终端和网络之间的数据传输：在客户端与服务器端之间建立TCP连接，来进行实时数据、聊天数据、命令等基础数据的远程实时传输。在基地接收到数据后，再进行数据解密、解压，数据拆解等处理，同时存储结果数据入库，并及时更新各种数据库，以利于后续生产的研发使用。系统提供的FTP服务，则是方便和满足了用户在服务器上传和下载文件的需求。

2.3服务器的负载均衡

由于访问服务器的用户众多，单个处理器无法应对大量用户访问，故需要多台服务器提供负载均衡服务来将用户的访问分发到合适的服务器，以满足用户的访问需求。系统主要利用随机算法来进行平衡与合理的分配，可以保证用户请求基本是分散的，从而达到理想的均衡效果；同时配合使用加权轮询调度算法，根据权值的高低顺序并按照轮询的方式将任务请求分配到各结点，来响应用户的访问请求。为了确保系统的稳定性，采用健康检查的方法来对服务器开放服务的可用状态构建通盘检查，以防止由于服务器突然出现故障而影响接收的情况，该方法可以设定好检查的时间间隔和尝试次数，对出现问题的服务器及时采取各类有效措施。在处理用户请求的过程中，常常会出现同一个用户多次访问的情况，负载均衡设备会根据不同的应用配置相应的会话保持，用来保持会话的连续性和一致性。

2.4接口设计

为了实现采集传输一体化，系统提供了软件、硬件、通信三大类型的接口。具体来说，软件接口主要是井场数据采集发送子系统和综合录井软件系统之间的接口，井场数据采集发送子系统的数据從综合录井软件系统中得来，通过网络通信接口、串行通信接口、第三方组件或直接从综合录井软件系统的实时存盘的数据库中读取资料等。硬件接口是为了使井场数据采集系统的资料直接从综合录井软件系统采集得到，不和综合录井仪的传感器发生直接关系。井场数据采集发送子系统和基地资料接收、管理、服务及应用子系统都不直接和硬件发生联系。系统通过WinSock接口（基于Socket模型的接口）与基地资料接收、管理系统进行通信，用于传输实时数据和成批历史资料。

3应用实例

本系统将油田现场的实时数据在基地用户终端显示，进行实时监测。如图4即是对浙江油田某井进行实时数据监测的场景，技术人员可以监测到诸如井深、钻头位置、钩载、扭矩等实时数据，同时实时动态生成曲线，便于了解每个参数的变化情况，从而规划生成下一步的决策。

4结束语

智能井场数据远程传输系统是数字和智能油田建设的重要组成部分，已经在西南油气田的压裂现场、浙江油田上得到应用。相比于传统的采集传输，本系统将智能采传仪作为采集传输一体化设备，对采集到的传感器数据、随钻仪器数据等做出必要处理后，即设计形成了基于WITS标准的传输与共享。系统所提供的WIFI覆盖和ZIGBEE技术可支持终端应用和远程维护，真正研发建立了井场无人值守的智能化管理：现场自组网通过点对点的无线链路，减少了繁琐现场布线工程和以往从现场到基地用户多网关造成的实时数据堵塞问题；通过3G无线链路等无线传输方式将现场各类传感器、智能采传仪、终端用户和数据接收服务器等融入互联，从而进行高效信息交互。该系统实现了井场数据采集传输一体化，体现了物联网技术在数字油田建设中所带来的效益及显著优势，其推广应用将为远程决策提供数据支持，并进一步合理升级、且规范完善井场信息一体化服务平台。