基于WiFi的原油含水率在线监测系统

贾志鹏，念 彬，周 婷，余 杰

（长庆油田分公司陇东页岩油开发项目部，甘肃 庆城 745100）

0 引 言

在油田开发过程中，油井原油含水率是油井生产的一项重要指标，它直接影响其开采、脱水、储运和销售等环节[1]。因此，在原油开采过程中，需要对含水率及其变化进行实时监测，掌握油井的开发状态。目前国内外油田企业中，对油井含水率的测量仍然以传统的“蒸馏法”为主，化验时间长、劳动强度大，而且手工取样化验以点概面不具有代表性[2]。国内含水率监测普遍仿照美国AGAR公司早期技术—射频法或短波法分析仪，其不足是：探头技术不稳定，低含水不够精确，高含水灵敏度不高，此外，大多数含水率监测系统采用GPRS通信方式实现井口仪表和监控后台之间的数据传输，GPRS通信方式容易发生数据包出错、丢失等情况；同时，还需向运营商缴纳大量的通信费用，增加了系统成本，不利于产品的推广使用。

本文对油井原油含水率微波实时检测方法进行研究，提出了一种基于WiFi的原油含水率在线监测系统。监测系统主要由井口仪表、RTU、含水率监控后台组成。井口仪表实时采集油管中的含水率数据，RTU作为数据传输中转站，搭建WiFi无线通信网络，并建立Socket连接，使得含水率数据在井口仪表和监控后台之间进行可靠传输，从而实现对原油含水率的实时在线监测，在含水率监测领域具有潜在的应用价值。

1 含水率微波检测技术原理

原油含水率监测以微波检测为手段，井口仪表中的微波发射器将恒幅、恒频的电磁波发射到含水的原油中，由于原油中含水量的不同，介质所吸收的波能量也不同[3]，微波探测器将因透过介质含水率不同而引起能量不同的微波信号输入基于ARM的井口仪表中，进行信号的滤波、放大、校正后，将数据分包、加密，采用WiFi传输至后台监控服务器。后台服务器采用独有的油井含水率实时计算模型和大数据分析自适应校正模型进行实时高精度稳定计算，确保一井一方法，实现油井含水率实时动态监测。微波检测原理如图1所示。

图1 微波检测原理框图

2 含水率监测系统构成

基于WiFi的原油含水率在线监测系统由井口仪表、RTU和监控后台构成[4-5]，如图2所示。

图2 含水率监测系统构成

井口仪表由含水率数据采集模块和WiFi通信模块构成，数据采集模块实时采集管道中的含水率数据，由WiFi通信模块上传数据。RTU负责组建监测系统，借助WiFi通信网络实时传输含水率数据[6]。监控后台主要包括主机（安装SQL Server数据库）、服务器以及手机等终端设备，主机选择戴尔XPS17-9700，将RTU传来的含水率加密数据包根据事先约定的协议进行解析计算，得出当前的含水率实际值。选择联想ST558服务器存储最终计算得到的含水率数据，它是终端设备含水率信息查看时的数据来源。主机通过独有的含水率计算模型计算得到实际含水率数据后，再回传给井口仪表，供现场人员查看，同时，还将数据分类保存到SQL Server数据库，以便管理员查看，并对数据进行分析，进而为制定下一步的采油计划提供依据。也可通过手机在采油现场登录含水率监测APP，实时查阅油井含水率数据信息，使含水率监测更加便捷。

3 含水率监测系统硬件设计

3.1 井口仪表设计

井口仪表根据微波检测法计算得到原油含水率。井口仪表选用型号为STM32F103RET6的ARM芯片作为主控芯片，对微波信号进行采集、处理和数据封包；选用ESP-07S WiFi模块作为无线数据的传输模块。井口仪表硬件组成如图3所示。

图3 井口检测装置硬件组成

井口仪表测试管道底部的流量传感器实时检测管道中是否有液体流过，当有液体流过时，主控制器便控制继电器闭合，从而为底部的微波探测发射器提供直流电源[7]，发射器发射电磁波，正对顶部的微波探测器接收器，将探测波形通过STM32F103的A/D口传输至主控芯片进行数据处理，并通过串口模块将数据传输至WiFi模块进行数据的封包加密，最终，含水率数据包上传到远程数据终端RTU。WiFi模块ESP-07S和主控芯片STM32F103的接口加密，发送给含水率监控后台。WiFi与STM32接口电路如图4所示。

图4 WiFi与STM32接口电路

3.2 井口RTU设计

RTU作为井口仪表和监控后台之间的传输媒介，主控芯片采用基于ARM的S3C4510B01微控制器，内置TCP/IP协议和IEEE802.11协议，提供无线接入点，依据TCP/IP协议，通过以太网实现与监控后台的通信，完成井口仪表与含水率监控后台间的双向数据传输。RTU硬件组成如图5所示。

图5 RTU硬件组成

4 含水率监测系统软件开发

4.1 含水率监测系统软件组成

含水率监测系统软件由数据采集与通信程序、数据解密与含水率计算程序组成，如图6所示。数据采集与通信程序包含含水率数据采集、数据加密处理和WiFi通信传输3个子程序；数据解密与含水率计算程序包含数据解析处理、含水率数值计算和数据展示与存储3个子程序。

图6 含水率监测系统软件组成

4.2 数据采集与通信程序设计

数据采集与通信程序将主控制器实时接收的波形数据进行滤波、A/D转换、分包、加密等处理后，检测附近可以接入的WiFi信号并成功连接，之后基于TCP/IP通信协议将数据包发送到含水率监控后台。数据采集与通信流程如图7所示。

图7 数据采集与通信流程

4.3 数据解析与含水率计算程序设计

数据解析与含水率计算程序将RTU上传到监控后台的数据进行解密、运算、展示和存储。当RTU和服务器连接成功后，含水率加密数据包传输至后台监控主机进行解密、处理后，计算得到含水率，并将该数据分类存储到数据库，以供用户或者管理员在远程客户端登录获取原油的含水率信息。数据解析与含水率计算流程如图8所示。

图8 数据解析与计算流程

5 结 语

（1）提出了一种基于WiFi的原油含水率在线监测系统，采用微波作为探测手段，将WiFi作为传输方式，较好地解决了传统原油含水率检测方法实时性不高、精度不高等问题。

（2）设计了一种基于WiFi的无线数据传输网络，井口仪表实时监测含水率数据，通过RTU发送给监控后台，监控后台可实时接收、解析、计算含水率数据，借助浏览器可实时查阅含水率数据，实现了原油含水率在线实时监测，在数字智能油田与智慧油田建设中具有重要的应用价值。