基于云平台的油井动液面一体化智能监测系统设计_金杭超.pdf

信息记录材料 2022年12月 第23卷第12期 54 论 著0 引言在油井的钻探和开采中，油井液面（此时液面是动态变化的，叫做“动液面”）的准确监测直接影响着油井的现场安全以及生产效率1。动液面的传统测量方法是使用无弹头火药子弹或氮气瓶声弹作为发声介质，利用液位仪由人工定期进行测试操作2-4。目前所使用的液位仪在使用过程存在诸多问题：在现场测量采集时，往往需要使用电缆安装连接多个设备或组件，存在安装繁琐、电缆缠绕易损和组件油泥清洗防护不便的缺点。由于检测任务重或要求检测任务经济高效，专业检测人员缺少，现场液面检测时，通常需要一个人完成井下液面检测仪自动测量设备的安装和拆卸、电脑软件的操控和分析，检测作业十分不便。传统产品组件多，作业人员携带不便，维护过程复杂，培训任务较重。目前暂无法完成无人自动化测量任务，数据无法便捷的通过硬件远传至厂家或分析中心测量予以分析支持。针对上面的各种问题，本文从小型化、低功耗和智能化的方向设计一个基于云平台的油井动液面一体化智能监测系统，设计上将采集控制设备箱精简为一体化单元模块并嵌入枪体结构，省去传统设备外部连接电缆组件和一个基于云平台的油井动液面一体化智能监测系统设计金杭超1，祝乃轩1，齐丽强1，黄清龙2（1 中国船舶第 715 研究所 浙江 杭州 310023）（2 杭州瑞利超声科技有限公司 浙江 杭州 310023）【摘要】在油井的钻探和开采中，油井动液面的监测对于现场的安全保障以及作业效率提升十分重要。传统的动液面监测设备往往由多个部件构成，包括采集控制设备箱、气枪震源、电缆组件、调压组件、氮气瓶等等，在现场测试的时候存在安装拆卸繁琐、操作不便、液面识别准确度不高等问题。针对上面问题，本文设计一个基于云平台的油井动液面一体化智能监测系统，按照小型化、低功耗和智能化的设计思路，将采集控制设备箱精简为一体化单元模块并嵌入枪体结构，省去传统设备外部连接电缆组件和一个采集设备箱。枪体上的采集控制模块可通过一体化天线或外接延长天线与远场的便携计算机进行数据传输。同时，由于油井现场动液面情况较为复杂，常常会出现难以直接判断出准确液面位置的复杂监测数据，借助于云平台，油井现场人员可通过互联网将监测数据一键上传到云端，借助在云端布设的液面位置智能识别算法便可准确得到液面位置数据。【关键词】油井动液面；云平台；一体化；智能监测【中图分类号】TP274 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624（2022）12-0054-04Design of Oil Well Dynamic Liquid Level Multi Terminal Monitoring System Based on Internet of Things and Cloud PlatformJIN Hangchao1,ZHU Naixuan1,QI Liqiang1,HUANG Qinglong21 715 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation,Hangzhou,Zhejiang 310023,China2 Hangzhou Ruili Ultrasonic Science and Technology Co.,Ltd,Hangzhou,Zhejiang 310023,China【Abstract】In the drilling and production of oil wells,the monitoring of the dynamic liquid level of oil wells is very important for the safety guarantee of the site and the improvement of operation efficiency.The traditional dynamic liquid level monitoring equipment is often composed of multiple components,including acquisition and control equipment box,air gun source,cable assembly,pressure regulating assembly,nitrogen cylinder,etc.there are problems of cumbersome installation and disassembly,inconvenient operation,and low accuracy of liquid level identification during field testing.In view of the above problems,this paper designs an integrated intelligent monitoring system of oil well dynamic liquid level based on cloud platform.According to the design idea of miniaturization,low power consumption and intelligence,the acquisition and control equipment box is simplified into an integrated unit module and embedded into the gun body structure,eliminating the external connection cable components of traditional equipment and a acquisition equipment box.The acquisition control module on the gun body can transmit data with the far-field portable computer through the integrated antenna or external extension antenna.At the same time,due to the complexity of the dynamic liquid level on the oil well site,it is often difficult to directly judge the complex monitoring data of the accurate liquid level position.With the help of the cloud platform,the oil well site personnel can upload the monitoring data to the cloud through the Internet with one click,and the liquid level position data can be accurately obtained with the help of the intelligent identification algorithm of the liquid level position deployed in the cloud.【Key words】Dynamic liquid level of oil well;Cloud platform;Integrated;Intelligent monitoringDOI:10.16009/13-1295/tq.2022.12.057信息记录材料 2022年12月 第23卷第12期 55论 著采集设备箱。枪体上的采集控制模块可通过一体化天线或外接延长天线与远场的便携计算机进行数据传输。操作人员可控制外部气瓶通过调压后对枪体进行充气，还可在远端通过安装在便携电脑上的分析控制软件来控制对气枪进行发射和数据采集。必须要面对的是，油井现场动液面情况一般较为复杂，常常会出现难以直接判断出准确液面位置的复杂监测数据，在移动网络方便情形下若能借助于云平台，由油井现场人员将监测数据一键上传到云端，便可借助在云端布设的液面位置智能识别算法更为准确地得到液面位置数据5-6。综合以上分析，本系统首先按照小型化、低功耗和智能化的设计思路，将采集控制设备箱精简为一体化单元模块并嵌入枪体结构，省去传统设备外部连接电缆组件和一个采集设备箱。枪体上的采集控制模块可通过一体化天线或外接延长天线与远场的便携计算机进行数据传输。同时，当油井现场出现难以直接判断出准确液面位置的复杂监测数据时，一键将监测数据上传到云端，借助布设在云端的复杂智能算法实现更为精准的液面位置监测。1 油井动液面一体化智能监测系统油井动液面一体化智能监测系统的组成如图 1 所示。图 1 油井动液面一体化智能监测系统组成图系统的核心是一体化枪体，其不但实现了声源的产生，声音信号的接收、存储和传输也由其完成。首先一体化枪体在按照井上作业程序完成管汇上的安装后，开启枪体采集控制模块和便携式计算机的电源，运行便携计算机液面监测仪软件。便携式计算机通过 WiFi发现并连接高压或一体化型井下液面检测仪采集控制模块发出的 AP 热点信号并通过分析控制软件建立通讯连接，操作人员可远程通过计算机分析控制软件对设备进行远程操控，也可在设备端现场通过按键对设备进行本地操控。通过操控控制采集控制模块完成枪体的充气、发射和信号采集，最后将所采集处理的数据通过 Wifi 网络发送给远端便携式计算机分析控制软件。采集控制模块也可以定期通过 lora 无线通讯方式唤醒附加安装在枪体上的压力、温度传感器，并完成枪体温度压力数据的采集，以便协同提供给信号处理软件进行处理。2 系统电路原理分析油井动液面一体化智能监测系统的电路组成示意如图 2 所示。图 2 系统电路成示意图由于一体化枪的采集控制模块内置锂电池，整个枪体的信号采集和充气发射电磁阀用电采用低功耗用电控制策略，针对采集控制模块需要对外部充气电磁阀进行控制输出功率受限问题，采集控制模块内置锂电池和超级电容组合以便确保电池可以瞬间输出电流脉冲以驱动充气电磁阀。针对气瓶通过调压器对枪体进行充气气压不足，通过延长充气时间方式解决；针对长时间充气导致电池消耗快的问题，充气电磁阀特采用脉冲电磁阀进行充气控制，以便节约用电。以延长单次充电后满足设备的使用寿命。对于一体化型井下液面检测仪套管内气压和温度的测量有线连接不便问题，通过使用定制的专用无线压力温度传感器来完成采集。无线压力温度传感器采用可更换的电池进行供电，在设备正常使用频次下传感器电池可满足一年使用要求；在对液面进行测量之前，枪体上的采集控制模块可无线唤醒无线压力温度传感器，传感器完成相关数据的采集后返回给采集控制模块，协同液面原始数据一同发送给远程计算机分析控制软件。一体型液面检测仪上内置数据远传模块，当测试现场遇到难以分析的数据时，在有网络的情况下，现成测试人员可一键上传测试数据到云平台，通过在云平台架设的智能算法可便捷的分析出准确的液面位置数据。3 一体化枪体结构设计一体化枪体结构设计既要考虑到声源的合理处理，又要考虑到采集传输模块的合适布局，其结构图如图3所示。图 3 一体化枪体结构示意图信息记录材料 2022年12月 第23卷第12期 56 论 著整个枪体是在前期枪体的基础上进行改进设计，结构部分主要分为主枪体、储气室、定制一体式充气电磁阀和放气电磁阀及采集控制模块和传感器单元。所有模块的走线都全部通过 O 型圈密封在枪体内，除出气口位置，整体设备满足 IP68 防水标准。4 智能云平台设计云平台首先利用Internet 将广域异构计算资源整合，形成一个抽象的、虚拟的和动态扩展的计算机资源池；再通过 Intern