摘要：基于HART通信協(xié)議，開發(fā)了用于油田注水井壓力智能檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了注水井泵壓和套壓的智能檢測及壓力數(shù)據(jù)的集中管理，為油田生產(chǎn)決策提供了參考依據(jù)。介紹了系統(tǒng)組成及各部分的基本原理和實現(xiàn)方法。 關(guān)鍵詞：監(jiān)測系統(tǒng)；壓力檢測；油田注水井；HART協(xié)議；數(shù)據(jù)采集 中圖分類號：TP274 文獻標志碼：B 油田的一個采油場由多口油井、注水井、計量間、管匯閥組、轉(zhuǎn)油站，聯(lián)合站、原油外輸系統(tǒng)、油罐以及油田的其他分散設(shè)施組成，整個采油場的各種設(shè)施的工作狀態(tài)及采出油品的數(shù)據(jù)（主要有溫度、壓力、流量等）直接關(guān)系到油田生產(chǎn)的穩(wěn)定及原油質(zhì)量[sup][1][/sup]。油田投人生產(chǎn)后，隨著開采時間的延長，油層本身能量不斷地被消耗，致使油層壓力下降，地下原油大量脫氣，黏度增加，油井產(chǎn)量大大減少，甚至會停噴停產(chǎn)，造成地下殘留大量死油采不出來。為了彌補原油采出后造成的地下虧空，實現(xiàn)油田的持產(chǎn)和高產(chǎn)，必須保持或提高油層壓力。目前提高油層壓力的主要措施是通過注水井注人高壓水，因此各油田十分重視對注水井的井壓管理。 國內(nèi)在油田注水井壓力數(shù)據(jù)的檢測方面較為落后，檢測儀表和設(shè)備陳舊，在檢測壓力數(shù)據(jù)可靠性方面也存在很多問題。目前使用的螺旋式彈簧管取壓表不僅勞動強度大，并且影響了設(shè)備監(jiān)控與采油數(shù)據(jù)的實時性、可靠性。另外，由于注水井數(shù)量多且分布范圍大，采油工人的素質(zhì)也參差不齊，數(shù)據(jù)漏報、虛報現(xiàn)象時有發(fā)生。研究開發(fā)新型智能儀表實現(xiàn)注水井壓力數(shù)據(jù)的可靠檢測，為油田生產(chǎn)提供可靠數(shù)據(jù)來源極為迫切。利用計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究開發(fā)油田注水井壓力檢測系統(tǒng)將對油田生產(chǎn)信息化建設(shè)起到積極的促進作用。 HART（Highway Addressable Remote-Transducer，可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)線路）協(xié)議是一種廣泛應用于智能儀表和上層管理設(shè)備之間的通信協(xié)議[sup][2-5][/sup]，它采用了ISO／OSI的簡化模型，即物理層、數(shù)據(jù)鏈層和應用層。以下介紹在此通信協(xié)議的基礎(chǔ)上構(gòu)建油田注水井智能壓力數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)，以實現(xiàn)注水井壓力數(shù)據(jù)的遠程傳輸和管理。 1 注水井壓力檢測系統(tǒng)組成及原理 油田注水井壓力檢測系統(tǒng)主要由新型智能壓力傳感器、變送器、手持儀表、網(wǎng)絡(luò)通信線路和微機數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等組成。每口注水井備有變送單元，通過HART通信接口與分檢測站主機互連。分檢測站主要負責壓力數(shù)據(jù)的收集工作，通過RS232接口與變送器HART通信模塊相接，對各注水井壓力數(shù)據(jù)進行收集。分檢測站將收集到的數(shù)據(jù)匯總，通過油田局域網(wǎng)上傳給中心站主機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理。整個系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。 1．1 智能壓力傳感器 智能壓力傳感器由擴散硅壓敏傳感器及其編碼電路組成。當注水井管道水壓作用于傳感器薄膜時，膜片產(chǎn)生形變，相應的傳感器橋臂電阻發(fā)生變化，并在輸出端經(jīng)恒流源激勵產(chǎn)生小信號差動電壓。然后利用高精度、低漂移的放大器件將電壓信號放大，并通過V／I，模塊把輸入的差動電壓信號調(diào)理為4～20mA電流輸出。為了區(qū)分各注水井傳感器數(shù)據(jù)，傳感器自身必須設(shè)置編碼。傳感器編碼采用RC振蕩電路經(jīng)整形后輸出一定頻率的方波信號實現(xiàn)，頻率大小由電阻調(diào)定，并將該頻率信號疊加到4～20mA模擬信號上。傳感器組成框圖如圖2所示。 在實際應用過程中，傳感器輸出頻率的頻帶寬度受限于變送器系統(tǒng)工作頻率，系統(tǒng)工作頻率越低，要求傳感器輸出頻率越低，頻帶寬度越窄。由于傳感器輸出頻率由RC振蕩電路組成，振蕩頻率受周圍工作環(huán)境溫度的影響而波動。振蕩頻率越高，所占用的頻帶也越寬，系統(tǒng)可以識別的傳感器編號數(shù)目也就越多。設(shè)變送器單元晶振頻率為f[sub]cx[/sub]，則系統(tǒng)最高計數(shù)頻率為f[sub]co[/sub]，有 設(shè)編碼頻率允許波動5％，各段頻率互不重疊時，則各段中心頻率f[sub]i[/sub]（i=1，2，⋯），有 且滿足0 其中：同步碼為2字節(jié)，十六進制0xFFFF；定界符為1字節(jié)，十六進制0x82，表示長格式地址尋址，并請求發(fā)送數(shù)據(jù)幀；地址為5字節(jié)，在此不考慮傳感器生產(chǎn)廠商和設(shè)備型號的代碼，所以可將前3個字節(jié)定為0xFFFFF1，第4字節(jié)為傳感器編號，第5字節(jié)為傳感器分組號；命令為l字節(jié)，十六進制0x00，表示請求數(shù)據(jù)；校驗1字節(jié)數(shù)據(jù)，為命令幀各字節(jié)數(shù)據(jù)的異或運算結(jié)果。 變送器回傳數(shù)據(jù)幀的格式如下： 其中：同步碼為2字節(jié)，十六進制0xFFFF；定界符為1字節(jié)，十六進制o）（86，表示長格式地址尋址，應答數(shù)據(jù)幀；地址為5字節(jié)，前3個字節(jié)與命令幀相同，回傳數(shù)據(jù)為0xFFFFFF，第4字節(jié)為傳感器編號，第5字節(jié)為傳感器分組號；命令為1字節(jié)，十六進制0x01，表示回傳數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)長度1字節(jié)，表示回傳數(shù)據(jù)幀的長度；響應碼為1字節(jié)，表示命令執(zhí)行結(jié)果和變送器工作狀態(tài)；壓力數(shù)據(jù)4字節(jié)，分別為泵壓、套壓；校驗1字節(jié)，為回傳數(shù)據(jù)幀各字節(jié)數(shù)據(jù)的異或運算結(jié)果。 變送單元內(nèi)的傳感器需要以傳感器編號及其分組號來確定，因此不能采用短格式地址尋址。 1．3 手持儀表 手持儀表用于對智能傳感器的檢測，可對傳感器輸出信號進行測量，實現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集。手持儀表除了HART通信接口外，基本具備變送器的功能，并且另配有RS232接口，可與微機直接通信。手持儀表主要實現(xiàn)對傳感器的故障診斷及注水井壓力數(shù)據(jù)巡視功能。手持儀表主要由A／D轉(zhuǎn)換、計數(shù)器、人機接口界面、存儲器、RS232通信接口組成，檢測儀原理框圖如圖3所示。

在手持儀表使用過程中，當采集到的壓力數(shù)據(jù)信號有效時，蜂鳴器響，提示現(xiàn)場操作人員結(jié)束本次檢測。測得的壓力數(shù)據(jù)和傳感器編號信息保存在存儲器中，數(shù)據(jù)通過RS232接口上傳給微機管理系統(tǒng)。液晶顯示屏提供直觀的人機接口界面，可進行壓力數(shù)據(jù)和傳感器信息查詢。 手持儀表通過取樣電阻對傳感器輸出信號濾波放大和頻率計數(shù)處理，若壓力數(shù)據(jù)或傳感器編碼頻率越限，則可初步診斷傳感器信號調(diào)理電路或頻率發(fā)生器出現(xiàn)故障，可采取相應措施進行處理。 1．4 遠程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)負責壓力數(shù)據(jù)的集中管理，實現(xiàn)傳感器、注水井壓力數(shù)據(jù)查詢和報表功能。分檢測站將各注水井壓力數(shù)據(jù)上傳至中心站管理主機，由中心站主機實現(xiàn)油田所有注水井壓力數(shù)據(jù)綜合管理，并對各注水井壓力進行長期在線監(jiān)測，為油田生產(chǎn)和決策提供參考依據(jù)。 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)由傳感器信息管理、壓力數(shù)據(jù)管理組成。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以Visual Basic 6．0為開發(fā)平臺，采用Access數(shù)據(jù)庫進行記錄更新、查詢和報表操作。 2 結(jié)論 注水井壓力檢測系統(tǒng)中智能壓力傳感器、檢測儀和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)從2002年12月開始在大慶油田開始試驗，已成功運行1年多時間?，F(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)表明壓力傳感器在冬季低溫和夏季高溫情況下輸出精度小于1．5％，比螺旋式彈簧管取壓表精度有較大提高。在智能傳感器的布置方面，較好地解決了安裝和密封問題。試驗結(jié)果表明，注水井壓力數(shù)據(jù)智能檢測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，壓力數(shù)據(jù)真實可靠。 油田注水井壓力數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)作為油田信息化建設(shè)的一個重要組成部分，它的研究、開發(fā)和應用將對于油田信息化建設(shè)起到積極的推動作用。 參考文獻： [1]上官永亮，趙慶東，宋杰，安震．注水井合理配注方法研究叨．大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2003，（3）：40-43． [2]孫廣軍．HART現(xiàn)場通信協(xié)議叨．電力情報，2002，（3）：66-68． [3] 張仕倫．HART通信協(xié)議及應用叨．自動化與儀器儀表，1999，（5）：3-6． [4] Cobb Jim．Control in the Field With HART～ Communications Ⅲ．ISA Transactions，1996，35：165-168． [5]Helson Ronald B． The HART0 Protocol an Enabler for Improved Plant Perfo～ance[J1．ISA Transactions， 1996，35：159—164． [6]陳東宇，施一明，金建祥．基于HART協(xié)議的智能擴散硅壓力變送器．自動化儀表，2001，（6）：17—19． 原文請點擊下載：基于HART協(xié)議注水井壓力檢測系統(tǒng)的研究.pdf