论文部分内容阅读
摘要：地处偏远地区、沙漠、海洋等地区的油田单井罐的液位测量是在油田生产过程中，迫切需要解决的问题。本方案针对油田单井罐，采用非接触式数据采集，进行液位检测，通过无线通信技术传输、组网，实现单井罐液位检测智能化，为全面实现油气田生产物联网控制奠定基础，具有一定的实用价值。
关键词：油田;单井罐;液位;检测;报警;无线通信
1概述
近年来，许多高新技术、新方法和新型仪表如计算机、微电子等高新技术已经应用到油罐的计量领域，使油田单井罐液位检测进入到一个多功能、高精度的新阶段。但在油田原油生产中真正得到应用的为数不多，这主要是由于原油检测条件恶劣，罐内油水界面随时间、温度变化二变化，尤其是产量不稳定的单井，液面上升规律动态变化大，经常会发生冒罐、漏油等生产事故，造成不必要的生产损失。为了提高储单井罐的生产效率，了解储单井罐中油层的高度，就必须准确的测量出原油的上界面，以便安全地输入原油，防止溢出;同时也必须准确地测量出原油的下界面，以便放出不含油的水。因此，设计和开发一种非接触式的、移动式的、远程全自动储油罐的多界面监测、报警装置，并进行自动记录、存储、分析、显示和打印就尤为必要。
2项目研究内容和拟解决的问题
2.1一种具有液位检测报警功能的油田单井罐
单井罐液位检测报警系统采用非接触移动式电容法的检测，参数的测定及计算。总体设计框图如下：
电容传感器：完成单井罐液位非接触式数据检测;
信号采集电路：把传感器检测到的微弱信号进行初步处理;
信号变换电路：把采集的数据信号变换为适合于主处理器存储，传输的数据格式;
主控制器：完成液位信号检测、传输、控制;
驱动控制电路：完成单井罐相关部件的报警、液位保护处理等;
无线数据通信电路：包括无线数据发送和接收。通过无线通信和网络模块把需要发送和接收到的控制信息进行数据传输。多个的单井罐可以实现组网控制。
供电电路：完成整个报警系统电路的电路供电。根据具体需要可提供电池供电和太阳能补充供电模式。并且能够进行自动切换。
2.2液位检测设备安装图
液位检测报警工作过程及参数的测定。现场设备构成示意图如下：
3单井罐报警控制中的无线通信技术
大大小小的油田单井罐成百上千，相距几十米到几百公里。传统的报警数据存储在单井罐本地，采用人工方式采集这些数据，效率低，不能准确及时，并对工作人员的安全构成极大威胁。随着技术的发展，出现了应用GPRS，GSM，数字电台采集这些数据的方法。但是经过一些油田的使用发现也存在许多问题。首先是这些设备造价昂贵，维护和运营费用高。ZIGBEE无线通信技术和LoRa网络技术的出现和应用可以使这些问题得到很好的解决，实现了高效率、智能化，并且为进一步实现大数据环境下油田单井罐物联网建设奠定了硬件基础。
3.1单井罐液位报警控制中无线通信技术应用的必要性
（1），基于单井罐地理环境多为偏远地区或为海上、湖泊，沙漠等限制无法使用有线传输，无线网络成为首选;
（2）基于单井罐地理分布特点，无线网络需要实现广域覆盖;
（3） 建设传统的运营商无线专网成本非常昂贵;
（4） 数据传输的安全性需求;
（5） 实现单井罐液位监控远程化，为油气井生产物联网生产监控奠定基础。
3.2无线数据传输组网技术方案
根据单井罐的分布规律系统采用ZIGBEE 技术和LoRa网络技术结。由于单井罐一般是成群分布，在井场内部和井群内部由ZIGBEE 终端节点，路由节点，协调器节点组成一个无线网。整个井群的数据再经LoRa网络传回相距交远的数据中心数据库。数据中心或使用单位经过对数据处理，对油井进行时时监测和控制。
該系统方案在单井罐罐口安装具有无线收发功能的液位数据采集及存储等信息模块。
数据无线传输技术采用LoRa低功耗技术，LoRa是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，采用直序扩频方式，抗干扰性强，接收灵敏度高;我司的lora模块链路预算优，单个节点可以覆盖几十公里范围，同时满足低功耗需求;具备安全、丰富的功能。
本方案设计可通过无线通信进行可识别井号、采集数据具有时间信息的液位检测。检测数据时无需人工到现场打开单井罐，实现真正的无人值守。单井罐维修时可在罐外无线读取液位数据，测试安全方便，大大减轻劳动强度，有效提高巡井质量，可促使巡检人员在规定的时间、确定的油井和水井位置取得实际、有用、数据准确的液位检测值，有利于确保基础分析数据的准确性，为油田生产过程制定出有针对性的合理的调控措施，为增产措施提供依据，促进油田的生产。
4系统方案特点
（1）采用模块化设计，系统集成化程度高;
（2） Zigbee、LoRa无线通信技术成熟;
（3）Zigbee通信不需要任何费用、节省控制成本;
（4）LoRa无线传输采用AES加密技术，能够有效保证数据在通信过程中的安全，即便数据被截获也难以破解;
（5）FEC前向纠错技术是一种非常重要的防干扰算法，能极大地减少通信中的误码率;
（6）工作模式：透明传输数据、定点传输、广播与数据监听。
5结语
本文给出了一种基于无线通信技术的具有液位检测报警功能的油田单井罐液位检测报警系统方案，具有保温功能，能够缩短油气分离时间，并设置液位检测报警装置。基于本设计方案设计的单井罐液位检测报警装置，可提高油气单井罐安全性能，实现了非接触数据检测、无线数据传输控制，为油气井生产实现物联网监控奠定基础，系统应用市场前景良好。
参考文献
[1]胡绪尧，孙晓英，肖安山，杨静怡，马明，贾润中.探地雷达在加油站地下罐区泄漏检测中的应用[J].安全、健康和环境.2016.
[2]杨梅，杨智超，李凤绪，王成林储油罐设计储存液位高度的计算[J]..当代化工.2015（02）
作者介绍：
韩丽英（1966.5.19—）;女;吉林省桦甸;汉;大学;教授;通信;电子信息;吉林省长春市长春理工大学光电信息学院。
关键词：油田;单井罐;液位;检测;报警;无线通信
1概述
近年来，许多高新技术、新方法和新型仪表如计算机、微电子等高新技术已经应用到油罐的计量领域，使油田单井罐液位检测进入到一个多功能、高精度的新阶段。但在油田原油生产中真正得到应用的为数不多，这主要是由于原油检测条件恶劣，罐内油水界面随时间、温度变化二变化，尤其是产量不稳定的单井，液面上升规律动态变化大，经常会发生冒罐、漏油等生产事故，造成不必要的生产损失。为了提高储单井罐的生产效率，了解储单井罐中油层的高度，就必须准确的测量出原油的上界面，以便安全地输入原油，防止溢出;同时也必须准确地测量出原油的下界面，以便放出不含油的水。因此，设计和开发一种非接触式的、移动式的、远程全自动储油罐的多界面监测、报警装置，并进行自动记录、存储、分析、显示和打印就尤为必要。
2项目研究内容和拟解决的问题
2.1一种具有液位检测报警功能的油田单井罐
单井罐液位检测报警系统采用非接触移动式电容法的检测，参数的测定及计算。总体设计框图如下：
电容传感器：完成单井罐液位非接触式数据检测;
信号采集电路：把传感器检测到的微弱信号进行初步处理;
信号变换电路：把采集的数据信号变换为适合于主处理器存储，传输的数据格式;
主控制器：完成液位信号检测、传输、控制;
驱动控制电路：完成单井罐相关部件的报警、液位保护处理等;
无线数据通信电路：包括无线数据发送和接收。通过无线通信和网络模块把需要发送和接收到的控制信息进行数据传输。多个的单井罐可以实现组网控制。
供电电路：完成整个报警系统电路的电路供电。根据具体需要可提供电池供电和太阳能补充供电模式。并且能够进行自动切换。
2.2液位检测设备安装图
液位检测报警工作过程及参数的测定。现场设备构成示意图如下：
3单井罐报警控制中的无线通信技术
大大小小的油田单井罐成百上千，相距几十米到几百公里。传统的报警数据存储在单井罐本地，采用人工方式采集这些数据，效率低，不能准确及时，并对工作人员的安全构成极大威胁。随着技术的发展，出现了应用GPRS，GSM，数字电台采集这些数据的方法。但是经过一些油田的使用发现也存在许多问题。首先是这些设备造价昂贵，维护和运营费用高。ZIGBEE无线通信技术和LoRa网络技术的出现和应用可以使这些问题得到很好的解决，实现了高效率、智能化，并且为进一步实现大数据环境下油田单井罐物联网建设奠定了硬件基础。
3.1单井罐液位报警控制中无线通信技术应用的必要性
（1），基于单井罐地理环境多为偏远地区或为海上、湖泊，沙漠等限制无法使用有线传输，无线网络成为首选;
（2）基于单井罐地理分布特点，无线网络需要实现广域覆盖;
（3） 建设传统的运营商无线专网成本非常昂贵;
（4） 数据传输的安全性需求;
（5） 实现单井罐液位监控远程化，为油气井生产物联网生产监控奠定基础。
3.2无线数据传输组网技术方案
根据单井罐的分布规律系统采用ZIGBEE 技术和LoRa网络技术结。由于单井罐一般是成群分布，在井场内部和井群内部由ZIGBEE 终端节点，路由节点，协调器节点组成一个无线网。整个井群的数据再经LoRa网络传回相距交远的数据中心数据库。数据中心或使用单位经过对数据处理，对油井进行时时监测和控制。
該系统方案在单井罐罐口安装具有无线收发功能的液位数据采集及存储等信息模块。
数据无线传输技术采用LoRa低功耗技术，LoRa是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，采用直序扩频方式，抗干扰性强，接收灵敏度高;我司的lora模块链路预算优，单个节点可以覆盖几十公里范围，同时满足低功耗需求;具备安全、丰富的功能。
本方案设计可通过无线通信进行可识别井号、采集数据具有时间信息的液位检测。检测数据时无需人工到现场打开单井罐，实现真正的无人值守。单井罐维修时可在罐外无线读取液位数据，测试安全方便，大大减轻劳动强度，有效提高巡井质量，可促使巡检人员在规定的时间、确定的油井和水井位置取得实际、有用、数据准确的液位检测值，有利于确保基础分析数据的准确性，为油田生产过程制定出有针对性的合理的调控措施，为增产措施提供依据，促进油田的生产。
4系统方案特点
（1）采用模块化设计，系统集成化程度高;
（2） Zigbee、LoRa无线通信技术成熟;
（3）Zigbee通信不需要任何费用、节省控制成本;
（4）LoRa无线传输采用AES加密技术，能够有效保证数据在通信过程中的安全，即便数据被截获也难以破解;
（5）FEC前向纠错技术是一种非常重要的防干扰算法，能极大地减少通信中的误码率;
（6）工作模式：透明传输数据、定点传输、广播与数据监听。
5结语
本文给出了一种基于无线通信技术的具有液位检测报警功能的油田单井罐液位检测报警系统方案，具有保温功能，能够缩短油气分离时间，并设置液位检测报警装置。基于本设计方案设计的单井罐液位检测报警装置，可提高油气单井罐安全性能，实现了非接触数据检测、无线数据传输控制，为油气井生产实现物联网监控奠定基础，系统应用市场前景良好。
参考文献
[1]胡绪尧，孙晓英，肖安山，杨静怡，马明，贾润中.探地雷达在加油站地下罐区泄漏检测中的应用[J].安全、健康和环境.2016.
[2]杨梅，杨智超，李凤绪，王成林储油罐设计储存液位高度的计算[J]..当代化工.2015（02）
作者介绍：
韩丽英（1966.5.19—）;女;吉林省桦甸;汉;大学;教授;通信;电子信息;吉林省长春市长春理工大学光电信息学院。