油气生产无线物联网技术的应用与展望

油气生产无线物联网技术的应用与展望

徐朝农 马文禹

中国石油大学（北京）计算机科学与技术系 北京 102249

xuchaonong@

摘要：介绍了中国石油大学（北京）近年来在油气生产无线物联网方面的一些实践工作。结合低功耗泥浆录井和移动人员实时跟踪这两个具体的应用实例，介绍了系统的研发和应用的体会，并对油气生产无线物联网技术的难点和发展方向进行了一些思考和建议。

关键词： 物联网，油气生产，无线，传感，低功耗

1、介绍

物联网（Internet of Things:IOT）是通过传感设备，按照约定的协议，实现物与物、物与人之间的连接，通过信息交换和通信，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网与各个行业相结合，就产生了具有行业特色和特征的物联网系统，如车联网、农业物联网等。

油气生产物联网是将物联网技术与油气生产过程相结合的产物。其实质是结合目前各油气田的实际需求，开发统一、开放的油气生产管理信息平台，基于该平台将信息技术与实际油气工业生产融合起来，使得生产操作自动化，确保油气生产的安全稳定，便于决策者及时、准确地做出决策，优化生产管理流程和组织结构，为油气生产的精细化管理奠定技术基础[1]。

油气生产物联网系统主要分为三部分，最底层为感知层[2]，在作业现场（如井场、站库等）安装数据采集和监控设置，对生产数据进行采集；中间层为传输层，通过有线或无线传输将采集的生产数据传输到生产调度指挥中心；最高层为应用层，对收集到的数据进行汇总、分析和综合，为科学决策提供依据。

当前，在油气生产现场，由于布线困难、电源供给难以及工业防爆等多方面原因，使得油气生产现场的信息化改造异常困难。无线短距离传输技术与低功耗技术的结合，使得采用油气生产无线物联网技术来实现油气生产物联网的感知层成为了可能，为油气生产的信息化奠定了技术基础。

近年来，中国石油大学（北京）对无线物联网技术不仅进行了理论上的探索，而且面向油气行业，研制了以“超低功耗无线泥浆录井”和“移动人员实时跟踪”为代表的无线物联网系统，充分说明了该技术已经比较成熟，完全可以在石油行业中得到应用。

2、超低功耗无线泥浆录井系统

2.1、背景与挑战

作者简介：徐朝农，博士，中国石油大学（北京）计算机科学与技术系副教授。研究方向为无线传感器网络、嵌入式

系统，近年来一直从事油气物联网产品研发。

泥浆录井为钻井过程提供了第一手的数据，已经成为钻井过程必不可缺的部分。目前，国内外泥浆录井系统基本结构为：在泵区、钻区、罐区安装各类录井用传感器，这些传感器采集例如立压、套压、井深、入口流量等录井参数，并通过现场总线或4~20mA电流环技术接入录井房的计算机中，由运行在计算机上的软件进行可视化的数据显示和存储等[3]。

这种传统的结构虽然运行多年，但存在着很大的维护工作量。在钻井架安装好之后，录井人员就必须进入现场，进行传感器安装，同时，施工人员需要进行挖沟布线，将沉重的防爆电缆从录井房手工接入传感器端。尤其在冬季，这种挖沟布线的工作难度更大，经常出现出入井场的运输车将电缆压断的情况，导致钻井工作的暂停，严重影响了生产效率[4]。

更为致命的是，随着移动钻井技术的出现[5]，传统的泥浆录井系统已经不能适用。由于钻台可移动，这就要求录井系统不能有任何线缆，否则经常性的拖拽将会导致线缆的脱落，引发生产安全事故。显然，采用无线传输技术，将录井传感器的数据无线传输到录井房成为技术的必然选择。

然而，无线录井系统却难以工程实现，首当其冲的挑战就是系统的低功耗设计难题。出于安全责任追究以及大电流钻机带来的电源干扰，无线录井系统不能使用钻台上的市电，必须采用独立的电池电源供应，而现有的录井传感器和无线传输技术典型工作电流都在20mA左右甚至更高，现有的电池技术无法保证系统的长时间连续工作；其次，在钻井现场，钻井架的密集布设、大电流设备的频繁启停、对讲机的使用等都带来了井场电磁环境的复杂性，直接影响了无线传输的可靠进行；最后，出于运输和使用方便的需求，录井设备必须体积小型化。现有的系统无法同时满足这些要求。

2.2、系统设计

图1 超低功耗无线泥浆录井系统整体结构图

图1为泥浆录井系统的整体结构图。在钻台区、泵区、罐区安装相应的低

功耗录井传感器和一个或多个无线传输节点，传感信号有线接入无线传输节点，由节点对传感信号进行采样和初步处理后，通过短距离无线传输给位于录井房的后台转发器节点，由泥浆录井软件进行数据的显示和处理，泥浆录井软件还可以通过井场内的WIFI网络将传感数据发送给司钻显示端，或通过移动通信网络将数据传输给总部的后台数据库，以做进一步的处理。

显然，系统设计最困难的部分在于感知层。为达到系统的低功耗、小体积的要求，系统集成的方案显然不合适。我们从芯片级着手进行设计。主要设计思路为：（1）、采用433MHZ无线短距离传输技术，充分发挥其绕射传输优势以确保传输可靠性；并且，频点静态可调，以适应不同的井场环境的无线干扰。（2）、无线传输节点同时从硬件和软件两方面进行低功耗优化。（3）对已有的泥浆录井传感器进行低功耗化改造，以降低系统的整体能耗。

作为系统核心的无线传输节点，其总体结构图如下：

图2 低功耗无线传输节点原理图

图中，ADC芯片负责采样传感器送来的模拟电压信号，而一些数字传感器（如井深、泵冲等）的信号则直接送入MCU进行处理，MCU可对传感器电源供电进行程控开关，以切断传感器在闲置时的电源供应。射频模块采用具有频点、功率、休眠模式可选择的芯片，以增强系统的灵活性。此外，模块还对录井传感器提供可控电源，其目的就是尽可能降低系统功耗。

对于录井传感器的低功耗改造，主要是传感器探头的选择和处理电路的设计，一方面需要保证传感器在硬件上具有低功耗特性，另一方面需要保证传感器系统具有快速的上电稳定时间，以使得在不需要采样时，可以切断传感器的电源供应，而在进行采样时，传感器上电后能够快速得到准确的传感值。

2.3、完成情况

对录井传感器的低功耗改造与低功耗无线传输节点的设计完成情况如表1所示，所有器件均超低功耗，完全满足现场需要。

表1 低功耗传感器和无线传输节点性能指标

防爆 输入电

量程 工作温度 功率

压

低功耗绞车传感器 本安型 2.5‐‐3.5V‐32767‐‐+32768m ‐40‐‐+85℃<60μW 低功耗立压传感器 本安型 2.5‐‐3.5V0‐‐40.4MPa ‐40‐‐+85℃<3.3mW