前言
井口數字化建設是油田地面工程數字化建設最底層、范圍最廣、最關鍵的現場部分，主要完成對現場井口、站點的數據采集和控制。包括：抽油機油井、螺桿泵油井、電潛泵油井、注水井等。在數字化油田井口建設中，使用無線傳感器可以減少建設周期、維護方便，適合于規模施工，全面建設數字化油田。下面以中石油青海油田為例，介紹無線傳感器在油田中的應用。
1.背景介紹
中石油青海油田公司是集油氣勘探、開發、研究、生產、銷售為一體的大型石油公司。作業區域在素有"聚寶盆"之稱的柴達木盆地。石油資源量達21.5多億噸，天然氣資源量近25000億立方米，目前油氣勘探程度較低，具有廣闊的發展前景。
自2000年以以來，青海油田在部分區塊已經建立了井網自動化系統，典型系統如尕斯區塊、躍進區塊、七個泉區塊，覆蓋約500多口油井。但是原有系統的覆蓋面小，對于整個油田而言，仍有一半以上的井口、站點尚未實現自動化監控；另一方面，隨著電子技術、通信技術的發展，在已有系統中，早期建成的部分系統采用的產品和技術已經逐漸失去了先進性，在使用維護過程中暴露出的一些問題。
2011年青海油田的數字化油田項目，完成對現場的抽油機油井、螺桿泵油井、電潛泵油井、注水井的數字化建設。最終要在2011年底建立起覆蓋整個油田的、技術先進、質量可靠、便于使用維護的基于物聯網的油田數據采集和監控（SCADA）系統，實現數字化油田的建設目標。
在實時監控方面，實現對油井的遠程示功圖、電流圖、功率圖采集，三相電參數采集和中控室遠程啟停控制；在生產管理方面，通過抽油機示功圖對油井工況進行診斷分析，通過電量數據掌握油井耗電情況和采取節能措施，通過功圖計產分析制定油井管理措施；在生產信息方面，在鉆采院室設置數據庫服務器和WEB發布服務器，實現油田生產信息在油田范圍內的信息共享。
1.1數字化油田項目
既包括新建區塊（對原來沒有實現自動化的區塊進行自動化建設），也包括老區塊改造（對已有自動化的區進行改造和完善）。其中新建區塊的抽油機井約1000口、螺桿泵井約100口、電潛泵井約20口，此外還包括600多口注水井；老區塊改造的油水井總數約數百口。這些油水井隸屬于3個采油廠12個區塊。
各種井口要實現的功能如下：
2.數字化油田的總體結構設計和產品選型
井口數字化建設主要由井口控制終端(RTU)、現場檢測設備、通訊鏈路組成的一套（SCADA）數據采集控制系統。如何選用功能完備的RTU和檢測儀表、如何選用可靠的通訊方式進行井口數據通訊以及如何使數據穩定準確及時的傳輸到中控室，都決定了系統的穩定性、實用性和可靠性。
在2011年的新系統建設和老區塊改造項目中，盡管各種油水井的功能同以前建設的已有系統類似，但是在井站系統的通信系統設計和產品、技術選型方面，卻發生了本質的變化。
在產品選型方面，選用北京安控科技股份有限公司最新生產的高性能一體化無線RTU產品和無線傳感器，安控產品既保留了其傳統的高性能、高可靠性等特點，同時又全面支持最新的ZigBee無線技術。對于該油田已有系統的老RTU，也采用北京安控公司的ZigBee無線通信模塊進行改造，擴充出無線通信接口。
在井站系統通信設計方面，井口儀表與井口RTU之間采用先進的ZigBee無線技術，具備大容量、低功耗、高可靠性、高安全性的優點，代表了短距離無線通信技術的發展趨勢，并由此帶來施工簡化、調試維護簡單、建設周期短等優點。井口RTU與上級監控中心之間的數據通信，則采用了CDMA通信網絡。
2.1井站自動化系統的總體結構
在高標準、高性能、高穩定性的原則指導下，青海油田數字化油田系統結構如下圖所示，包括數據采集部分、網絡通訊部分和采集驅動WEB發布三大部分
●每個井口通過無線傳感器采集所需數據；
●充分利用ZigBee網絡特點，一個平臺井口的所有無線儀表接入到同一個無線RTU，組成Mesh網絡，提高通訊可靠性；每個RTU可以帶64塊儀表；
●所有無線儀表和無線RTU支持手操器調試，方便現場維護；
●無線RTU采集到的無線傳感器數據，通過CDMA 1X網絡上傳到監控中心，并在本地存儲歷史數據，支持數據補傳功能；
●監控中心搭建油氣水井數字化生產信息平臺，通過WEB方式發布井口實時數據；
2.2產品選型
在油田井口數字化建設中，相關產品選用了北京安控科技股份有限公司的采集和控制設備。這些設備均支持ZigBee技術。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。ZigBee技術是基于IEEE802.15.4物理層、MAC層和數據連接層上制定出的標準，具有高可靠、高性價比、低功耗的網絡應用規格。
北京安控科技股份有限公司（簡稱"安控科技"），是專業從事工業級RTU產品研發、生產、銷售和系統集成業務的高新技術企業，是行業領先的工業級RTU產品供應商和系統集成服務商，擁有完善的遠程控制終端（RTU）產品鏈，擁有完善的油氣田自動化和環保在線監測專用產品。
2.2.1無線電量模塊
抽油機井、電潛泵井的數據采集設備，選用的是安控科技的SZ308無線電量模塊，可實現三相電壓、三相電流、有功功率、功率因數、有功電能等電參數采集，實現抽油機啟停狀態采集，實現抽油機的啟停控制，與SZ902N配合實現抽油機井電流圖、功率圖的采集。模塊具備6路AI、4路DI、4路DO通道。在通信接口方面，具備1個RS232接口、1個RS485接口，內置了高性能的ZigBee通信芯片，并配套提供2.4G高增益天線。
SZ308無線電量模塊采用先進的32位處理器，不僅能完成電參數的采集，還能實現數據處理、通訊聯網等功能；強大的通訊組網能力和卓越的環境指標特性，能夠適應各種惡劣工況環境。通過無線通訊協議與井口RTU進行數據通訊。
2.2.2無線功圖傳感器
抽油機井示功圖采集選用安控科技的SZ902N無線功圖傳感器，可自動測量抽油機井地面示功圖（沖程、沖次等），實現對有桿泵示功圖的采集。示功圖數據以ZigBee無線通信方式，傳輸到井口無線RTU中。
SZ902N無線功圖傳感器，設備簡單，只有一個與傳統載荷傳感器相似的終端組成；安裝方便，與傳統的載荷傳感器安裝方法相同，但是免去了有線儀表電纜敷設的施工量，安裝簡化快捷；運行穩定，使用電池供電，可消除外界電網干擾；安全防盜，示功儀與卡鎖一起上下運動，不易被人為破壞；技術先進，可設置多個頻點，避免同頻干擾；方法新穎，利用加速度傳感器獲取位移量；綠色產品，利用太陽能充電安全環保。通過無線通訊協議與井口RTU進行數據通訊。
2.2.3無線數字壓力表
井口油壓、套壓采集選用安控科技的SZ903D無線數字壓力表，實時監測油壓、油套的壓力和注水井注水壓力。SZ903D無線數字壓力表，就地顯示配置液晶顯示器；采用防H2S腐蝕設計；適用于各種惡劣的使用環境；具有功能強、可靠性高、應用靈活、操作方便等特點。通過無線通訊協議與井口RTU進行數據通訊。
2.2.4無線扭矩傳感器
螺桿泵井口扭矩、負荷、轉速采集選用安控科技的SZ904無線扭矩傳感器，實時監測螺桿泵井口扭矩、負荷、轉速。SZ904無線扭矩傳感器，采用防H2S腐蝕設計；適用于各種惡劣的使用環境；具有功能強、可靠性高、應用靈活、操作方便等特點。通過無線通訊協議與井口RTU進行數據通訊。
2.2.5無線數字溫度表
井口溫度采集選用安控科技的SZ905D無線數字溫度表，實時監測井口油溫和注水井注水溫度。SZ905D無線數字溫度表，就地顯示配置液晶顯示器；采用防H2S腐蝕設計；適用于各種惡劣的使用環境；具有功能強、可靠性高、應用靈活、操作方便等特點。通過無線通訊協議與井口RTU進行數據通訊。
2.2.6無線RTU
井口無線RTU選用安控科技的SZ932無線網關產品。該設備具有1個ZigBee無線接口、1個RS485接口、1個RS232接口、1個TCP/IP網絡接口，因此可以廣泛用于以下場合：
（1） 接收SZ90X無線儀表的數據；
（2） 實現有線通信和無線通信之間的轉換；
（3） 實現第三方產品的協議轉換；
（4） 作為網關設備，將有線RS232/RS485或者無線通信轉換為網絡數據傳輸；
在油田井口數字化建設中，SZ932無線RTU可以通過ZigBee接口接收井口無線儀表的數據，并通過ZigBee或其他通信方式將井口數據上傳到監控室。主要支持的通信方式為
1) GPRS/CDMA DTU通信
2) 無線網關通信
3) SCDMA大靈通通信
4) 數傳電臺通信
5) 有線RS485通信
2.3網絡通信設計
從系統結構圖可以看出，通信設計采取了ZigBee+CDMA 1X方式，達到實時數據采集、傳輸、遠程控制等效果，并將相應數據傳輸至后臺網絡，實現后臺信息共享，信息管理等應用。
2.3.1 ZigBee無線應用部分
每個叢式井場，一般有3、4口井相對比較集中,采用短距離無線技術可以節省成本同時也降低了施工強度。無線技術采用的是ZigBee的無線網絡協議，ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)915MHZ(美國流行)3個頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-250m的范圍內，但可以繼續增加。
2.3.2 CDMA應用部分
井站是分散的，且與作業區監控中心的距離相對較遠。井口采集數據要統一傳送到中控室，采取了抗干擾能力強、傳輸距離遠的CDMA作為媒介，以保證數據傳輸的實時性、可靠性和穩定性。
3．系統實現的功能
數據采集包括井口數據采集、作業區監控中心。
3.1井口數據采集部分
1) 功圖法量油
在井場，井場配套無線功圖傳感器SZ902N，實現油井功圖全天候采集。在作業區監控中心則安裝專門的示功圖量油診斷軟件，及時掌握油井產量情況和分析故障原因。
2）電流圖、功率圖采集
無線電量模塊與無線功圖傳感器配合，實現油井電流圖、功率圖全天候采集。在作業區監控中心則安裝專門的分析診斷軟件，及時掌握油井電機運行情況和分析故障原因。
3）電參采集、油井壓力、溫度采集
在抽油機控制箱配套無線電量模塊SZ308，監測抽油機上下行過程中三相電流和三相電壓的變化情況；監視抽油機運行狀態，對電機缺相、過載、空轉等故障實現自動報警，并能根據控制中心命令實現啟停控制。
在油井上安裝無線數字壓力表SZ903D，實時監測油壓和套壓的變化。
在油井上安裝無線數字溫度表SZ905D，實時監測井口出油溫度的變化。
3）螺桿泵井
在螺桿泵井井口安裝無線扭矩傳感器，實時采集光桿的扭矩、負荷、轉速。在作業區監控中心則安裝專門的螺桿泵量油診斷軟件，及時掌握螺桿泵井產品情況。
無線RTU SZ932提供了標準的RS485接口，能夠與螺桿泵控制變頻進行通訊。采集變頻實時數據，了解三相電壓、三相電流、電功率、功率因數和電能等參數，并據此制定節能降耗措施。
4）電潛泵井
在電潛泵井控制箱內配套無線電量模塊SZ308，通過電流互感器對電泵井的三相電流進行實時監控。
5）注水井
在注水井安裝無線數字壓力表SZ903D，實時監測注水井壓力的變化。
3.3監控中心部分
建立油氣水井數字化生產信息平臺，通過WEB方式實現流程監控、功圖分析、生產曲線、報表生成、操作日志和報警等功能。有著信息完整、提高工作效率、正確掌握系統運行狀態、加快決策、能幫助快速診斷出系統故障狀態等優勢。提高了油田油井系統運行可靠性、安全性與經濟效益，減輕了調度員的負擔，實現了油田調度自動化與現代化，在提高調度人員的工作效率和操作水平方面有著不可替代的作用。
4．無線傳感器在油氣田數字化建設中的優點、效益分析
與傳統的產品選型和系統設計相比，無線傳感器在油氣田數字化建設和使用中均顯示出了獨特的優點：
4.1施工簡便、低成本，節省材料和人工
油田傳統的井站自動化系統的建設方式，以某油田原有的老區塊為例，采用的是模擬儀表和有線通信傳輸。模擬儀表傳輸和有線通信方式，在施工安裝過程中不可避免地需要敷設信號電纜、通信電纜（如RS485電纜），涉及到在井場挖溝和安裝電纜護管等。人工費用和材料費用造成施工成本高。
而在無線傳感器應用的系統中，這一部分的施工費用不存在了，信號傳輸和通信傳輸均簡化為無線通信的調試，施工成本被降到了最低。
4.2施工快捷，建設周期短，便于后期維護
由于新系統的建設省略了在井場動土挖溝、動火電焊等施工，因此施工速度提高了數倍。
以安控科技生產的無線功圖傳感器的安裝為例，傳統的信號電纜敷設和傳感器安裝需要至少半小時以上，而該傳感器減少了安裝抽油機光桿卡子和電纜敷設的時間，因此正常的安裝時間縮短到了10分鐘以內。
井場內自動化設備的安裝施工中，都需要對油井停機停電，而停機就意味著油井減產。因此從這個意義而言，施工速度的提高就等于是生產效益的提高。
在系統的后期維護方面，某油田老區塊原有的信號和通信電纜，在修井作業中經常被重型車輛軋斷和遭到人為破壞。而無線傳感器則免除了這一問題。
4.3適合于規模施工，全面建設數字化油田
隨著電子技術、計算機技術的進步，特別是國產設備的推陳出新，油田專用的RTU、PLC產品的采購成本已經逐漸降低；而無線技術的應用，則帶來了施工費用的大大降低。
僅僅在數年以前，油田數字化建設的投資還只能針對重點區塊、建設重點工程。而目前最新的技術和產品，則為全面建設數字化油田創造了條件。