丁哲文，聶亞龍，彭 達，黃承先，張應(yīng)紅

(桂林電子科技大學機電工程學院 廣西 桂林 541004)

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,各行各業(yè)對石油的需求量日益增加。但是在石油開采過程中,很多油氣田進入了二次、三次開采過程，石油開采的難度越來越大，成本越來越高，同時也帶來了一些安全問題[1]。為了有效減小開采過程中的風險，產(chǎn)層保護是一個重要環(huán)節(jié)[2]。其中，對油井加蓋封井器是一項避免事故發(fā)生的有效措施。井下封井器是一種在試油、修井、完井過程中將井口封閉的裝置。該裝置可以實現(xiàn)全過程欠平衡鉆井，從而防止鉆井液泄漏、提高鉆井效率、保護儲層、提高單井產(chǎn)量[3-4]。但是目前市面上的封井器很少帶有探測裝置，不能在石油開采過程中主動探測井下各項參數(shù)，無法很好地滿足數(shù)字油田建設(shè)的需求。

將石油開采過程變得更加智能化和自動化是石化行業(yè)的發(fā)展趨勢。針對現(xiàn)有封井器存在的難以實時監(jiān)測與預(yù)警等問題，本文提出了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能封井器設(shè)計方案。該方案對封井器機械結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成、軟件和硬件設(shè)計進行了詳細闡述，制作了樣機并進行系統(tǒng)測試。基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能封井器集油井智能化、信息化于一體，是提高油井開采效率、節(jié)能降耗能力、增產(chǎn)潛力的石油工程解決方案。

1 封井器結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能封井器結(jié)構(gòu)分為防盜井蓋、天線模塊、主控電路及NB-IoT模塊、電池模塊、信號線、溫度壓力傳感器模塊以及封井器底座等。該封井器具有防止井噴、保護儲層、隔絕井下壓力等功能。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能封井器結(jié)構(gòu)示意圖

在封井器上添加了防盜井蓋并且噴涂迷彩，增加了隱蔽性。防盜井蓋頂端用水泥砂漿做頂，在防止盜竊的同時便于無線電信號傳輸；天線接口、傳感器接頭等都采用密封防水結(jié)構(gòu)，將控制器、傳感器及電池等密封在一個防潮防腐的密封環(huán)境內(nèi)，防止腐蝕性的液體和氣體進入導(dǎo)致電路損壞。傳感器采用膜片式壓力傳感器，其外殼和彈性體均為304不銹鋼。傳感器量程為50 MPa，在傳感器內(nèi)部安裝有PT100熱電阻溫度傳感器，可以同時測量壓力和溫度。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)的分層體系[5]進行設(shè)計，包括感知層、傳輸層、應(yīng)用層。感知層主要用于井下環(huán)境的壓力、溫度等信息的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至傳輸層[6]。傳輸層控制器接收到溫度、壓力傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行解析、轉(zhuǎn)換后傳送到窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，并通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)遠程傳送到云端[7]。應(yīng)用層中建立一個井下溫壓監(jiān)測平臺網(wǎng)站即遠程監(jiān)控中心，監(jiān)控中心從云端讀取采集數(shù)據(jù)，并可以與歷史數(shù)據(jù)進行對比分析。管理人員可以通過遠程監(jiān)控中心設(shè)置溫度、壓力參數(shù)的報警數(shù)值，當溫度或壓力超出閾值時，系統(tǒng)會發(fā)出報警提示并發(fā)送短信通知管理人員。方便管理人員及時關(guān)注相應(yīng)油井的內(nèi)部狀態(tài)，為再次采油或防護做準備。

系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。溫度和壓力信號由AD7793模塊調(diào)理后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，該芯片提供了1路2.5 V基準電壓和1路電流源。其中，基準電壓可以作為壓力傳感器的電橋供電，電流源可用于PT100的溫度信號激勵。主控芯片采用低功耗的STM32L053嵌入式芯片。時鐘模塊由SD3077芯片及其外圍電路組成，用于定時喚醒主控芯片和提供時鐘基準，窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信模塊為NB86-G模塊。遠程監(jiān)控端包括移動端與PC端2種模式，方便用戶自由選擇。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在智能封井器中，傳輸層的控制器負責定期采集井下溫度、壓力數(shù)據(jù)，處理并上傳至云端或服務(wù)器[8-9]。因此，系統(tǒng)的硬件主要圍繞著傳輸層控制器進行設(shè)計。傳輸層控制器主要由主控模塊、時鐘模塊、通信模塊、報警模塊等模塊組成。

3.1 主控模塊

本系統(tǒng)采用性能處理相對較強、功耗較低的意法半導(dǎo)體公司的STM32L053系統(tǒng)硬件的主控芯片。其芯片內(nèi)核為Cortex-M0，主頻為32 MHz，電源電壓為1.71～3.6 V，具有32 kB Flash存儲器。運行模式功耗為139 μA/MHz，當芯片處于睡眠狀態(tài)時，最低功耗僅需270 nA/MHz。該芯片在低功耗領(lǐng)域具有優(yōu)勢，其他性能與以往的STM32芯片相似。其最小系統(tǒng)包括BOOT電路、晶振電路、復(fù)位電路等。主控模塊主要用于收集由AD模塊轉(zhuǎn)換的傳感器數(shù)據(jù)、接受時鐘芯片信號并喚醒其他模塊，并將數(shù)據(jù)輸送給NB86-G模塊。

為了降低系統(tǒng)功耗，主控芯片在正常情況下處于低功耗模式中的休眠模式[10]。在該模式下，內(nèi)核停止運行，PLL、HIS和HSE振蕩器功能被禁止，運行功耗明顯降低，可達到微安級別，被喚醒后不會重新復(fù)位。當接收到時鐘芯片發(fā)出的喚醒信號時，主控芯片外部中斷接口接收到中斷信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換器開始采集溫度和壓力信號并將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控芯片。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，經(jīng)過主控模塊將數(shù)據(jù)傳送給通信模塊。主控芯片及外圍電路如圖3所示，其中JP1為程序下載接口；晶振Y2為系統(tǒng)提供運行頻率8 MHz的基準時鐘；Y3為32.786 kHz日歷計時時鐘晶振；電容C3與電阻R5組成濾波電路，防止復(fù)位按鍵按下時抖動；C6～C10為電源濾波電容。

圖3 主控芯片應(yīng)用電路

3.2 時鐘模塊

本系統(tǒng)使用SD3077芯片及其外圍電路構(gòu)成時鐘模塊。SD3077芯片具有IIC接口，最高速度400 kHz，工作電壓為2.7～5.5 V，可輸出14種方波脈沖，并且SD3077芯片內(nèi)置定時/報警中斷輸出腳和獨立的32 K時鐘輸出腳，報警中斷時間最長可設(shè)至100 a。SD3077芯片內(nèi)置晶振及數(shù)字溫度補償，因此可以不考慮外接晶振、諧振電容所帶來的元件匹配誤差問題、晶振溫度特性問題及可靠性問題。且該時鐘芯片具有極低的功耗，在3.3 V的工作電壓下，其功耗僅為0.6 μA。它具有應(yīng)用電路簡單、定時精度高、可定時輸出脈沖以及功耗低等優(yōu)點，因此本系統(tǒng)采用SD3077芯片。應(yīng)用電路如圖4所示。

圖4 時鐘芯片應(yīng)用電路

在系統(tǒng)中，通過設(shè)置SD3077芯片的寄存器CTR2，將該芯片設(shè)置成周期性報警的中斷輸出模式，并通過設(shè)置時間報警寄存器(07H～0EH)來確定報警中斷的時間。當芯片進入中斷時，會向主控模塊輸出低電平有效、寬度為250 ms的周期性信號喚醒主控模塊，使主控模塊周期性工作，從而減少系統(tǒng)功耗。

3.3 通信模塊

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)有ATM、光纖等有線網(wǎng)絡(luò)和GPRS、4G、5G、NB-IoT等無線網(wǎng)絡(luò)，有線網(wǎng)絡(luò)適用于非移動設(shè)備和供電便利的地方，而無線網(wǎng)絡(luò)具有布置靈活、便于移動等特點，尤其是低功耗廣域網(wǎng)的NB-IoT憑借其超大覆蓋面積、大連接以及低功耗特性在工業(yè)和生活中得到廣泛應(yīng)用。為此，本文采用基于海思半導(dǎo)體Hi2115窄帶物聯(lián)網(wǎng)芯片開發(fā)的NB86-G通信模塊，該模塊具有體積小、功耗低、傳輸距離遠及抗干擾能力強等特點，特別適合于電池供電的使用場景，且只要有蜂窩網(wǎng)絡(luò)的地方就能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接與通信。通過簡單的AT指令進行設(shè)置，就能輕松實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)透明傳輸，通過其全功能串口與STM32L0芯片的UART2實現(xiàn)通信，波特率為9 600 bps。通過AT指令進行模塊初始設(shè)置，其常用指令有:

1)AT+NBAND:查詢當前模塊頻段；

2)AT+CSCON:設(shè)置基站連接通知；

3)AT+CSCON？：查看模塊的連接狀態(tài)；

4)AT+CGATT？：查看網(wǎng)絡(luò)附著狀態(tài)。

當查詢網(wǎng)絡(luò)附著狀態(tài)為=1時代表附網(wǎng)成功，控制器就可以通過NB-86G模塊向云端發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用“NB模塊+窄帶物聯(lián)網(wǎng)+云端”[11]的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。此方式實現(xiàn)了低成本、無線化、響應(yīng)快速，平均響應(yīng)時長與TCP/IP持平，且控制系統(tǒng)成本較低。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 嵌入式軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要分為嵌入式系統(tǒng)軟件和遠程監(jiān)控端軟件。嵌入式軟件的開發(fā)采用嵌入式集成開發(fā)環(huán)境KEIL5 MARK，編程采用C語言。STM32L053作為主CPU，在系統(tǒng)中主要負責壓力、溫度數(shù)據(jù)的采集，接收時鐘芯片信號以及與通信模塊進行通信。為滿足控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、持續(xù)性和長航時工作，控制器將采用周期采集數(shù)據(jù)的方式進行工作。嵌入式軟件工作流程如圖5所示。

圖5 嵌入式軟件工作流程圖

當系統(tǒng)不采集數(shù)據(jù)時，處于休眠模式，主控模塊進入低功耗狀態(tài)。當系統(tǒng)需要進行數(shù)據(jù)采集時，時鐘模塊發(fā)送電平信號至主控模塊，使其結(jié)束休眠狀態(tài)，進入到工作狀態(tài)。傳感器開始采集壓力、溫度數(shù)據(jù)，控制器通過AD7793芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、重組后，由NB86-G通信模塊上傳至云端。若數(shù)據(jù)發(fā)送不成功，NB86-G模塊會重新進行聯(lián)網(wǎng)，重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.2 遠程監(jiān)控端軟件設(shè)計

遠程監(jiān)控端程序采用JAVA編寫，系統(tǒng)具有設(shè)備注冊、設(shè)備監(jiān)控(查詢最近的狀態(tài)數(shù)據(jù))、報警信息(超出閾值的數(shù)據(jù)，包括報警原因、是否已推送)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。圖6為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢界面，圖7為報警參數(shù)設(shè)置界面。系統(tǒng)可以遠程聯(lián)網(wǎng)登錄，也可以通過手機端登錄進行參數(shù)設(shè)置與查詢，當壓力或溫度達到報警預(yù)設(shè)值時系統(tǒng)會自動發(fā)出報警信息，提示工作人員進行相關(guān)查詢與操作。

圖6 遠程監(jiān)控系統(tǒng)查詢界面

圖7 報警參數(shù)設(shè)計界面

5 系統(tǒng)測試與結(jié)果

系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計完成后，對控制器進行測試。首先對系統(tǒng)進行供電，各模塊進行初始化后，檢查各模塊的運行狀態(tài)是否符合預(yù)期。然后長期采集溫度、壓力數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至云端，檢查系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為驗證所提出的智能封井器的可行性，本文使用液壓泵模擬井下壓力環(huán)境進行壓力參數(shù)的測試，為方便對照，我們分別以壓力表讀數(shù)為10、20、30、40 MPa進行加壓測量，測試結(jié)果見表1。由表1知液壓泵的壓力表和本系統(tǒng)采集到的壓力示值誤差在1%左右，并且在同一壓力下數(shù)值相差不大，說明該系統(tǒng)可以穩(wěn)定、準確地監(jiān)測壓力。

表1 測量結(jié)果

6 結(jié) 論

1)本文以窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)并結(jié)合嵌入式技術(shù)，設(shè)計了一套智能封井器系統(tǒng)，實現(xiàn)了對石油井下溫度、壓力的監(jiān)測。

2)本文對封井器結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，使其在具有隱蔽性、防盜性的基礎(chǔ)上，具備檢測與通信能力。

3)系統(tǒng)使用NB86-G通信模塊并結(jié)合嵌入式技術(shù)實現(xiàn)了對硬件系統(tǒng)的設(shè)計及試驗，使該系統(tǒng)具有低功耗、低成本、小體積的優(yōu)點。

4)遠程監(jiān)測平臺不僅可以從云端讀取數(shù)據(jù)進行監(jiān)控與分析，實現(xiàn)了井下壓力和溫度遠程、長時間及間斷性監(jiān)測，還能在溫度及壓力超出閾值時第一時間收到預(yù)警信號，為油井的安全性提供保障。

5)試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)突破了以往通信距離與空間傳輸限制，檢測信號誤差在允許范圍內(nèi)，能夠穩(wěn)定而準確地監(jiān)測井下壓力和溫度信息。本文所提出的技術(shù)方案為封井技術(shù)的信息化和智能化提供了一條可行的途徑。