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1、A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringDesign of Monitoring System for ElectricalSubmersible Pump Wells Based on GPRSCandidate : Cheng ShifanMajor: Control Theory and Control EngineeringSupervisor : Prof. Wang BingwenHuazhong University of
2、 Science & TechnologyWuhan, Hubei, 430074, P.R.ChinaJanuary, 2012独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅
3、和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密， 在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文摘 要石油对当今经济和社会的发展起着非常重要的作用。潜油电泵采油作为一种重要的石油开采方式，多年来在油田得到了广泛的应用。潜油电泵井的监测，对油田生产效率的提高，具有重要的意义。在这种情况下，如何提高潜油电泵井的监测水平，是一个值得研究的问题。信息技术的快速进步，为远程监测提供了解决方案。本文以潜油电泵井
4、的远程监测为研究对象，提出和设计了一种基于 GPRS 技术的潜油电泵井远程监测系统方案，利用 GPRS 网络和 Internet 进行数据通信。目的在于帮助技术人员能够更快地发现潜油电泵井的故障或隐患，从而采取措施让潜油电泵井尽快地恢复正常生产。阐述了潜油电泵井采油系统的结构和工作原理，通过分析对比常用的无线监测技术，选定了 GPRS 技术作为数据传输的方法。对系统进行了总体设计，在分析了系统功能之后，确定了系统的组成部分和设计原则。设计了监测终端的硬件和软件。监测终端用来采集现场数据和将数据无线发送到 GPRS 网络，以 MSP430 单片机控制数据的采集，以 GPRS 模块无线发送数据，G
5、PRS 模块采用 MC55。监测终端通过 MSP430 系列中的两款单片机协同工作来实现数据的采集， 通过 MC55 将数据无线发送。分析了监测服务器软件的架构，采用 Java Web 的方式，对服务器软件进行了设计，服务器软件主要完成数据的存储和监测信息的发布。本文设计的远程监测系统，符合油田数字化建设的发展方向，为潜油电泵井的远程监测提供了解决方案和思路。关键词：通用分组无线业务；潜油电泵；单片机；监测I华中科技大学硕士学位论文AbstractOil plays a very important role in the economic and social development now
6、adays.Production with electrical submersible pump as an important kind of oil exploitationmethod，have been widely applied in the oil field for years. The monitoring of electricalsubmersible pump wells is very important to improve the productivity in oil field. In thiscase, how to improve the monitor
7、ing level of electrical submersible pump wells, is aproblem that is worthy of research.The rapid progress of information technology provides a solution for remotemonitoring. In this thesis, remote monitoring of electrical submersible pump wells was theobject of research. This thesis presented and de
8、signed a remote monitoring system basedon GPRS for electrical submersible pump wells, communicating with GPRS network andInternet. The purpose is to help technicians find fault or hidden trouble of electricalsubmersible pump wells more quickly. They can take measures to make electricalsubmersible pu
9、mp wells come back to the normal production status as soon as possible.The structure and working principles of oil exploitation system of electrical submersiblepump wells were illustrated. By analysis and comparison of common wireless monitoringtechnology, the GPRS technology was selected to transmi
10、t data. The system was designedon the whole. After analyzing the function of the monitoring system, the components anddesign principles of the system were determined. Then the monitoring terminal hardwareand software were designed. The monitoring terminal is used for collecting field data andsending
11、 the data to GPRS network wirelessly. MSP430 microcontroller is used to controlthe process of collecting data. And GPRS module is used to send data wirelessly. MC55 isused as GPRS module. The monitoring terminal completes the function of collecting databy coordinating with two MSP430 microcontroller
12、s, and sends data wirelessly by MC55.The architecture of monitoring server software was analyzed. And the server software wasdesigned by the method of Java Web. The server software accomplishes the data storageand the release of monitoring information mainly.The remote monitoring system designed in
13、this thesis suits to the developmentalII华中科技大学硕士学位论文direction of digital oil field construction. And the system provides solutions and ideas forremote monitoring of electrical submersible pump wells.Keywords: General Packet Radio Service; Electrical Submersible Pump; Microcontroller;MonitoringIII华中科
14、技大学硕士学位论文目录摘要. IAbstract . II1 绪论1.1 论文的背景和意义 . (1)1.2 国内外现状和发展趋势 . (2)1.3 论文的研究内容和目标 . (5)1.4 论文内容安排. (5)2 需求分析和总体设计2.1 潜油电泵井采油系统介绍 . (7)2.2 系统功能分析. (9)2.3 常用的无线数据传输技术 . (10)2.4 数据传输方式选定 . (15)2.5 系统设计原则. (18)2.6 系统组成和工作原理 . (19)3 监测终端的硬件和软件设计3.1 监测终端硬件设计 . (21)3.2 监测终端软件设计 . (27)4 监测服务器软件设计4.1 服务器
15、软件架构设计 . (35)4.2 监测数据获取. (36)4.3 数据库及数据访问设计 . (39)4.4 业务层设计. (41)IV华中科技大学硕士学位论文4.5 表现层设计. (42)5 总结与展望5.1 总结. (44)5.2 展望. (44)致谢. (45)参考文献. (46)附录 1 攻读学位期间发表的学术论文 . (49)V华中科技大学硕士学位论文1 绪 论1.1 论文的背景和意义石油是当今重要的资源，对经济和社会的发展起着非常重要的作用。石油开采方式最初为自喷采油，原油能够在地层的压力下自动举升到地面1。然而随着很多油藏能量的减少，地层的压力无法将原油举升到地面，这就需要采用新的
16、开采方式，人工举升采油就是在这种形势下产生的。人工举升采油是提高油田采收率的有效手段。人工举升采油可分为泵抽采油和气举采油，其中泵抽采油又可分为有杆泵采油和无杆泵采油。潜油电泵是一种重要的无杆泵采油设备。潜油电泵采油系统多年来在油田得到了广泛的应用。潜油电泵尤其适合含水率高、需要大排量提液的油井，是油田保持稳产、高产的重要手段。潜油电泵采油的主要特点2：1) 排量大，但也能用于产液较低的油井。2) 可以达到较高的扬程。3) 若配备变频调速装置，可以用变频调速来控制油井的产液变化。4) 地面配套设备占用的面积和空间小，适用于海上采油平台。5) 具有较长的使用时间。6) 管理起来容易。7) 适用于
17、水平井和斜井。潜油电泵井采油工艺是一门涉及到多个学科的综合性技术3。用潜油电泵机组采油，若井况较差，可能会出现较高的故障率。但由于潜油电泵工作在井下，技术人员不能直接获取潜油电泵的工作状况，只能通过测量的参数来推断潜油电泵的工作状况。目前国内潜油电泵井的日常管理一般由油井管理人员定期巡检，对油井运行状况进行检查，记录数据。但潜油电泵井多分布在野外或者海上采油平台，分布在野外的潜油电泵井一般位置分散，环境恶劣，这种由人工定时巡检的管理方式使得油井管理人员的劳动强度较大，当油井出现故障或隐患时，往往由于技术人员对1华中科技大学硕士学位论文信息了解得不够及时，而影响了原油的正常生产。潜油电泵机组发生
18、故障时，可能会带故障继续运行，这样继续运行会加速机组的损坏，若能通过远程监测技术尽快了解这种状况，从而采取措施以恢复正常生产，可以延长潜油电泵机组的使用时间。若因发生故障而停机，远程监测技术可以尽快发现这种状况，从而让技术人员采取措施让油井恢复正常生产。潜油电泵井在设计时需要合理地选泵4，应让潜油电泵高效运行。但有可能潜油电泵井工作一段时间后，由于多种因素的影响，如地层压力、产油量、含水率等参数变化了，使得一部分潜油电泵井的工况与原设计不相符，这部分潜油电泵井的运行效率变得低下，能量损失过大，若能通过监测数据分析出这种情况，对于这种工作状况的潜油电泵井，可以采取措施使潜油电泵井重新处于高效区工
19、作，如通过调节油嘴直径大小，改变管路特性，调节潜油电泵井工况点5。信息技术的发展，为潜油电泵井的远程监测提供了途径，为油田数字化建设提供了有力的支持。GPRS 是一种无线技术，可以作为远程监测的数据传输方式。因此，提高潜油电泵井的监测水平，采用基于 GPRS 的远程监测技术，有利于快速解决故障、促进潜油电泵井的高效运行，对油田经济效益的提高具有重要意义。1.2 国内外现状和发展趋势1.2.1 国内现状目前，国内潜油电泵井的工作状况常常是通过分析电流卡片来推断的。电流卡片是技术人员分析潜油电泵井工况的重要资料6。电流卡片是一张圆形的纸质卡片，安装在潜油电泵控制柜上，电流卡片上记录的曲线变化反应了
20、潜油电机三相电中一相电流的变化。电流卡片的记录时间通常可以设置为 24 小时或 168 小时。正常运转时，电流卡片上记录的应该是光滑对称的曲线，电机运行的电流值应该等于或接近电机的额定电流值。若电流卡片上记录的曲线变化较大，则说明生产条件发生了变化，需要分析原因。通过分析电流卡片，可以发现潜油电泵井的一些故障。河南油田采用了一种潜油电泵井的无线监控系统7，该系统以无线数传电台的方式传输信息，可以对潜油电泵机组运行的参数实时采集和记录，利用 SQL Server2华中科技大学硕士学位论文进行相关数据的管理和实时数据的网络广播。该系统建成以后，减轻了人工劳动强度，实现了潜油电泵井的现代化管理。文献
21、8介绍了一种潜油电泵井遥控监测系统，主要由安装在油井上的发射装置子系统和安装在电泵队值班室内的中心接收系统组成。这个系统实时将从潜油电泵井采集到的电压、电流等信号发送到中心接收系统，信号经过处理后存入计算机，计算机再现潜油电机的电压、电流等物理量的数据，根据监测数据自动分析潜油电泵井的工况，可接入局域网，通过网络来访问潜油电泵井监测数据库。文献9提出了一种潜油电泵井遥控监测管理系统，由子站和主站组成，可以远程监测、预警和控制潜油电泵井设备。子站远程测控单元的通讯端口与一台无线数传机相连，通过无线的方式将监测的数据发送到远端监控中心的服务器，监控中心通过所连的无线数传机以无线的方式与各个子站通信
22、，数据存储后，工作站通过 WWW 服务器查询和浏览各子站潜油电泵井的运行数据。胜利油田河口采油厂使用的一种无线监测系统，以 SMS 短信作为数据传输方式10，在采油现场安装前端采集设备和 SMS 适配器，现场采集的潜油电泵井数据经处理后，经由 GSM 网络传输到企业网内部的监控系统服务器存储，为工作人员实时了解潜油电泵井的 现场工作状态提供了方便。在井下多参数测量装置方面，宁波中方荣自动化仪表科技有限公司以及哈尔冰工业大学、哈尔冰工程大学等高校有开展相关的研究工作。1.2.2 国外现状国外一些主要的石油公司很重视油井远程监测水平的提高，很多油田建立了系统的自动化监控体系。中东地区的石油资源丰富
23、，中东地区在油田数字化建设方面，水平比较高。以科威特石油公司为例，他们的石油勘探与生产数据管理系统为技术人员和管理人员提供高效的、可靠的石油勘探与生产信息11。这个系统实现了对 1500 多口油井的数据管理，这些油井通过管道网络连接到 20 个采集中心，采集中心再将石油输送到油库。位于科威特北部的 3 个采集中心配备了数据采集与监控系统，部分油井现场安装有远程数据采集终端，用来监测井口和管线的压力，科威特石油公司计划扩展数据采集与监控系统覆盖更多的油井。随着潜油电泵在中东地区的石油开采中用量的增加，配备的监视和优化技术也越来越多12。为了改善潜油3华中科技大学硕士学位论文电泵的性能，中东几家石
24、油公司采用全面的配置智能数字油田的技术方法，实现实时监视，以获得最佳的人工举升性能和预报故障。在智能数字油田初期，大多数公司主要关注的是实时数据的获取、分析、报警和用来支持由采油和地质专家做出决定的配置，监控系统的遥控功能还很有限。随着技术的进一步发展，有望增加更多的自动控制功能。各公司应用了不同的无线技术进行通信，所应用的技术包括通用分组无线业务、Wimax 技术等。国外潜油电泵井在井下多参数测量技术上较为先进，Schlumberger 公司的 Phoenix 系列、Wood Group 公司的 SmartGuard 系列井下多参数测量装置就是其中的代表。在监测元器件上，除了传统的电子式传感
25、器，也有学者研究了采用光纤传感器来监测潜油电泵井。文献13提出了一种利用混合式光纤电压传感器来监测潜油电机的技术。用这种传感器可以同时实现对电压和温度的监测。潜油电泵机组通常在高温、高压、振动强度大，腐蚀性强、电磁干扰强的环境中工作，在这样的环境里，采用传统的电子式传感器容易失效，且数据传输到地面和给传感器供电都很困难。而这种光纤传感器适应潜油电泵机组工作环境的能力强。1.2.3 发展趋势国内潜油电泵井常见的人工定时巡检的方法不利于油田数字化建设，手工记录数据在纸质材料上不能也不利于数据的管理，且定期更换电流卡片也不方便。通过分析电流卡片虽然能够发现潜油电泵井的一些故障，但是由于电流卡片位于采
26、油现场，需要到现场才能获取电流卡片，且单凭分析电流，不能发现潜油电泵井的某些故障和隐患，电流卡片还需要定期更换。这些问题的存在，不利于提高油田数字化建设的水平。随着信息技术的发展，采用远程监测技术，技术人员在办公室就能获取油井的监测数据，从而分析油井的运行状况，若油井出现问题就能更快的做出决策，采取措施让油井的运转恢复正常，从而提高油田的经济效益。由于潜油电泵井多分布在野外、位置比较分散，难以布线，采用有线的方式监测存在一定的困难，所以采用无线监测是发展趋势。工业上无线监测的常用数据传输技术有无线数传电台、GSM 短消息、GPRS 技术等，各有自身的特点。 GPRS 技术适合潜油电泵井监测的应
27、用。4华中科技大学硕士学位论文1.3 论文的研究内容和目标1.3.1 研究内容为了提高原油开采的效率，设计了一套潜油电泵井远程监测系统，利用 GPRS无线技术，将潜油电泵井采油现场采集的能够体现油井工作状况的数据发送到监测服务器，监测服务器用 Web 技术发布监测信息，实现对潜油电泵井的监测。本文的主要研究内容如下：1) 对常用的无线监测技术进行分析比较，根据潜油电泵井监测系统数据采集的特点，确立了利用 GPRS 技术进行数据远程传输，对 GPRS 技术在本系统中的应用方式进行分析。2) 根据所处位置，对系统进行结构划分，系统中需自行设计的部分是监测终端硬件、软件以及监测服务器软件。对系统需要
28、实现的功能和设计原则进行了分析。3) 对监测终端的硬件和软件进行了设计。4) 对监测服务器软件进行了设计。1.3.2 研究目标研究目标是：1) 采用远程监测的方式实现对多口潜油电泵井的监测，使技术人员更加容易获取潜油电泵井的运行数据，不用到现场就能了解潜油电泵井的运行状况。2) 对地面上便于测量的多个参数进行监测，为潜油电泵井状况判断提供依据。3) 采用 Web 技术管理监测信息，提供友好的用户界面，提高用户的体验感受。1.4 论文内容安排第一章 介绍了论文的背景和意义，介绍国内外现状和发展趋势。第二章 对系统进行需求分析和总体设计，阐述潜油电泵井采油原理，分析常用的无线监测技术，进行比较，确
29、立了采用 GPRS 技术传输数据，对系统的功能和设计原则进行分析，给出了总体方案。第三章 设计监测终端，对硬件和软件进行设计，监测终端采用 MSP430 系列中的两款单片机协同工作来采集潜油电泵井的数据，采用 MC55 模块无线发送数据。5华中科技大学硕士学位论文第四章 设计监测服务器软件，确定服务器软件的架构，以 Java Web 的方式对服务器软件进行设计。第五章 对论文的研究工作进行总结与展望。6华中科技大学硕士学位论文2 需求分析和总体设计2.1 潜油电泵井采油系统介绍2.1.1 潜油电泵井采油系统的组成潜油电泵井采油系统主要由井下部分、地面设备和辅助设备组成。常见的组成如下：1) 井
30、下部分：潜油电机、保护器、油气分离器、潜油泵、电缆。2) 地面设备：变压器、控制柜。3) 辅助设备：扶正器、单流阀、泄流阀、井口电缆穿越器、接线盒等。如有需要可以在地面增加变频调速装置，根据需要还可以在潜油电机的下面安装井下多参数测量装置。潜油电泵井采油系统的典型组成如图 2.1 所示。7华中科技大学硕士学位论文井口装置变压器控制柜接线盒泄油阀动力电缆单流阀油管泵出口接头引接电缆潜油泵油气分离器套管保护器潜油电机扶正器图 2.1 潜油电泵井采油系统的组成潜油电机属三相感应电机14,15，为整套设备提供动力。潜油电机外观不同于普通地面电机，受到油井套管内径尺寸的限制，潜油电机从外观上看，较为细长
31、。为了获得较大的功率，潜油电机可以多节串联使用。潜油电机的组成部分主要有定子、转子、电机轴、止推轴承、冷却润滑系统和上下接头16。潜油电机的内部充满了电机油。8华中科技大学硕士学位论文潜油泵是一种多级离心泵。潜油泵的作用是把泵轴的机械能转化为液体的液压能，其工作原理类似于地面离心泵17,18。潜油泵由导轮、叶轮以及泵轴、泵壳等组成。一只叶轮和一只导轮配合组成一级，一节泵中包含多级导叶轮，为了满足扬程需要，可以将多节泵串接使用。叶轮的总数越多，则整个泵的扬程也越高。潜油泵的排量与导叶轮的结构形式有关。受到油井套管内径尺寸的限制，潜油泵从外观上看，也呈细长状。表示潜油泵性能的物理量有排量、扬程、泵
32、轴功率、效率、转速等。对于同一个潜油泵，泵的效率与排量的变化有关，泵的效率最佳范围是泵的推荐排量范围，应尽量使泵在高效区运转。潜油泵下面的油气分离器的作用是在井液进入泵之前，将井液中的游离气体分离出来。保护器的主要作用是保护潜油电机在井液里正常运转。2.1.2 工作原理潜油电泵机组工作时由电缆将电能输送到潜油电机，潜油电机将电能转换成机械能，该机械能传递给潜油泵，在潜油泵中将机械能转化成液压能，把井液压到地面19。这样就能将原油从地下举升到地面。2.2 系统功能分析系统要实现对多口潜油电泵井的监测，采集的数据信息在监测服务器端接收。潜油电泵井的运行过程中，能够反映出油井运行状态且便于测量的物理
33、量有三相电流、主回路电压、井口温度、油压、套压等。本系统选择这些物理量作为被测量，采集的数据经 GPRS 网络传送到位于油田监测中心机房的服务器上。油田相关的技术人员可以用计算机访问服务器，查看监测的数据，当有数据越限时，可通过声音进行报警。本系统数据采集周期由监测终端初始化设为 5 分钟，可以在监测终端通过按键手动修改数据采集周期。在监测数据信息发布的方式上，采用 B/S 模式可以直接用浏览器以网页的形式访问，不需要安装专门的客户端软件，系统的维护可以直接在服务器端进行20。系统的设计要体现易维护性，易扩展性。系统可以同时监测多口潜油电泵井，并且可以增加新的潜油电泵井。系统需要实现的主要功能
34、有：1) 终端数据采集功能。监测终端初始化时以 5 分钟作为周期时间间隔采集现场9华中科技大学硕士学位论文监测的数据，这些数据包括三相电流、主回路电压、井口温度、油压、套压等，以GPRS 的方式发送到服务器接收端。2) 数据采集周期调节功能。监测终端可以通过按键调节数据采集的间隔时间。3) 潜油电泵井信息管理功能。服务器软件提供潜油电泵井资料录入功能，可录入的资料有潜油电泵井编号、所在位置、该油井对应的人员、对应人员的手机号，被监测参数的越限上、下限，是否允许声音报警等。资料可查询、删除、修改。4) 数据存储功能。服务器软件接收监测终端发送来的数据并存储到数据库。5) 数据查询功能。用户可以在
35、监测中心机房或者通过网络与服务器相连的计算机上通过查询选项，以数据列表的方式显示查询的数据，可供选定的查询选项有潜油电泵井编号、时间段。6) 数据分析功能和报警功能。服务器软件提供以线条的形式显示历史数据图的功能，便于技术人员对潜油电泵井的历史运行状况进行分析。服务器软件提供查询数据列表时可将各参数的值与越限上、下限对比，正常以黑色显示，越限以红色显示，并对潜油电泵井每次的监测数据都给出总结论，只要该次所有数据中有一项越限，则该次数据的总结论显示为越限。对越限的情况，可以通过声音进行报警。7) 数据备份功能。为了数据的安全，数据需要进行备份，数据备份分为手动备份和自动备份，手动备份通过点击页面中的手动备份按钮来实现，数据自动备份固定在每个月的设定的时间点，每个月自动备份一次。8) 操作记录功能。记录用户登录系统和在系统中进行的操作。用户登录系统都要验证用户名和密码。系统中的用户
