摘要：基于HART通信協議，開發了用于油田注水井壓力智能檢測系統，實現了注水井泵壓和套壓的智能檢測及壓力數據的集中管理，為油田生產決策提供了參考依據。介紹了系統組成及各部分的基本原理和實現方法。 關鍵詞：監測系統；壓力檢測；油田注水井；HART協議；數據采集 中圖分類號：TP274 文獻標志碼：B 油田的一個采油場由多口油井、注水井、計量間、管匯閥組、轉油站，聯合站、原油外輸系統、油罐以及油田的其他分散設施組成，整個采油場的各種設施的工作狀態及采出油品的數據（主要有溫度、壓力、流量等）直接關系到油田生產的穩定及原油質量[sup][1][/sup]。油田投人生產后，隨著開采時間的延長，油層本身能量不斷地被消耗，致使油層壓力下降，地下原油大量脫氣，黏度增加，油井產量大大減少，甚至會停噴停產，造成地下殘留大量死油采不出來。為了彌補原油采出后造成的地下虧空，實現油田的持產和高產，必須保持或提高油層壓力。目前提高油層壓力的主要措施是通過注水井注人高壓水，因此各油田十分重視對注水井的井壓管理。 國內在油田注水井壓力數據的檢測方面較為落后，檢測儀表和設備陳舊，在檢測壓力數據可靠性方面也存在很多問題。目前使用的螺旋式彈簧管取壓表不僅勞動強度大，并且影響了設備監控與采油數據的實時性、可靠性。另外，由于注水井數量多且分布范圍大，采油工人的素質也參差不齊，數據漏報、虛報現象時有發生。研究開發新型智能儀表實現注水井壓力數據的可靠檢測，為油田生產提供可靠數據來源極為迫切。利用計算機和互聯網技術，研究開發油田注水井壓力檢測系統將對油田生產信息化建設起到積極的促進作用。 HART（Highway Addressable Remote-Transducer，可尋址遠程傳感器數據線路）協議是一種廣泛應用于智能儀表和上層管理設備之間的通信協議[sup][2-5][/sup]，它采用了ISO／OSI的簡化模型，即物理層、數據鏈層和應用層。以下介紹在此通信協議的基礎上構建油田注水井智能壓力數據檢測系統，以實現注水井壓力數據的遠程傳輸和管理。 1 注水井壓力檢測系統組成及原理 油田注水井壓力檢測系統主要由新型智能壓力傳感器、變送器、手持儀表、網絡通信線路和微機數據庫管理系統等組成。每口注水井備有變送單元，通過HART通信接口與分檢測站主機互連。分檢測站主要負責壓力數據的收集工作，通過RS232接口與變送器HART通信模塊相接，對各注水井壓力數據進行收集。分檢測站將收集到的數據匯總，通過油田局域網上傳給中心站主機，實現數據的集中管理。整個系統的組成框圖如圖1所示。 1．1 智能壓力傳感器 智能壓力傳感器由擴散硅壓敏傳感器及其編碼電路組成。當注水井管道水壓作用于傳感器薄膜時，膜片產生形變，相應的傳感器橋臂電阻發生變化，并在輸出端經恒流源激勵產生小信號差動電壓。然后利用高精度、低漂移的放大器件將電壓信號放大，并通過V／I，模塊把輸入的差動電壓信號調理為4～20mA電流輸出。為了區分各注水井傳感器數據，傳感器自身必須設置編碼。傳感器編碼采用RC振蕩電路經整形后輸出一定頻率的方波信號實現，頻率大小由電阻調定，并將該頻率信號疊加到4～20mA模擬信號上。傳感器組成框圖如圖2所示。 在實際應用過程中，傳感器輸出頻率的頻帶寬度受限于變送器系統工作頻率，系統工作頻率越低，要求傳感器輸出頻率越低，頻帶寬度越窄。由于傳感器輸出頻率由RC振蕩電路組成，振蕩頻率受周圍工作環境溫度的影響而波動。振蕩頻率越高，所占用的頻帶也越寬，系統可以識別的傳感器編號數目也就越多。設變送器單元晶振頻率為f[sub]cx[/sub]，則系統最高計數頻率為f[sub]co[/sub]，有 設編碼頻率允許波動5％，各段頻率互不重疊時，則各段中心頻率f[sub]i[/sub]（i=1，2，⋯），有 且滿足0 其中：同步碼為2字節，十六進制0xFFFF；定界符為1字節，十六進制0x82，表示長格式地址尋址，并請求發送數據幀；地址為5字節，在此不考慮傳感器生產廠商和設備型號的代碼，所以可將前3個字節定為0xFFFFF1，第4字節為傳感器編號，第5字節為傳感器分組號；命令為l字節，十六進制0x00，表示請求數據；校驗1字節數據，為命令幀各字節數據的異或運算結果。 變送器回傳數據幀的格式如下： 其中：同步碼為2字節，十六進制0xFFFF；定界符為1字節，十六進制o）（86，表示長格式地址尋址，應答數據幀；地址為5字節，前3個字節與命令幀相同，回傳數據為0xFFFFFF，第4字節為傳感器編號，第5字節為傳感器分組號；命令為1字節，十六進制0x01，表示回傳數據；數據長度1字節，表示回傳數據幀的長度；響應碼為1字節，表示命令執行結果和變送器工作狀態；壓力數據4字節，分別為泵壓、套壓；校驗1字節，為回傳數據幀各字節數據的異或運算結果。 變送單元內的傳感器需要以傳感器編號及其分組號來確定，因此不能采用短格式地址尋址。 1．3 手持儀表 手持儀表用于對智能傳感器的檢測，可對傳感器輸出信號進行測量，實現壓力數據的現場采集。手持儀表除了HART通信接口外，基本具備變送器的功能，并且另配有RS232接口，可與微機直接通信。手持儀表主要實現對傳感器的故障診斷及注水井壓力數據巡視功能。手持儀表主要由A／D轉換、計數器、人機接口界面、存儲器、RS232通信接口組成，檢測儀原理框圖如圖3所示。

在手持儀表使用過程中，當采集到的壓力數據信號有效時，蜂鳴器響，提示現場操作人員結束本次檢測。測得的壓力數據和傳感器編號信息保存在存儲器中，數據通過RS232接口上傳給微機管理系統。液晶顯示屏提供直觀的人機接口界面，可進行壓力數據和傳感器信息查詢。 手持儀表通過取樣電阻對傳感器輸出信號濾波放大和頻率計數處理，若壓力數據或傳感器編碼頻率越限，則可初步診斷傳感器信號調理電路或頻率發生器出現故障，可采取相應措施進行處理。 1．4 遠程數據庫管理系統 數據庫管理系統負責壓力數據的集中管理，實現傳感器、注水井壓力數據查詢和報表功能。分檢測站將各注水井壓力數據上傳至中心站管理主機，由中心站主機實現油田所有注水井壓力數據綜合管理，并對各注水井壓力進行長期在線監測，為油田生產和決策提供參考依據。 數據庫管理系統由傳感器信息管理、壓力數據管理組成。數據庫管理系統以Visual Basic 6．0為開發平臺，采用Access數據庫進行記錄更新、查詢和報表操作。 2 結論 注水井壓力檢測系統中智能壓力傳感器、檢測儀和數據管理系統從2002年12月開始在大慶油田開始試驗，已成功運行1年多時間。現場采集的數據表明壓力傳感器在冬季低溫和夏季高溫情況下輸出精度小于1．5％，比螺旋式彈簧管取壓表精度有較大提高。在智能傳感器的布置方面，較好地解決了安裝和密封問題。試驗結果表明，注水井壓力數據智能檢測系統運行穩定，壓力數據真實可靠。 油田注水井壓力數據管理系統作為油田信息化建設的一個重要組成部分，它的研究、開發和應用將對于油田信息化建設起到積極的推動作用。 參考文獻： [1]上官永亮，趙慶東，宋杰，安震．注水井合理配注方法研究叨．大慶石油地質與開發，2003，（3）：40-43． [2]孫廣軍．HART現場通信協議叨．電力情報，2002，（3）：66-68． [3] 張仕倫．HART通信協議及應用叨．自動化與儀器儀表，1999，（5）：3-6． [4] Cobb Jim．Control in the Field With HART～ Communications Ⅲ．ISA Transactions，1996，35：165-168． [5]Helson Ronald B． The HART0 Protocol an Enabler for Improved Plant Perfo～ance[J1．ISA Transactions， 1996，35：159—164． [6]陳東宇，施一明，金建祥．基于HART協議的智能擴散硅壓力變送器．自動化儀表，2001，（6）：17—19． 原文請點擊下載：基于HART協議注水井壓力檢測系統的研究.pdf