CN103363297B - 基于无线传感技术的油田注水管网故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于无线传感技术的油田注水管网故障检测方法，具体按照以下步骤实施：计算机系统初始化，获得数据采集系统预先采集到的注水管网的拓扑结构关系数据，预先将注水管网的拓扑结构关系数据存入计算机；在注水管网的每个节点安装一套数据采集系统，对系统进行初始化；采集注水管网的压力流量参数；计算机仿真计算；故障判断。本发明检测方法，使用ARM+Zigbee无线模块的数据采集系统采集数据，具有速度快，成本低的特点。降低了人工劳动强度，保持采集数据的实时性。受注水管网拓扑结构规模的影响相对较小，在计算实现上所占计算机资源也相对较少。使用正演仿真算法，实现简单，计算速度快，适合计算机编程。

Description

基于无线传感技术的油田注水管网故障检测方法

技术领域

本发明属于自动化技术领域，具体涉及一种基于无线传感技术的油田注水管网故障检测方法。

背景技术

目前，油田注水是油田生产开发的基本手段，其利用注水井把水注入油层，以补充和保持油层压力。油田投入开发后，随着开采时间的增长，油层本身能量将不断地被消耗，致使油层压力不断地下降，地下原油大量脱气，粘度增加，油井产量大大减少，甚至会停喷停产，造成地下残留大量死油开采不出来。为了弥补原油开采出后所造成的地下亏空，保持或提高油层压力，实现油田高产稳产，并获得较高的采收率，必须对油田进行注水。因此，油田注水管网的正常工作是油田正常生产重要的保证。

以前的注水管网的故障检测都是依靠人工采集注水管网运行时的数据，然后人工分析数据，从而得到注水管网的故障情况。但是人工采集方式不仅会耗费大量的时间，而且不能够同时得到各个管段的参数信息。油田的注水网络往往是由几百公里长度的管线和各种泵站及附属设备组成，面积覆盖几十平方公里甚至几百平方公里，这么庞大的一个系统，铺设以太网的成本比较大。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中，物品能够彼此进行交流，而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别RFID技术，通过计算机互联网实现物品，商品的自动识别和信息的互联与共享。由于无线通信组网技术使用的设备种类繁多，各种设备的技术参数不相同，所以无线组网常常遇到麻烦，Zigbee制定了相应的协议来化解这一困难。Zigbee是一种低复杂度、低功耗、低成本的双向无线组网通讯技术。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。此技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要用于短距离、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的具有周期性的数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。单个Zigbee设备传输距离不远，通常几十米到几百米，但是Zigbee设备组网后，通过网络链路是可以传输的很远。虽然有Zigbee无线传输设备，但是目前还没有出现一种故障检测系统使用无线设备将数据进行远距离传输，进而提高采集效率，解放人力，节省成本。

发明内容

本发明的目的在提供一种基于无线传感技术的油田注水管网故障检测方法，解决了现有的注水管网故障检测到的数据收集不容易，采集系统铺设庞大成本高的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于无线传感技术的油田注水管网故障检测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：计算机系统初始化，获得注水管网的拓扑结构关系数据，预先将注水管网的拓扑结构关系数据存入计算机；

步骤2：在注水管网的每个节点安装一套数据采集系统，对系统进行初始化；

步骤3：采集注水管网的压力流量参数；

步骤4：计算机仿真计算；

步骤5：故障判断。

本发明的特点还在于，

其中的步骤2中的数据采集系统，结构为：包括依次连接的传感器模块、ARM微处理器、CC2530微处理器及射频发射接收电路；ARM微处理器上分别连接有第一JTAG调试电路、第一电源模块、第一晶振电路及复位电路；CC2530微处理器上分别连接有第二JTAG调试电路、第二电源模块、第二复位电路及第二晶振电路。

其中的步骤3采集注水管网的压力流量参数，具体按照以下步骤实施：计算机发送无线采集指令给数据采集系统，数据采集系统收到采集指令后采集注水管网的节点压力流量参数，然后将采集到的节点压力数据和节点流量数据用无线方式发回给计算机，无线方式传送是使用安装在各个节点上的ARM+Zigbee无线设备实现的。

其中的步骤4计算机仿真计算，具体按照以下步骤实施：

由达西公式计算注水管网各个管段的压损hf，公式为

$h_f=\mathrm{\λ}\frac{l}{d}\frac{v^2}{2g},$

$v=\frac{4^{*}Q}{{\mathrm{\π}}^{*}{d}^{*}d},$

$\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\λ}}}=-21g(\frac{\mathrm{\Δ}}{3.7d}+\frac{2.51}{\mathrm{Re}\sqrt{\mathrm{\λ}}}),$

式中：l为管长；d为管道直径；l/d称为几何因子；v为管内平均速度；Q为管道流量；v²/2g为速度水头；λ为沿程摩阻系数，Re为雷诺数；Δ为管壁当量粗糙度；

然后计算注水管网的各个节点的压力，对于管线三通节点压力计算公式为：

P2＝P1-h_f1，

P3=P2一h_f2，

P4＝P2一h_f3，

对于管线与配水间相连的节点压力计算公式为：

P6＝P5-h_f4，

式中：P1、P2、P3、P4、P5、P6为注水管网节点压力，P1、P2、P5是采集到的，P3、P4、P6是计算得到的；h_f1、h_f2、h_f3、h_f4为注水管网中各管段的沿程压力损失。

其中的步骤5故障判断，具体按照以下步骤实施：

a.根据公式ΔP＝P_i-P_i`计算每一条管段的采集的压力与仿真计算的压力差ΔP，如果η1=ΔP/P<sub>i</sub>`×100%小于20%，则该注水管网的工作正常并计算下一条管段，直到判断完所有的管段转入步骤c，否则该注水管网中该管段的工作异常并转至步骤b，进行判断注水管网中工作异常的管段；P_i为注水管网的第i个节点由采集系统采集的压力；P_i`为注水管网中第i个节点的仿真计算结果的压力；

b.注水管网的管段工作异常的计算是按照以下步骤进行：

对于管段i，管段两端的节点为节点j、k；数据采集系统采集的节点j、k的压力分别记为P_j、P_k，P_j>P_k时，计算ΔP=P_j-P_k和然后将η2与25%比较大小，若大于25%则该管段结垢严重，否则该管段正常，转入步骤a；

c.进行注水管网漏水检测，根据管段的流量守恒进行判断，若该管段的进水流量等于出水流量，则该管段正常，否则该管段漏水；当所有的注水管网管段漏水检测结束后转入步骤d；

d.注水管网故障检测结束。

本发明的有益效果是，使用ARM+Zigbee无线模块的数据采集系统采集数据，具有速度快，成本低的特点。降低了人工劳动强度，保持采集数据的实时性。该发明受注水管网拓扑结构规模的影响相对较小，在计算实现上所占计算机资源也相对较少。该发明使用正演仿真算法，实现简单，计算速度快，适合计算机编程。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明的数据采集系统的结构示意图；

图3是节点示意图。

图中，1.传感器模块，2.ARM微处理器，3.第一JTAG调试电路，4.第一电源模块，5.第二JTAG调试电路，6.第二电源模块，7.CC2530微处理器，8.射频发射接收电路，9.第一晶振电路，10.第一复位电路，11.第二复位电路，12.第二晶振电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于无线传感技术的油田注水管网故障检测方法，采用了一种数据采集系统，该系统的结构框图如图2所示，包括依次连接的传感器模块1、ARM微处理器2、CC2530微处理器7及射频发射接收电路8，ARM微处理器2上分别连接有第一JTAG调试电路3、第一电源模块4、第一晶振电路9及第一复位电路10；CC2530微处理器7上分别连接有第二JTAG调试电路5、第二电源模块6、第二复位电路11及第二晶振电路12。

其中的，

ARM微处理器2，核心的处理器采用STM32F417型号，STM32F417是ST公司开发的基于ARM Cortex-M4内核的32位闪存微控制器。其主频为168MHz，在此工作频率下其处理性能可达210MIPS，且电流消耗仅为38.6mA；支持多种低功耗工作模式；内部集成DSP和FPU指令，具备高性能的信号处理和浮点运算能力；STM32F417片上集成1MB的程序Flash和196KB的SRAM；支持3个12位的2.4M采样率的A/D；支持2个12位的D/A；16通道的DMA；82个I/O。STM32F417使用了两个USART，其中一个用于与CC2530进行通信，另一个接MAX232芯片，然后连接一个9针串口，用于连接外部的串口。采用STM32F417作为数据采集系统的控制核心，将大大提高系统的性能，降低功耗和成本。

CC2530微处理器7，CC2530是用于2.4GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SOC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530使用的8051CPU内核是一个单周期的8051兼容内核。它有三种不同的内存访问总线（SFR，DATA和CODE/XDATA），单周期访问SFR，DATA和主SRAM。它还包括一个调试接口和一个18输入扩展中断单元。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，系统内可编程闪存，8KB RAM和许多其他强大的功能。CC2530有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存，本系统采用的是CC2530F256，CC2530F256结合了德州仪器的业界领先的黄金单元Zigbee协议栈（Z-Stack^TM），提供了一个强大和完整的Zigbee解决方案。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。本系统使用了CC2530的两个USART，其中一个用于与ARM进行通信，另一个接MAX232芯片，然后连接一个9针串口，用于连接外部的串口。

电源模块，整个系统需要高可靠性的供电，以保证系统正常工作。LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.25～13.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。本系统采用外界的固定电压是5V电源。然后经过LM317输出电压为3.3V给ARM和CC2530提供稳定可靠的电源。本系统的地分为系统地、数字地、模拟地三个部分，从电源插座输入进来的是系统地。在PCB设计中，各地与系统地之间采用直接连接起来。

串口通信，在系统整体结构框图中，STM32F417与CC2530之间的通信是通过USART模式，即串口异步通信，在CC2530接收到数据后，进入接收中断，并通过CC2530独特的射频技术，向上位机发送STM32F417采集到的数据，上位机接收到数据后进行存储，完成一次数据采集；其中上位机还可以通过CC2530向STM32F417发送采集数据指令与结束采集指令，可以做到实时采集、实时控制，其性能准确可靠。

调试电路，调试电路主要是为了在线调试程序和下载程序，ARM和CC2530各自使用不同的仿真器对系统进行在线仿真或者程序下载。

晶振电路，晶振电路的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振电路通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。ARM使用8MHz和32KHz两个晶振，8M的晶振外部高频晶振，提供ARM正常工作时的时钟信号，分别接在ARM的12，13号管脚；32KHz的晶振是外部低频晶振，在ARM待机和低功耗时使用，分别接在ARM的8，9号管脚。CC2530使用32MHz和32KHz两个晶振，32M的晶振为CC2530提供正常工作时的时钟信号，分别接在CC2530的22，23号管脚；32KHz的晶振为CC2530待机和看门狗时提供时钟信号，分别接在CC2530的32，33号管脚。

如图1所示，本发明基于无线传感技术的油田注水管网故障检测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：开始检测故障时，进行计算机系统初始化，获得注水管网的拓扑结构关系数据，预先将注水管网的拓扑结构关系数据存入计算机；

步骤2：在注水管网的每个节点都安装一套数据采集系统，对系统进行初始化，初始化包括：数据采集系统上电复位，复位微处理器内部的所有寄存器，计算机运行故障检测软件。

步骤3：采集注水管网的压力流量参数，计算机发送无线采集指令发送给每套数据采集系统，数据采集系统收到采集指令后采集注水管网的节点压力流量参数，然后将采集到的节点压力数据和节点流量数据用无线方式发回给计算机，无线方式传送是使用安装在各个节点上的ARM+Zigbee无线设备实现；

步骤4：计算机仿真计算。

计算机仿真计算由泵站开始，由注水管网的拓扑结构关系数据和步骤3中得到的节点数据信息逐步进行计算，计算出注水管网各个管段的压损。由达西公式计算注水管网各个管段的压损hf，公式为

$h_f=\mathrm{\&lambda;}\frac{l}{d}\frac{v^2}{2g},---\left(1\right)$

$v=\frac{4^{*}Q}{{\mathrm{\&pi;}}^{*}{d}^{*}d},---\left(2\right)$

$\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\&lambda;}}}=-21g(\frac{\mathrm{\&Delta;}}{3.7d}+\frac{2.51}{\mathrm{Re}\sqrt{\mathrm{\&lambda;}}}),---\left(3\right)$

式中：l为管长；d为管道直径；l/d称为几何因子；v为管内平均速度；Q为管道流量；v²/2g为速度水头；λ为沿程摩阻系数，Re为雷诺数；Δ为管壁当量粗糙度。

然后计算注水管网的各个节点的压力，如图3所示，对于管线三通节点压力计算公式为：

P2=P1-h_f1，   （4）

P3=P2-h_f2，   （5）

P4=P2-h_f3，    （6）

如图3所示，对于管线与配水间相连的节点压力计算公式为：

P6=P5-h_f4，   （7）

式中：P1、P2、P3、P4、P5、P6为注水管网节点压力，P1、P2、P5是采集到的，P3、P4、P6是计算得到的；h_f1、h_f2、h_f3、h_f4为注水管网中各管段的沿程压力损失。

步骤5：故障判断。

利用步骤4得到的数据进行检测注水管网的故障，注水管网的故障检测分为注水管网管段结垢检测和管段漏水检测。检测出管网是否结垢严重或是漏水。判断出故障后结束整个检测过程。具体算法如下：

a.根据公式ΔP=P_i-P_i计算每一条管段的采集的压力与仿真计算的压力差ΔP，如果η1=ΔP/P_i`×100%小于20%，则该注水管网的工作正常并计算下一条管段，直到判断完所有的管段转入步骤c，否则该注水管网中该管段的工作异常并转至步骤b，进行判断注水管网中工作异常的管段。P<sub>i</sub>为注水管网的第i个节点由采集系统采集的压力；P<sub>i</sub>`为注水管网中第i个节点的仿真计算结果的压力。

b.注水管网的管段工作异常的计算是按照以下步骤进行：

对于管段i，管段两端的节点为节点j，k。采集系统采集的节点j、k的压力分别记为P_j、P_k，P_j>P_k时，计算ΔP=P_j-P_k和然后将η2与25%比较大小，若大于则该管段结垢严重，否则该管段正常。转入步骤a。

c.进行注水管网漏水检测，主要根据管段的流量守恒进行判断，若该管段的进水流量等于出水流量，则该管段正常，否则该管段漏水。当所有的注水管网管段漏水检测结束后转入步骤d。

d.注水管网故障检测结束。

本故障检测方法使用计算管段的压力损失判断管段的结垢状况，通过流量守恒来判断管段的漏水状态，原理简单，便于计算机编程。本系统使用无线传感技术获得油田节点的压力流量参数然后录入计算机数据库，此过程不需要人工进行测量并输入计算机，减小劳动强度，采集到的数据相比人工测量然后输入给计算机实时性较高。

Claims (4)

1.基于无线传感技术的油田注水管网故障检测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1：计算机系统初始化，获得注水管网的拓扑结构关系数据，预先将注水管网的拓扑结构关系数据存入计算机；

步骤2：在注水管网的每个节点安装一套数据采集系统，对系统进行初始化；

步骤3：采集注水管网的压力流量参数；

步骤4：计算机仿真计算；具体按照以下步骤实施：

由达西公式计算注水管网各个管段的压损hf，公式为

$h_f=\mathrm{\&lambda;}\frac{l}{d}\frac{v^2}{2g},$

$v=\frac{4*Q}{\mathrm{\&pi;}*d*d},$

$\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\&lambda;}}}=-2\lg (\frac{\mathrm{\&Delta;}}{3.7d}+\frac{2.51}{\mathrm{Re}\sqrt{\mathrm{\&lambda;}}}),$

式中：l为管长；d为管道直径；l/d称为几何因子；v为管内平均速度；Q为管道流量；v²/2g为速度水头；λ为沿程摩阻系数，Re为雷诺数；Δ为管壁当量粗糙度；

然后计算注水管网的各个节点的压力，对于管线三通节点压力计算公式为：

P2＝P1-h_f1，

P3＝P2-h_f2，

P4＝P2-h_f3，

对于管线与配水间相连的节点压力计算公式为：

P6＝P5-h_f4，

式中：P1、P2、P3、P4、P5、P6为注水管网节点压力，P1、P2、P5是采集到的，P3、P4、P6是计算得到的；h_f1、h_f2、h_f3、h_f4为注水管网中各管段的沿程压力损失；

步骤5：故障判断。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感技术的油田注水管网故障检测方法，其特征在于，所述的步骤2中的数据采集系统，结构为：包括依次连接的传感器模块(1)、ARM微处理器(2)、CC2530微处理器(7)及射频发射接收电路(8)；所述的ARM微处理器(2)上分别连接有第一JTAG调试电路(3)、第一电源模块(4)、第一晶振电路(9)及复位电路(10)；所述的CC2530微处理器(7)上分别连接有第二JTAG调试电路(5)、第二电源模块(6)、第二复位电路(11)及第二晶振电路(12)。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感技术的油田注水管网故障检测方法，其特征在于，所述的步骤3采集注水管网的压力流量参数，具体按照以下步骤实施：计算机发送无线采集指令给数据采集系统，数据采集系统收到采集指令后采集注水管网的节点压力流量参数，然后将采集到的节点压力数据和节点流量数据用无线方式发回给计算机，无线方式传送是使用安装在各个节点上的ARM+Zigbee无线设备实现的。

4.根据权利要求1所述的基于无线传感技术的油田注水管网故障检测方法，其特征在于，所述的步骤5故障判断，具体按照以下步骤实施：

a.根据公式ΔP＝P_i-P_i`计算每一条管段的采集的压力与仿真计算的压力差ΔP，如果η1＝ΔP/P<sub>i</sub>`×100％小于20％，则该注水管网的工作正常并计算下一条管段，直到判断完所有的管段转入步骤c，否则该注水管网中该管段的工作异常并转至步骤b，进行判断注水管网中工作异常的管段；P_i为注水管网的第i个节点由采集系统采集的压力；P_i`为注水管网中第i个节点的仿真计算结果的压力；

b.注水管网的管段工作异常的计算是按照以下步骤进行：

对于管段i，管段两端的节点为节点j、k；数据采集系统采集的节点j、k的压力分别记为P_j、P_k，P_j＞P_k时，计算ΔP＝P_j-P_k和η2＝ΔP/h_fi×100％，然后将η2与25％比较大小，若大于25％则该管段结垢严重，否则该管段正常，转入步骤a；

c.进行注水管网漏水检测，根据管段的流量守恒进行判断，若该管段的进水流量等于出水流量，则该管段正常，否则该管段漏水；当所有的注水管网管段漏水检测结束后转入步骤d；

d.注水管网故障检测结束。