大型壓裂曲線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

白宇

【摘 要】隨著油田勘探開發(fā)的深入，油水井壓裂的工作量越來越多，針對(duì)部分區(qū)塊的普通壓裂施工成本高，施工難度大，施工效益低的問題，大型壓裂將會(huì)越來越多被使用。然而大型壓裂往往需要多套壓裂儀表車組配合施工，每套壓裂車組的儀表車只能監(jiān)測(cè)本車組的串口數(shù)據(jù)，不能遠(yuǎn)程傳輸回現(xiàn)場(chǎng)指揮部和后線科研單位，更不能和其他車組的壓裂數(shù)據(jù)整合。針對(duì)這一問題，基于VC++的編程，本文提出一整套的技術(shù)解決方案，實(shí)現(xiàn)多車組壓裂數(shù)據(jù)整合并通過3G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】大型壓裂，串口，VC++， 壓裂數(shù)據(jù)整合，3G網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控

【中圖分類號(hào)】 TE325【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）07-0014-02

1.緒論

隨著油田勘探開發(fā)的深入，油水井壓裂工作量越來越多，其對(duì)增儲(chǔ)上產(chǎn)作用越來越巨大，但是部分區(qū)塊的普通壓裂施工成本和施工復(fù)雜程度越來越高，壓裂效益卻不理想，大型壓裂因其高效益性將成為新的施工重點(diǎn)。然而大型壓裂往往需要多套壓裂車組配合施工，每套壓裂車組有自己獨(dú)立的儀表車監(jiān)測(cè)各自的壓裂數(shù)據(jù)，每套儀表車的數(shù)據(jù)只能在儀表車內(nèi)監(jiān)測(cè)，不能遠(yuǎn)程傳輸更不能和其他儀表車數(shù)據(jù)整合。

在本論文中，基于VC++環(huán)境下我提出了一整套的技術(shù)解決方案來實(shí)現(xiàn)多車組壓裂數(shù)據(jù)的整合并遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。首先，通過各套壓裂儀表車的串口讀取實(shí)時(shí)壓裂數(shù)據(jù)；其次，通過小型局域網(wǎng)把讀取到的各套壓裂數(shù)據(jù)匯總；其次，通過本文的算法把各套壓裂數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并通過3G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器；再其次，服務(wù)器把數(shù)據(jù)備份到數(shù)據(jù)庫(kù)的同時(shí)，通過vspm軟件把計(jì)算機(jī)端口虛擬成串口以實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給內(nèi)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)終端機(jī)；最后，監(jiān)測(cè)終端機(jī)使用專業(yè)的壓裂分析軟件FracProPT接收整合后的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示壓裂曲線。方案設(shè)計(jì)圖見圖1-1。

2.系統(tǒng)模塊的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主要分為串口通信，網(wǎng)絡(luò)收發(fā)，數(shù)據(jù)同步處理，虛擬串口共四個(gè)模塊，下面分別介紹各模塊的實(shí)現(xiàn)。

2.1 串口通信

目前，串口通信是工業(yè)控制機(jī)與底層硬件芯片的主要通信方式，串口一共有RS232和RS485兩種物理接口標(biāo)準(zhǔn)，壓裂大隊(duì)的儀表車串口是RS232標(biāo)準(zhǔn)的。在VC++環(huán)境下，有兩種編程方式實(shí)現(xiàn)串口通信：一是調(diào)用Windows的API函數(shù)，這種方法雖然具有很強(qiáng)的靈活性，但是使用方法及其復(fù)雜；二是使用Microsoft提供的ActiveX控件——MSComm，通過MSComm控件的屬性，方法和事件實(shí)現(xiàn)串口操作，可以簡(jiǎn)化串口程序的開發(fā)[1]。在本系統(tǒng)中，我選擇了MSComm控件。

使用MSComm控件操作串口需要四步：（1）把MSComm控件導(dǎo)入到開發(fā)的工程中；（2）打開并配置串口的函數(shù)編程；（3）響應(yīng)MSComm控件的OnComm事件的函數(shù)編程，以便截獲串口數(shù)據(jù)；（4）對(duì)串口數(shù)據(jù)分析函數(shù)的編程。

其中，在第（3）步編程中，需要注意調(diào)用第（4）步的分析函數(shù)。這樣，當(dāng)串口有數(shù)據(jù)時(shí)，MSComm控件會(huì)自動(dòng)響應(yīng)OnComm事件的函數(shù)完成對(duì)數(shù)據(jù)的截獲，然后程序轉(zhuǎn)入分析函數(shù)，在分析函數(shù)里針對(duì)壓裂數(shù)據(jù)做專門的解析，并在內(nèi)存中開辟空間做好備份副本的工作，等待網(wǎng)絡(luò)模塊的轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)收發(fā)

網(wǎng)絡(luò)通信連接主要有3個(gè)參數(shù)：通信的目的IP；使用的傳輸層協(xié)議（TCP或UDP）和使用的端口號(hào)。傳輸層使用TCP或UDP同時(shí)為多個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)程提供并發(fā)服務(wù)時(shí)需要區(qū)分不同應(yīng)用程序進(jìn)程間的連接。套接字Socket就是通過綁定網(wǎng)絡(luò)通信連接的3個(gè)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)程序進(jìn)程的數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟l(fā)服務(wù)[2]。

套接字Socket可以看成在兩個(gè)程序進(jìn)行通訊連接中的一個(gè)端點(diǎn)，是連接應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的橋梁，Socket在應(yīng)用程序中創(chuàng)建，通過綁定與網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)建立關(guān)系。此后，應(yīng)用程序送給Socket的數(shù)據(jù)，由Socket交網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送出去。計(jì)算機(jī)從網(wǎng)絡(luò)上收到與該Socket綁定的IP地址和端口號(hào)相關(guān)的數(shù)據(jù)后，由網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序交給Socket，應(yīng)用程序便可從該Socket中提取接收到的數(shù)據(jù)。

套接字Socket是網(wǎng)絡(luò)通信的基本構(gòu)件，無論是3G網(wǎng)絡(luò)通信還是局域網(wǎng)通信，都要使用Socket技術(shù)。為了簡(jiǎn)化利用套接字進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)，微軟的MFC對(duì)底層的套接字函數(shù)進(jìn)行了封裝，提供了CAsyncSocket類和CSocket類[2]。其中CAsyncSocket類只是對(duì)套接字進(jìn)行簡(jiǎn)單的封裝，使用起來比較繁瑣。本系統(tǒng)選擇使用更高級(jí)封裝的CSocket類編程。

使用CSocket類開發(fā)網(wǎng)絡(luò)程序需要四步：（1）在發(fā)送端配置好目標(biāo)機(jī)的IP和端口，并編寫建立套接字的代碼；（2）在發(fā)送端編寫要發(fā)送數(shù)據(jù)的代碼，并使用CSocket類的Send函數(shù)發(fā)送[3]；（3）在接收端配置計(jì)算機(jī)端口，并編寫建立套接字的代碼；（4）在接收端利用CSocket類的Accept函數(shù)接收數(shù)據(jù)，并編寫數(shù)據(jù)處理代碼[3]。

其中，在第（2）步中要把2.1中實(shí)時(shí)截獲的串口數(shù)據(jù)引入進(jìn)來，并實(shí)時(shí)使用CSocket類的Send函數(shù)發(fā)送給目標(biāo)機(jī)。在第（4）步中，要實(shí)時(shí)處理好接收到的串口數(shù)據(jù)，并在內(nèi)存中開辟空間做好存儲(chǔ)工作，等待下一模塊的調(diào)用。

2.3 數(shù)據(jù)同步處理

數(shù)據(jù)同步處理模塊是本系統(tǒng)的核心模塊。因?yàn)樵趯?shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，各壓裂儀表車每次發(fā)出的串口數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是不一致的，而且每臺(tái)儀表車發(fā)出的串口數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)也是無規(guī)律性的，隨機(jī)性很強(qiáng)。數(shù)據(jù)同步處理模塊就是要把從多臺(tái)儀表車采集的串口數(shù)據(jù)在秒級(jí)時(shí)間上統(tǒng)一同步為一個(gè)數(shù)據(jù)組。這樣再使用網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸回后方后，經(jīng)后方機(jī)的拆分就可還原出同步的兩個(gè)數(shù)據(jù)源，可以進(jìn)一步的數(shù)據(jù)整合處理。

因油田的大型壓裂一般使用兩套壓裂車組，本模塊的核心設(shè)計(jì)就是使用兩個(gè)循環(huán)隊(duì)列[4][5]作為兩個(gè)數(shù)據(jù)容器。把每臺(tái)儀表車獲得的數(shù)據(jù)分別存入各自的循環(huán)隊(duì)列，然后再把兩個(gè)隊(duì)列中同步的數(shù)據(jù)使用網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送出去，留下非同步數(shù)據(jù)等待下次的同步處理。詳細(xì)設(shè)計(jì)如下：（1）開辟兩個(gè)線程專門監(jiān)聽兩個(gè)壓裂儀表車的數(shù)據(jù)源；（2）對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)源實(shí)時(shí)傳來的數(shù)據(jù)分別做分析處理；（3）把（2）中分析的完整數(shù)據(jù)存入各自的循環(huán)隊(duì)列；（4）開辟一個(gè)新線程檢查兩個(gè)隊(duì)列的同步情況，把已經(jīng)同步的數(shù)據(jù)編組發(fā)送出去。

其中需要注意三個(gè)子線程和主線程的耦合關(guān)系，各線程的開關(guān)變量設(shè)計(jì)。對(duì)第（2）步中的數(shù)據(jù)處理，需要分析數(shù)據(jù)是否完整，把完整的數(shù)據(jù)要保存好的同時(shí)，殘片的數(shù)據(jù)也要保存好等待下次殘片數(shù)據(jù)傳來時(shí)的拼接處理。此外還要維護(hù)好兩個(gè)循環(huán)隊(duì)列的指針移動(dòng)，特別是進(jìn)，出隊(duì)列時(shí)需要判斷隊(duì)列的空與滿，并做相應(yīng)的處理。

2.4 虛擬串口

通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回后方的數(shù)據(jù)是進(jìn)入計(jì)算機(jī)端口的，而專業(yè)的壓裂軟件FracproPT只能接收串口的數(shù)據(jù)。使用vspm虛擬串口軟件可以通過計(jì)算機(jī)端口成功完成服務(wù)器和客戶端的虛擬串口連接及數(shù)據(jù)通信。原理圖如圖2-1所示：

通過vspm把服務(wù)器的端口A虛擬成串口C，把客戶端的端口B虛擬成串口D，虛擬串口C，D通過服務(wù)器和客戶端的計(jì)算機(jī)端口實(shí)現(xiàn)了雙向通信。其中虛擬串口C和D需要接2-1的串口通信代碼。

3. 系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試本系統(tǒng)的功能，我通過讀取并解析兩個(gè)含有原始?jí)毫褦?shù)據(jù)的二進(jìn)制dbs文件，把其中的二進(jìn)制壓裂數(shù)據(jù)重新轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制流式的串口數(shù)據(jù)，以模擬兩個(gè)壓裂儀表車的串口數(shù)據(jù)源。

其中，圖3-1是實(shí)時(shí)獲取的兩個(gè)數(shù)據(jù)源的組合數(shù)據(jù)，圖3-2是兩個(gè)數(shù)據(jù)源的壓裂曲線組合。經(jīng)過與原始兩個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)源的嚴(yán)格分析和對(duì)比，1小時(shí)09分55秒的模擬采集共4195條數(shù)據(jù)記錄無差錯(cuò)，測(cè)試取得成功。

4.總結(jié)

針對(duì)大型壓裂多套壓裂儀表車的數(shù)據(jù)不能無線傳回后方，更不能數(shù)據(jù)整合的問題，本文提出了一整套技術(shù)解決方案，使得大型壓裂現(xiàn)場(chǎng)的壓裂數(shù)據(jù)得到整合和實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。而且針對(duì)部分老式壓裂儀表車沒有串口源的問題，通過本文的技術(shù)方案，可以用“軟件”方式接出一個(gè)串口數(shù)據(jù)源實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)發(fā)出去，同時(shí)還不影響前線的生產(chǎn)。特別是解決了技術(shù)專家必須親臨儀表車觀察壓裂數(shù)據(jù)，不能同時(shí)監(jiān)控異地其他壓裂施工過程的問題，為油田壓裂施工的信息化做出了新的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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