基于熱示蹤法的井下流量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙麗華 韓 建

(東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

基于熱示蹤法的井下流量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙麗華 韓 建

(東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

根據(jù)熱示蹤方法的流量測(cè)量原理，采用C8051F360單片機(jī)、熱源發(fā)生器及溫度傳感陣列等器件，設(shè)計(jì)一種基于熱示蹤方法的井下流量測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用熱源發(fā)生器對(duì)井下流體加熱，當(dāng)加熱的流體經(jīng)過傳感器陣列時(shí)即可根據(jù)熱示蹤方法測(cè)出油水兩相流的流量，并將數(shù)據(jù)傳輸給由LabVIEW設(shè)計(jì)的井上上位機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井上地面計(jì)量站對(duì)井下數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，解決了井下流量測(cè)量難、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難、數(shù)據(jù)量大的問題。

流量測(cè)量 熱示蹤 熱源發(fā)生器 LabVIEW

油井流量測(cè)量是油田生產(chǎn)管理中的重要環(huán)節(jié)。隨著大部分油田進(jìn)入開發(fā)中后期，低產(chǎn)井?dāng)?shù)量逐漸增多，及時(shí)準(zhǔn)確地獲得油井流量不僅可以掌握油藏狀況，而且對(duì)生產(chǎn)方案的制定具有重要指導(dǎo)意義[1，2]。油田中現(xiàn)在常用的油井流量測(cè)量?jī)x器有皮球集流型儀器、布傘與套管及渦輪流量計(jì)等，它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中具有一定的適應(yīng)性，但又各自存在著缺點(diǎn)。皮球集流器密封性較好，測(cè)低流量時(shí)靈敏度較高，但耐溫差、下井成功率較低。布傘與套管內(nèi)壁密封較好，在全集流時(shí)靈敏度高，但每下一次井必須更換傘布，操作復(fù)雜[3]。而渦輪流量計(jì)精度差，且當(dāng)待測(cè)流體粘度大時(shí)敏感元件渦輪容易停轉(zhuǎn)[4，5]。針對(duì)以上問題筆者設(shè)計(jì)了一種基于熱示蹤方法的井下流量測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過測(cè)量脈沖熱流體經(jīng)過固定距離傳感器陣列所用的時(shí)間間接測(cè)量流體流量。

1 總體方案①

下流量測(cè)量系統(tǒng)主要利用熱源發(fā)生器加熱流體產(chǎn)生脈沖熱流體，當(dāng)脈沖熱流體運(yùn)動(dòng)經(jīng)過溫度傳感器陣列時(shí)，流體的溫度差引起傳感器的信號(hào)突變，形成標(biāo)記脈沖。系統(tǒng)通過測(cè)量標(biāo)記脈沖出現(xiàn)的時(shí)間即可確定流體的流速，進(jìn)而獲得流體的流量[5，6]。井下流量測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 井下流量測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

井下流量測(cè)量系統(tǒng)的下位機(jī)由熱源發(fā)生器、溫度傳感器、電容器模組及溫度采集模塊等構(gòu)成。電容器模組存儲(chǔ)熱源發(fā)生器所需的功率，當(dāng)熱源發(fā)生器加熱流體后，流體流進(jìn)上游溫度傳感器形成具有檢測(cè)標(biāo)記的脈沖熱流，當(dāng)熱流經(jīng)過下游溫度傳感器時(shí)，即獲得流體溫差脈沖，從而獲得流體流速。利用溫度采集模塊實(shí)時(shí)采集兩路溫度傳感器的數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。上位機(jī)采用LabVIEW軟件編程設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤顯示，繪制出時(shí)間溫度曲線，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的系統(tǒng)軟件中，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)下位機(jī)工作的控制。

單片機(jī)采用C8051F360，主要用來控制電容器模組和數(shù)據(jù)采集。單片機(jī)控制電容模組充電，當(dāng)電容器模組充電完成后即控制熱源發(fā)生器加熱流體(電容放電)，當(dāng)電容放電完成后，單片機(jī)控制溫度采集器采集溫度，同時(shí)將采集的溫度上傳至上位機(jī)。

2 系統(tǒng)的硬件組成

根據(jù)上文所述，井下流量測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由電容器模組、電源模塊、熱源發(fā)生器、溫度采集電路、通信模塊和主控模塊構(gòu)成。

由于測(cè)井電纜上允許通過的最大電流為0.5A，因此不能直接提高測(cè)井電纜上的電流為熱源發(fā)生器提供所需功率。在此筆者設(shè)計(jì)了由20個(gè)2.5V/4.7F超級(jí)電容串聯(lián)生成的電容器模組，利用電容器模組的瞬時(shí)放電功能為熱源發(fā)生器提供低壓直流電源，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熱源發(fā)生器電加熱。

在整個(gè)系統(tǒng)中共有4處需供電：?jiǎn)纹瑱C(jī)+5V供電、AD芯片和運(yùn)算放大器OP07±5V供電、MAX485總線通信+5V供電和電容器模組50V供電。其中電源電壓為50V，可直接為電容器模組供電，其余均采用DC-DC模塊48S05將50V電源電壓轉(zhuǎn)換成+5V，一路直接為單片機(jī)供電，一路用05S05電源隔離模塊將MAX485電源隔離，另一路用05S+-05模塊輸出±5V電源給AD芯片和運(yùn)算放大器OP07供電，電源電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

熱源發(fā)生器是流量測(cè)量系統(tǒng)的核心部件，主要控制電容器模組的充放電從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井下流體的加熱，因此熱源發(fā)生器的工作性能直接影響液體流量測(cè)量的精確度和準(zhǔn)確性。熱源發(fā)生器電路利用脈沖方式控制光耦開關(guān)，利用三極管的開關(guān)作用控制電容的充放電，根據(jù)AD采集的電容和電熱絲兩端的電壓值判斷電容器模組的充放電。熱源發(fā)生器電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 熱源發(fā)生器電路

溫度傳感器采用的是鉑熱電阻Pt1000，它的阻值隨著溫度的上升呈線性增加。在本系統(tǒng)中采用惠斯頓電橋的分壓電路(圖4)實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。

溫度采集電路選用AD620，因其具有增益值大、漂移電位低等特點(diǎn)，可以合理有效地放大惠斯頓電橋輸出的微小變化信號(hào)。同時(shí)采用OP07對(duì)前段采集的溫度信號(hào)進(jìn)一步放大，并將放大后的溫度信號(hào)送入片內(nèi)10位AD轉(zhuǎn)換器，溫度采集電路如圖5所示。

圖4 惠斯通電橋分壓電路

圖5 溫度采集電路

在實(shí)際應(yīng)用中需將井下采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到井上上位機(jī)顯示，而通信距離較遠(yuǎn)，因此本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用MAX485通信，因?yàn)?85總線具有通信距離長(zhǎng)、可以帶多個(gè)設(shè)備同時(shí)工作等特點(diǎn)，適合在井下數(shù)據(jù)的傳輸中使用。通信模塊電路如圖6所示。

圖6 通信模塊電路

采用C8051F360作為主控單片機(jī)，主要完成系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)的采集及傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思想是基于熱示蹤方法實(shí)現(xiàn)對(duì)井下液體流量的測(cè)量，通過對(duì)井下液體進(jìn)行加熱，并根據(jù)流體的溫度參數(shù)確定流體經(jīng)過固定距離的時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井下流量的測(cè)量。首先系統(tǒng)要完成初始化，然后對(duì)電容器模組進(jìn)行充電，當(dāng)AD采集到高電平時(shí)停止對(duì)電容器模組充電同時(shí)電容器模組開始對(duì)井下液體進(jìn)行加熱即電容開始放電，否則繼續(xù)充電。當(dāng)電容器模組開始放電時(shí)，溫度采集器也開始采集溫度，將采集的溫度上傳至上位機(jī)，并控制電容器模組再次充電準(zhǔn)備下次測(cè)量。軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程

4 開發(fā)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的上位機(jī)界面采用界面友好、框圖清晰的LabVIEW軟件設(shè)計(jì)完成。上位機(jī)前面板設(shè)計(jì)如圖8所示。通信串口可選擇串口號(hào)COM1、COM4或ASRL1等，根據(jù)實(shí)際通信的串口選擇；串口通信波特率選擇9 600；當(dāng)開關(guān)鍵按下時(shí)Pt1000 AD采樣主要顯示溫度傳感器的采樣電壓值；溫度變化波形圖表主要顯示時(shí)間和溫度傳感器采樣的電壓值之間的關(guān)系曲線，通過兩個(gè)電壓峰峰值的時(shí)間差，即可獲得井下液體的流量。

圖8 上位機(jī)前面板

5 結(jié)束語

針對(duì)井下流量測(cè)量存在的問題，設(shè)計(jì)了一種基于熱示蹤法的流量測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用熱源發(fā)生器加熱流體產(chǎn)生脈沖熱流體，通過傳感器陣列檢測(cè)熱流體形成的流體溫差脈沖，測(cè)量脈沖熱流通過固定距離傳感器的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了流體流量的測(cè)量，并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)油井測(cè)試中，具有很好的可靠性和準(zhǔn)確性，且不受井底泥沙和流速的影響，具有很好的適應(yīng)性。

[1] 關(guān)松.基于ANSYS的高精度渦輪流量計(jì)設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2014，41(9)：1012～1015.

[2] 岳宗坤，李光春，付國(guó)光，等.“田”字網(wǎng)絡(luò)型油田計(jì)量體系及策略[J].中國(guó)計(jì)量，2007，(2)：30～31.

[3] 朱亮，王先鵬，袁再林，等.電導(dǎo)傳感器測(cè)量油井流量與含水率[J].價(jià)值工程，2010，29(3)：42～43.

[4] 劉均，鄒彥艷.基于壓差測(cè)量的注水井分層流量測(cè)量技術(shù)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2015，42(6)：638～640.

[5] 趙娜.熱示蹤法測(cè)量低產(chǎn)液水平井流量方法的研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2011.

[6] 劉彥昌，劉得軍，姜衛(wèi)岐，等.基于熱示蹤法的低產(chǎn)液井流量測(cè)量誤差分析[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2014，28(11)：1242～1247.

2016新疆國(guó)際石化、化工技術(shù)裝備展覽會(huì)

展會(huì)時(shí)間2016年10月21～23日展會(huì)地點(diǎn)新疆國(guó)際會(huì)展中心

本次展會(huì)的展覽內(nèi)容有石油與化工成套裝置和技術(shù)設(shè)備(石油天然氣/煤化工/氯堿/鹽化工/化肥/精細(xì)化工)；油氣、化工管道建設(shè)工程技術(shù)和設(shè)備；鍋爐/壓力容器/反應(yīng)設(shè)備；塔器和傳質(zhì)設(shè)備；傳熱、制冷、通風(fēng)設(shè)備；流體機(jī)械技術(shù)與設(shè)備(管道/泵/閥)；DCS、PLC控制系統(tǒng)；儲(chǔ)存、運(yùn)輸技術(shù)設(shè)備；工業(yè)防爆產(chǎn)品等。

承辦單位新疆世華融泰會(huì)展服務(wù)有限公司

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聯(lián)系人齊麗霞

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DesignofMeasurementSystemforDownholeFlowBasedonThermalTraceMethod

ZHAO Li-hua, HAN Jian

(CollegeofElectronicsScience,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

Basing on thermal tracer method-based flow measuring principle, having C8051F360 MCU, heat generator and temperature sensor array employed to design a downhole flow measurement system was implemented. The system can heat both oil and water there through heat generators and measures its flow rate when the heated oil and water fluid flows through the sensor array, and then the data can be transmitted to the LabVIEW-based host system so that metering station on ground can monitor the downhole data at real time. In this way, the difficulty in measuring and monitoring downhole flow and data can be solved.

flow measurement, thermal trace, heat generator，LabVIEW

2016-01-22(修改稿)

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12531085)

TH814

A

1000-3932(2016)07-0743-04