采油井中基于ARM多聲道兩相流流量測量系統(tǒng)

王寶妮

西安翻譯學(xué)院 陜西 西安 710105

隨著國家提倡數(shù)字化油田，我國對(duì)石油的流量測量技術(shù)的要求也更高[1]。目前我國長慶、遼河等油田在采集井下流量信息時(shí)，都是將數(shù)據(jù)采集完成置于辦卡內(nèi)部的FLASH中，在測調(diào)儀出井以后將所有數(shù)據(jù)整體調(diào)出然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看[2]。由于注水井都在一些無人區(qū)，要求能夠在距離井口很遠(yuǎn)的距離對(duì)井下信息進(jìn)行查看，并針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，減少人工成本，提升工作效率。

1 油井中兩相流測量監(jiān)控系統(tǒng)介紹

采油井流量監(jiān)控系統(tǒng)是在采油過程中對(duì)氣液兩相流體流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。本套監(jiān)控主要選擇對(duì)井下流體體積進(jìn)行監(jiān)控，通過檢測及計(jì)算流體流量，將此信息發(fā)送至服務(wù)器。同時(shí)在井上制作上位機(jī)，將采集到的流量信息繪制成為折線圖，實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)上。如果流量超標(biāo)則立即通過以太網(wǎng)發(fā)送報(bào)警信息并生成報(bào)錯(cuò)日志[3]。

2 油井多聲道測量流量信息計(jì)算原理

2.1 對(duì)角式超聲波傳感器測量原理

本套系統(tǒng)選用三個(gè)超聲波傳感器分別裝配在測量管道上的三個(gè)位置，保證其處于不同的流層。在管道軸線上看，每一對(duì)傳感器相互交叉，管壁上每個(gè)相鄰的傳感器沿軸向方向先對(duì)角度為60°，同時(shí)三對(duì)傳感器之間測量聲道的距離均相等。但是這里也要保證三個(gè)傳感器安裝位置保持一定的距離，從而可以獲得介質(zhì)流體在管道中不同位置的流體速度大小，能夠應(yīng)用在管道內(nèi)部介質(zhì)流體狀態(tài)復(fù)雜、同時(shí)流速不恒定的流體，然后通過對(duì)每一個(gè)聲道所獲得的速度信息進(jìn)行平均從而得出管道內(nèi)截止流體流量信息。下圖2-1為對(duì)角式3聲道超聲波傳感器分布，在設(shè)計(jì)的中每一對(duì)傳感器在軸線上的距離是170mm，因此如果需要保證傳感器的精度，管道設(shè)計(jì)至少在550mm以上。

圖1 三聲道傳感器布局圖

圖2 多聲道超聲波傳感器設(shè)計(jì)

2.2 多聲道超聲波計(jì)算原理

井下多聲道超聲波流量測量系統(tǒng)應(yīng)用了4個(gè)傳感器，其中A為超聲波發(fā)射端，剩下三個(gè)B1、B2、B3均為超聲波接收端。均處于同一平面，同一水平線組建一個(gè)三聲道超聲波測量系統(tǒng)。如圖2所示。根據(jù)氣液兩相流流體狀態(tài)分布，應(yīng)用三個(gè)平面組成信息窗，通過信息窗反應(yīng)流體流速大小[4]。

由于管道中不同信息窗相較于其直徑D所處的位置均不相同，因此確定每一個(gè)聲道的加權(quán)系數(shù)，通過對(duì)該數(shù)值進(jìn)行積分能夠得到對(duì)應(yīng)兩相流流量Q：

式中：ui為各個(gè)聲道上的流速；wi為各聲道上的流速加權(quán)系數(shù)。因此多聲道流量測量模型計(jì)算方法為：

3 油井中流量監(jiān)測系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)功能有：通過多聲道超聲波傳感器進(jìn)行流量信號(hào)采集、內(nèi)部ARM芯片對(duì)流量信息進(jìn)行計(jì)算、通過當(dāng)前時(shí)間日期將ARM計(jì)算后的流量信息存入SQlite3數(shù)據(jù)庫中，服務(wù)器應(yīng)用TCP協(xié)議與該數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，獲取當(dāng)前數(shù)據(jù)庫中的信息，將該信息發(fā)送至Web當(dāng)中。這里設(shè)置流量閥值，當(dāng)流量信息出現(xiàn)異常時(shí)產(chǎn)生報(bào)警日志。

同時(shí)現(xiàn)場樣機(jī)上，設(shè)置有一個(gè)LCD屏幕，可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前流量信息，同時(shí)調(diào)取數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。通過不同日期繪制出柱狀圖、折線圖在該屏幕上。該系統(tǒng)整體方案如圖3所示。

圖3 油井中流量監(jiān)控方案設(shè)計(jì)

3.1 CPU 控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)搭載了三星4412開發(fā)板，該處理器內(nèi)部采用了Cortex-A9為核心，同時(shí)集成了多種優(yōu)越性能的圖形處理引擎，能夠保證圖像正常運(yùn)行，可播放最大分辨率為1080P的高清圖像，完全兼容Linux等諸多高級(jí)內(nèi)核系統(tǒng)，目前已經(jīng)大量裝載到眾多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備、智能玩具車、智能游戲機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)家具等。

4 采油系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該采油監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部軟件分為兩大部分，一是井下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并計(jì)算，二是通過數(shù)據(jù)傳輸，將采集到的信息傳輸給三星4412開發(fā)板。其中第一類需要進(jìn)行超聲波時(shí)差信號(hào)流量計(jì)算、數(shù)據(jù)打包傳輸。第二類需要對(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、同時(shí)打包當(dāng)前數(shù)據(jù)并發(fā)送到HTML網(wǎng)頁上與網(wǎng)絡(luò)WEB服務(wù)器中，并通過交互的方式繪制流量信息等曲線，將其顯示在LCD屏幕上。

4.1 主程序設(shè)計(jì)

本套采油系統(tǒng)工作時(shí)遵循下一程序步驟。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，其中包含Socket通信套接字的創(chuàng)建、客戶端與服務(wù)器端口之間的綁定、對(duì)井下板卡串口通信進(jìn)行初始化、數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、多線程建立。該系統(tǒng)中創(chuàng)立了兩個(gè)線程。主線程通過讀取對(duì)井下數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，防止其他線程干擾，將所獲取的數(shù)據(jù)線程進(jìn)行枷鎖隨后將其存入數(shù)據(jù)庫中，最終通過WEB網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將其發(fā)送至服務(wù)器中。第二個(gè)線程主要控制LCD屏幕顯示目前數(shù)據(jù)界面，同時(shí)通過屏幕上現(xiàn)實(shí)的用戶指令進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢、當(dāng)前數(shù)據(jù)規(guī)律、總采油量多少等方面操作。其運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 流量計(jì)檢測顯示平臺(tái)

4.2 UI 界面顯示

從數(shù)據(jù)流的角度出發(fā)，整體數(shù)據(jù)需要分為測井基本信息、目前傳感器下入深度、以及當(dāng)前采集信息狀況。這些井下信息需要實(shí)時(shí)上傳至井上界面，同時(shí)井上也通過設(shè)定固定波特率、對(duì)串口選擇、以及清楚之前數(shù)據(jù)。

5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本套超聲波流量計(jì)是應(yīng)用于室內(nèi)常溫常壓條件下進(jìn)行的，由于井下石油流體含有固體顆粒、水、氣體等混合物，因此在管道內(nèi)加入一定比例的砂礫、膨潤土、潤滑劑等進(jìn)行配置攪拌均勻，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)調(diào)節(jié)螺桿泵來控制其頻率，調(diào)節(jié)螺桿泵轉(zhuǎn)速進(jìn)而調(diào)節(jié)流體的流速大小。在豎直管道上找到Z字型位置進(jìn)行超聲波流量計(jì)探頭安裝，在安裝位置的前面需要前置當(dāng)前測量管徑10倍的長度，及其后方預(yù)留10倍的距離，能夠有效減少彎管與法蘭接口。傳感器安裝完成以后，按照原來的方向進(jìn)行循環(huán)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)螺桿泵改變管道內(nèi)流體流速，進(jìn)行多次測量同時(shí)將當(dāng)前超聲波流量測量數(shù)據(jù)與電磁流量計(jì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與結(jié)果的分析。其在50HZ螺桿泵測量頻率下測量輸入如下表1所示。

表1 螺桿泵頻率為50HZ時(shí)的測量值以及誤差統(tǒng)計(jì)

由表1可知，螺桿泵在50Hz時(shí)，其超聲波流量整體誤差比較低，其誤差在%2以內(nèi)，因此通過此數(shù)據(jù)測量井下采油流量大小有非常好的依據(jù)。

6 結(jié)束語

本套超聲波采油系統(tǒng)選用了單片機(jī)作為超聲波信號(hào)采集，并進(jìn)行計(jì)算，最終誤差控制在2%以內(nèi)。其中在螺桿泵頻率達(dá)到50Hz時(shí)，其效果最為理想，同時(shí)相比于其他壓差式、渦街式流量計(jì)高誤差問題，可以斷定該系統(tǒng)應(yīng)用于高速流管道時(shí)，有很大使用前景。在獲取數(shù)據(jù)以后，采油井中流量監(jiān)控系統(tǒng)選用了三星ARM 4412高性能芯片做為核心處理器，內(nèi)置Linux系統(tǒng)，應(yīng)用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)、串口通信、Frambuffer和輸入子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，通過多聲道傳感器算法原理對(duì)井下流量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。因?yàn)樵撓到y(tǒng)是嵌入式微控制器開發(fā)，所以該系統(tǒng)能夠?qū)ι厦娴闹T多功能進(jìn)行增刪，擁有非常好的擴(kuò)展性。伴隨著數(shù)字化油田的提出，該系統(tǒng)會(huì)普遍應(yīng)用于流量檢測領(lǐng)域。