基于地磁感應(yīng)的柱塞到達(dá)傳感器設(shè)計(jì)

李馳 李銳

收稿日期：2023-09-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61572084）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.06.033

摘? 要：柱塞到達(dá)檢測(cè)是柱塞氣舉排水采氣工藝的重要組成部分。針對(duì)傳統(tǒng)柱塞到達(dá)傳感器易受油管振動(dòng)影響產(chǎn)生漏檢而導(dǎo)致氣舉井生產(chǎn)效率偏低的問(wèn)題，提出一種基于地磁感應(yīng)的柱塞到達(dá)傳感器設(shè)計(jì)方法。該柱塞到達(dá)傳感器以STM32微處理器為核心，通過(guò)采集地磁傳感器RM3100傳送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)滑動(dòng)平均濾波后采用自適應(yīng)閾值算法判斷柱塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，最后輸出柱塞到達(dá)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試及實(shí)地應(yīng)用表明，該柱塞到達(dá)傳感器檢測(cè)精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，在柱塞氣舉排水采氣工藝中具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：柱塞氣舉；柱塞到達(dá)檢測(cè)；地磁傳感器；滑動(dòng)平均濾波；自適應(yīng)閾值

中圖分類號(hào)：TP212.9；TE35? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2024）06-0154-04

Design of Plunger Arrival Sensor Based on Geomagnetic Induction

LI Chi， LI Rui

（School of Electronic Information and Electrical Engineering， Yangtze University， Jingzhou? 434023， China）

Abstract： Plunger arrival detection is an important component of the plunger gas-lift drainage and gas production process. In order to solve the problem that the traditional plunger arrival sensor is easily affected by the oil pipe vibration， which leads to the low production efficiency of gas-lift wells， a design method of plunger arrival sensor based on geomagnetic induction is proposed. The plunger arrival sensor is based on STM32 microprocessor. The data transmitted by the geomagnetic sensor RM3100 is collected， and the adaptive threshold algorithm is adopted to judge the motion state of the plunger after moving average filtering. Finally， the plunger arrival signal is output. The laboratory test and field application show that the plunger arrival sensor has high detection accuracy and stable operation， and has certain practical value in the plunger gas-lift drainage and gas production technology.

Keywords： plunger gas-lift; plunger arrival detection; geomagnetic sensor; moving average filtering; adaptive threshold

0? 引? 言

天然氣井在生產(chǎn)后期井底會(huì)堆積液體，需要及時(shí)將井底積液排出，才能維持天然氣井的正常運(yùn)行，柱塞氣舉排水采氣工藝是針對(duì)產(chǎn)量低、產(chǎn)液量高的作業(yè)井的主要采氣技術(shù)[1，2]。柱塞作為井底氣體與液體的物理分界面，依靠氣井自身能量對(duì)柱塞進(jìn)行舉升，從而將井底積液排出，柱塞到達(dá)信號(hào)檢測(cè)是柱塞氣舉排水采氣控制系統(tǒng)中的重要一環(huán)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，受檢測(cè)方法及井底環(huán)境的影響，傳統(tǒng)的柱塞到達(dá)傳感器并不能對(duì)到達(dá)時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)而穩(wěn)定地判斷。因此提出一種基于地磁檢測(cè)的到達(dá)傳感器，通過(guò)捕獲磁性目標(biāo)擾動(dòng)地磁場(chǎng)所產(chǎn)生的磁異常信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)柱塞到達(dá)的檢測(cè)，區(qū)別于傳統(tǒng)的柱塞到達(dá)檢測(cè)，本方法檢測(cè)精度高，且功耗低、更穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性好，此外，其檢測(cè)靈敏性高，同時(shí)能獲得柱塞運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速度等參數(shù)用于其他方面的研究。

傳統(tǒng)的柱塞到達(dá)檢測(cè)方法如紅外光電檢測(cè)法，對(duì)紅外探頭要求較高，需保持探頭無(wú)污垢，探頭附著上污垢后會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生偏差，而井內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，難免會(huì)發(fā)生上述情況，導(dǎo)致檢測(cè)裝置失效。超聲波檢測(cè)法只能應(yīng)用于油管內(nèi)部檢測(cè)柱塞，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中安裝不方便，且由于柱塞上行過(guò)程中氣體上竄會(huì)生成大量氣泡，造成超聲波散射現(xiàn)象，另外油管內(nèi)部空間小容易產(chǎn)生聲波折射，更加增添了檢測(cè)難度[3]。電感式接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)技術(shù)以及磁性接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)技術(shù)都具備檢測(cè)導(dǎo)磁金屬的能力。當(dāng)柱塞接近時(shí)，信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，從而達(dá)到檢測(cè)的目的[4]。但傳感器本身的頻率響應(yīng)不高，不適合快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。加速度傳感器多用于高頻振動(dòng)檢測(cè)，隨著開(kāi)井后井底壓力推動(dòng)柱塞不斷上升，柱塞越來(lái)越接近井口，油管振動(dòng)就會(huì)越來(lái)越明顯，根據(jù)信號(hào)的振動(dòng)強(qiáng)度來(lái)判斷柱塞是否已到達(dá)[5]。但加速度傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)太過(guò)敏感，一般的加速度傳感器噪聲特別大，特別是加速度傳感器噪聲和抖動(dòng)在相同數(shù)量級(jí)時(shí)，將導(dǎo)致累計(jì)方向誤差[6]。

基于地磁感應(yīng)的柱塞到達(dá)傳感器通過(guò)捕獲磁性目標(biāo)擾動(dòng)地磁場(chǎng)所產(chǎn)生的磁異常信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)柱塞到達(dá)的檢測(cè)。該柱塞到達(dá)傳感器以STM32微處理器為核心，通過(guò)采集地磁傳感器RM3100傳送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)滑動(dòng)平均濾波與自應(yīng)閾值算法處理后，輸出柱塞到達(dá)信號(hào)。該傳感器檢測(cè)精度高，且更穩(wěn)定、安裝便捷。

1? 地磁檢測(cè)原理

地球本身具有一個(gè)較弱的天然磁場(chǎng)，稱為地磁場(chǎng)。在沒(méi)有外界干擾的條件下，一定區(qū)域內(nèi)的地球磁場(chǎng)強(qiáng)度基本上恒定不變，維持在0.4～0.6 Gs之間[7]。在這個(gè)范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)的鐵磁物體會(huì)引起磁場(chǎng)中磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致這部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化，使磁場(chǎng)發(fā)生擾動(dòng)，擾動(dòng)的大小與鐵磁材料的性質(zhì)、大小以及質(zhì)量有關(guān)，不同的鐵磁材料引起的擾動(dòng)不同，地磁傳感器能夠測(cè)量連續(xù)變化的磁場(chǎng)信號(hào)，并根據(jù)變化幅度來(lái)判斷是否有鐵磁物體通過(guò)此區(qū)域。柱塞在油管內(nèi)部需要不斷進(jìn)行上行、下落運(yùn)動(dòng)，工作負(fù)荷量較大，所以柱塞在設(shè)計(jì)過(guò)程中多采用高強(qiáng)度、耐腐蝕的金屬材質(zhì)，因此可以通過(guò)檢測(cè)區(qū)域前后磁場(chǎng)的改變，進(jìn)行柱塞到達(dá)實(shí)時(shí)檢測(cè)[8-10]。

2? 硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，基于地磁感應(yīng)的柱塞到達(dá)傳感器主要的功能包含信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)的柱塞到達(dá)傳感器由四部分組成，分別為信號(hào)采集模塊、主控模塊、供電模塊和通信模塊。

圖1? 硬件總體框架圖

首先將地磁傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32F103ZET6模塊，在STM32F103ZET6模塊中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與判斷，再以滿足無(wú)線傳輸所需的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行排列。通過(guò)RS485模塊進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后，控制信號(hào)可以通過(guò)4G模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸。最后將編輯完成的數(shù)據(jù)記錄在存儲(chǔ)模塊中。

2.1? 信號(hào)采集模塊

柱塞到達(dá)傳感器以PNI公司的RM3100地磁傳感器為感知單元，RM3100由2個(gè)Sen-XY-f地磁傳感器、1個(gè)Sen-Z-f地磁傳感器和MagI2C控制芯片組成，能實(shí)現(xiàn)三維空間的磁場(chǎng)大小測(cè)量，非常適合需要精確測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的應(yīng)用場(chǎng)景，RM3100通過(guò)SPI接口與STM32微處理器相連，實(shí)時(shí)將三軸數(shù)據(jù)傳送給主控STM32，如圖2所示。

圖2? SPI接口的RM3100

2.2? 主控模塊

以STM32F103ZET6微處理器作為柱塞到達(dá)傳感器的主控單元，STM32F103ZET6微處理器提供了豐富的外設(shè)：112個(gè)IO口，512 KB的FLASH，64 KB SRAM。主頻高達(dá)72 MHz，32位高性能ARM Cortex-

M3處理器，足以承擔(dān)該傳感器設(shè)計(jì)需求。

2.3? 供電模塊

供電方式選擇太陽(yáng)能供電，供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能控制器、蓄電池和電壓轉(zhuǎn)換模塊組成，太陽(yáng)能控制器能對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電，防止蓄電池充電過(guò)度，當(dāng)夜晚來(lái)臨時(shí)反向充電，維持整體供電所需。電壓轉(zhuǎn)換模塊能將太陽(yáng)能電池板的直流電壓轉(zhuǎn)換為5 V的直流工作電壓，確保柱塞到達(dá)傳感器中各組成部分的正常工作。

2.4? 通信模塊

當(dāng)捕獲到柱塞到達(dá)信號(hào)后，傳感器會(huì)以方波的形式輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)，為了方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與遠(yuǎn)距離接收，通信部分采用了兩種方式：一是有線串口通信以及基于4G Cat.1通信模組FS704UM的無(wú)線通信模塊。有線串口通信采用CH340芯片，以TTL轉(zhuǎn)USB的形式將串口數(shù)據(jù)傳輸給電腦端的調(diào)試助手。傳感器是安裝在油管上的，與工控端相隔較遠(yuǎn)距離，因此該系統(tǒng)也配備了無(wú)線通信模塊，采用485串口通信，通過(guò)4G傳輸?shù)男问綄⑿盘?hào)實(shí)時(shí)傳輸給工控端。

3? 軟件設(shè)計(jì)

3.1? 滑動(dòng)平均濾波算法

柱塞到達(dá)信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)柱塞氣舉有效控制的基礎(chǔ)，但傳感器在采集信號(hào)的過(guò)程中會(huì)受到各種噪聲的干擾，例如搭載磁傳感器的電路板以及周圍其他金屬對(duì)磁場(chǎng)的影響，傳感器受制作工藝影響，也會(huì)存在一定噪聲信號(hào)。為有效地消除背景噪聲和毛刺現(xiàn)象，在對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之前，需要對(duì)原始的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，這里采用的是滑動(dòng)平均濾波算法。如圖3的三條曲線即為地磁傳感器RM3100的XYZ三軸檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)分析可得在柱塞未到達(dá)之前，磁場(chǎng)強(qiáng)度穩(wěn)定在一個(gè)基值附近，當(dāng)柱塞到達(dá)時(shí)，各軸數(shù)據(jù)都會(huì)發(fā)生一定程度的變化，但受柱塞運(yùn)動(dòng)方向的影響，從圖3中也可以看到Z軸變化最為明顯，因此以Z軸的數(shù)據(jù)用來(lái)進(jìn)行檢測(cè)最為合適。

圖3? 傳感器三軸數(shù)據(jù)變化

3.2? 自適應(yīng)閾值柱塞到達(dá)檢測(cè)算法

在傳統(tǒng)的閾值檢測(cè)算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，就可以得到自適應(yīng)閾值柱塞到達(dá)檢測(cè)算法，這種算法可以不斷地更新磁基值，有效地解決受外界溫度、電路磁化等因素的影響導(dǎo)致基值浮動(dòng)的問(wèn)題。因此在沒(méi)有柱塞到達(dá)時(shí)，地磁傳感器采集磁場(chǎng)信號(hào)用于更新基準(zhǔn)值，在有柱塞經(jīng)過(guò)時(shí)，地磁傳感器采集磁場(chǎng)信號(hào)用于判斷柱塞是否到達(dá)。如圖4所示，具體算法判斷步驟如下：

1）在輸入濾波數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計(jì)算基準(zhǔn)值，取100個(gè)數(shù)據(jù)為一組計(jì)算出磁場(chǎng)信號(hào)的平均值A(chǔ)為基準(zhǔn)值，再計(jì)算出這組數(shù)據(jù)的最大值Qmax與最小值Qmin，將二者之差Qdel作為波動(dòng)的范圍，為了數(shù)據(jù)波動(dòng)的普遍性，以A ± 1.2Qdel作為浮動(dòng)閾值上下限a和b。

2）設(shè)突發(fā)信號(hào)的幅值為k，當(dāng)k＞a時(shí)，認(rèn)為柱塞預(yù)到達(dá)。

3）若k＞a，則開(kāi)啟定時(shí)器記錄時(shí)間Tin，若記錄時(shí)間Tin超過(guò)閾值Tth，則判定柱塞已到達(dá)，發(fā)送方波信號(hào)，并記錄柱塞到達(dá)時(shí)間。若不超過(guò)閾值Tth，則認(rèn)為是數(shù)據(jù)波動(dòng)，繼續(xù)認(rèn)定為柱塞預(yù)到達(dá)。

4）當(dāng)k＜b時(shí)，認(rèn)為柱塞預(yù)離開(kāi)。

5）若k＜b，且定時(shí)器記錄時(shí)間Tout超過(guò)閾值Tth，則判定柱塞已離開(kāi)，柱塞到達(dá)次數(shù)加1且記錄柱塞離開(kāi)的時(shí)間。若不超過(guò)閾值Tth，則認(rèn)為是數(shù)據(jù)波動(dòng)，繼續(xù)認(rèn)定為柱塞預(yù)離開(kāi)。最后變?yōu)闊o(wú)柱塞到達(dá)狀態(tài)，基準(zhǔn)值更新。

圖4? 算法流程圖

4? 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

準(zhǔn)確測(cè)量柱塞到達(dá)氣舉井口的時(shí)間是柱塞氣舉井控制的關(guān)鍵。柱塞到達(dá)傳感器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)在長(zhǎng)江大學(xué)石油氣舉實(shí)驗(yàn)基地多相流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和柱塞氣舉動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠進(jìn)行油、氣、水等多種流體實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置為：0°～90°傾角、常溫0～90 ℃，常壓0～0.8 MPa、液體流量0～-500 m3/d，流體粘度0～1 000 mPa.s、氣體流量0～50 000 m3/d。

圖5? 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

為了分析柱塞到達(dá)傳感器的精確性，將依托其測(cè)得的柱塞到達(dá)時(shí)間與高速攝像頭拍攝到的到達(dá)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中充分考慮油田現(xiàn)場(chǎng)情況，針對(duì)不同井底壓力、不同管柱傾角下的柱塞到達(dá)時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試，從表1中數(shù)據(jù)可以看出，在井底壓力為0.2 MPa的條件下，誤差在可接受的范圍內(nèi)，在0.4 MPa、

0.6 MPa的條件下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也相差不大。

表1? 井底壓力為0.2 MPa下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

井底壓力/MPa 節(jié)流閥開(kāi)度/° 傾角/° 傳感器測(cè)量到達(dá)時(shí)間/s 高速攝像頭測(cè)量到達(dá)時(shí)間/s 誤差/%

0.2 60 0 1.134 9 1.144 9 0.87

0.2 80 0 1.248 0 1.258 0 0.79

0.2 100 0 1.166 0 1.166 0 0

0.2 60 15 1.445 0 1.435 0 0.70

0.2 80 15 1.162 5 1.152 5 0.87

0.2 100 15 1.135 5 1.135 5 0

0.2 60 30 1.266 0 1.256 0 0.80

0.2 80 30 1.465 0 1.475 0 0.68

0.2 100 30 1.525 0 1.535 0 0.65

0.2 60 45 1.338 0 1.328 0 0.75

0.2 80 45 1.026 0 1.036 0 0.97

0.2 100 45 1.144 0 1.154 0 0.85

5? 應(yīng)用測(cè)試

如圖6為傳感器實(shí)物圖，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試在新疆吐哈油田，采取開(kāi)井2小時(shí)，關(guān)井1小時(shí)的柱塞制度，與傳統(tǒng)的人工記錄進(jìn)行對(duì)比。在測(cè)試的2021年7月1日至31日，以每24小時(shí)為一個(gè)時(shí)間段進(jìn)行計(jì)數(shù)，與人工計(jì)數(shù)柱塞到達(dá)次數(shù)相比，柱塞到達(dá)傳感器識(shí)別柱塞到達(dá)次數(shù)準(zhǔn)確率可達(dá)100%。且傳統(tǒng)的人工計(jì)時(shí)浪費(fèi)人力，不利于后續(xù)柱塞氣舉自動(dòng)化開(kāi)發(fā)。由于柱塞氣舉運(yùn)行周期較長(zhǎng)，傳感器大部分時(shí)間都處于閑置狀態(tài)，因此傳感器后續(xù)可進(jìn)行硬件和軟件方面的低功耗優(yōu)化，選擇具有低功耗模式的元器件，以及為實(shí)現(xiàn)及時(shí)切換低功耗模式而設(shè)計(jì)新的檢測(cè)算法。

圖6? 傳感器實(shí)物

6? 結(jié)? 論

完成了基于地磁感應(yīng)的柱塞到達(dá)傳感器的設(shè)計(jì)，相較于傳統(tǒng)的柱塞到達(dá)傳感器，基于地磁感應(yīng)的柱塞到達(dá)傳感器供電方便、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、識(shí)別準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，本文設(shè)計(jì)的柱塞到達(dá)傳感器與傳統(tǒng)人工記錄數(shù)據(jù)差別較小，識(shí)別度高，在測(cè)試的一個(gè)月內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)異常，因此本文設(shè)計(jì)的傳感器具有良好的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：李馳（1998—），男，漢族，湖北荊門人，碩士在讀，研究方向：油氣田自動(dòng)化控制。