張乃祿+皇甫王歡+劉選朝+劉峰+翟磊

摘 要： 油井液面動態(tài)監(jiān)測是數(shù)字化與智慧化油田的重要內(nèi)容。針對偏遠油井動液面自動連續(xù)測量、動液面數(shù)據(jù)傳輸與集中計算的問題，研發(fā)一種存儲式油井動液面監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由井口測量裝置和數(shù)據(jù)處理平臺構(gòu)成，采用STM32F103RET6為動液面測量微控制器，將動液面實時測量值按自定義格式編碼處理成數(shù)據(jù)包，存儲到FLASH存儲器，并定時導入數(shù)據(jù)處理平臺進行解碼、液面計算，從而得到動液面深度及波形。該系統(tǒng)實現(xiàn)了油井液面的自動連續(xù)測量，多口油井液面數(shù)據(jù)比較分析，在數(shù)字化與智慧化油田建設中有典型的應用價值。

關鍵詞： 動液面； 存儲式油井； 小波分析； 液面計算； STM32； 監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號： TN931+.3?34； TE33+1； TP277 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）06?0092?04

Abstract： The dynamic monitoring of oil wells′ fluid level is an important content of digital and intelligent oilfield. In allusion to the problems of automatic and continuous measurement， data transmission and centralized calculation of remote oil wells′ dynamic fluid level， a dynamic fluid level monitoring system for storage oil wells is developed. The system is composed of wellhead measurement device and data processing platform. STM32F103RET6 is adopted as the dynamic fluid level measurement micro?controller to encode and process the real?time measurement values of dynamic fluid level into a data packet according to the custom format. The data packet is stored in FLASH memory and imported to the data processing platform at regular time for decoding and fluid level calculation， so that the depth and waveform of dynamic fluid level can be obtained. The system can realize the automatic and continuous measurement of oil wells′ fluid level and comparative analysis of multiple oil wells′ fluid level， and has a typical application value for the construction of digital and intelligent oilfields.

Keywords： dynamic fluid level； storage oil well； wavelet analysis； fluid level calculation； STM32； monitoring system

0 引 言

隨著數(shù)字化與智慧化油田建設的逐步推進，對油井液面的自動化采集和管理已成為建設“數(shù)字化和智慧化油田”的重要內(nèi)容之一。

目前，偏遠油井采用人工現(xiàn)場定期測量動液面，工人勞動強度大、測量周期長、動液面數(shù)據(jù)無法自動連續(xù)測量[1]；部分偏遠油井采用基于物聯(lián)網(wǎng)[2?3]的動液面遠程監(jiān)測系統(tǒng)進行測量，而一般偏遠油井所處位置無信號或信號較弱，數(shù)據(jù)無法正常上傳導致測量失敗。結(jié)合目前偏遠油井動液面監(jiān)測的特點及不足，研發(fā)了一種存儲式油井動液面監(jiān)測系統(tǒng)，其由井口測量裝置和數(shù)據(jù)處理平臺兩部分構(gòu)成，系統(tǒng)采用存儲的方式將動液面實時測量值按自定義格式編碼后存儲至FLASH存儲器，并通過移動存儲介質(zhì)定時導入數(shù)據(jù)處理平臺進行解碼、液面計算，得到動液面深度及波形。實現(xiàn)油井液面的自動連續(xù)測量、多口油井液面數(shù)據(jù)的集中計算及比較分析，實用性較強，便于推廣和使用。

1 存儲式油井動液面監(jiān)測系統(tǒng)設計

1.1 存儲式動液面監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

存儲式動液面監(jiān)測系統(tǒng)由井口測量裝置和數(shù)據(jù)處理平臺兩部分構(gòu)成，如圖1所示。井口測量裝置將動液面實時測量值按自定義格式編碼后存儲到FLASH存儲器[4]，通過移動存儲介質(zhì)（U盤）將數(shù)據(jù)包導入數(shù)據(jù)處理平臺，完成對油井液面的自動連續(xù)測量、數(shù)據(jù)包的導出與導入、查看波形、參數(shù)設置等功能[5]；數(shù)據(jù)處理平臺主要對移動存儲介質(zhì)導入的數(shù)據(jù)包進行解碼及液面計算，得到動液面深度及波形，并將計算結(jié)果存入SQL Server數(shù)據(jù)庫，以網(wǎng)頁方式提供顯示、查詢、設置、控制等功能。

1.2 井口測量裝置

本文采用意法半導體（ST）公司出品的STM32F103RET6作為微控制器，融合了數(shù)據(jù)包導出/導入模塊、FLASH存儲器（64 MB，可擴展）、OLED顯示模塊、按鍵模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、聲波發(fā)生控制模塊，構(gòu)成井口測量裝置如圖2所示。endprint

該裝置采用回聲法[6]，當采樣時間到或收到測量命令時，微控制器控制聲波發(fā)生控制模塊產(chǎn)生次聲波，次聲波沿油管和套管之間的環(huán)形空間向下傳播時，遇到油管接箍、液面等障礙物時發(fā)生反射，反射波由井口微音器進行接收，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊處理得到有效的數(shù)字信號[7]，按*.wav格式編碼后存儲到FLASH存儲器（64 MB）。一般對同一井場數(shù)據(jù)7天導出1次，可同時完成多口油井數(shù)據(jù)的導出，該FLASH存儲器至少存儲單井3個月動液面數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包導出/導入模塊通過USB與微處理器相接，用戶通過數(shù)據(jù)包導出/導入模塊中LCD觸摸屏登錄，使用觸摸按鍵調(diào)用對應線程來實現(xiàn)數(shù)據(jù)包導出/導入、查看波形、設置參數(shù)功能。OLED 顯示模塊用于對測量時間、設備編號、套壓大小等參數(shù)進行顯示。其*.wav編碼格式文件內(nèi)容如表1所示。

1.3 數(shù)據(jù)處理平臺

數(shù)據(jù)處理平臺包括數(shù)據(jù)庫服務器、監(jiān)控主機（安裝SQL Server數(shù)據(jù)庫）、可連網(wǎng)的電子設備（如PC機、iPad、手機等移動終端）三部分。數(shù)據(jù)庫服務器選用聯(lián)想TS?540，為動液面監(jiān)測網(wǎng)站提供數(shù)據(jù)服務；監(jiān)控主機選用聯(lián)想T4900，利用數(shù)據(jù)處理軟件將導入的數(shù)據(jù)包按*.wav格式進行解碼、液面計算，得到動液面深度及波形，并將計算結(jié)果、波形數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)等存入SQL Server數(shù)據(jù)庫；以網(wǎng)頁方式提供顯示、查詢、設置、控制[8]等功能，利用可連網(wǎng)的電子設備在固定網(wǎng)站登錄后對動液面深度及波形進行監(jiān)測。通過了解液面的變化規(guī)律模擬出間抽方案，科學合理地安排生產(chǎn)作業(yè)，使油井處于最優(yōu)開采狀態(tài)，從而提高采油效率。

2 存儲式油井動液面監(jiān)測軟件開發(fā)

2.1 存儲式動液面監(jiān)測軟件組成

存儲式動液面監(jiān)測軟件組成如圖3所示，采用模塊化的思想設計的程序具有可讀性好、可移植性強和易于修改的優(yōu)點，有助于理清軟件開發(fā)思路，加快開發(fā)進程。

存儲式動液面監(jiān)測軟件由液面實時測量值采集與數(shù)據(jù)包存儲子系統(tǒng)和液面數(shù)據(jù)包解碼與計算子系統(tǒng)兩部分組成。液面實時測量值采集與數(shù)據(jù)包存儲子系統(tǒng)主要完成壓力采集、動液面采集、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)包存儲；液面數(shù)據(jù)包解碼與計算子系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)包解碼、濾波處理、液面計算，從而得到動液面深度及波形。兩個部分在完成不同功能的同時又相互協(xié)調(diào)工作，最終完成液面數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)包導出/導入、液面計算等功能，實現(xiàn)了油井液面的自動連續(xù)測量、多口油井液面數(shù)據(jù)的集中計算及比較分析。

2.2 液面實時測量值采集與數(shù)據(jù)包存儲程序設計

液面實時測量值采集與數(shù)據(jù)包存儲軟件流程如圖4所示，當測量時間到或收到測量命令時，井口測量裝置啟動測量，系統(tǒng)首先進行初始化，讀取設備參數(shù)，當電池電壓不足時進行充電，然后根據(jù)壓力傳感器所檢測套壓大小采取不同的爆破方式產(chǎn)生次聲波[9]。其反射波由井口微音器接收，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊處理后得到有效的數(shù)字信號，按*.wav格式編碼得到動液面數(shù)據(jù)包，若首次測量需先建立以井名命名的文件夾，然后將數(shù)據(jù)包存到FLASH存儲器。該流程可實現(xiàn)多口油井數(shù)據(jù)的編碼及存儲，方便數(shù)據(jù)導出及分析處理。

2.3 液面數(shù)據(jù)包解碼與計算程序設計

液面數(shù)據(jù)包解碼與計算軟件流程如圖5所示。首先通過數(shù)據(jù)處理軟件將數(shù)據(jù)包按*.wav格式進行解碼，還原出動液面數(shù)據(jù)；然后選用低通有限脈沖響應（FIR）濾波器對信號中的高頻雜波信號進行濾波；最后利用小波分析的多尺度特性[10]，對接箍回波和液面回波特征信號進行提取，得到聲波傳播速度和液面位置，從而得到動液面深度；計算結(jié)果將自動存至SQL Server數(shù)據(jù)庫，以網(wǎng)頁方式提供顯示、查詢、設置、控制等功能。按同樣的方法可對多個數(shù)據(jù)包進行解碼及液面計算，實現(xiàn)多口油井液面數(shù)據(jù)的集中計算，利用可連網(wǎng)的電子設備在固定網(wǎng)站登錄后可對動液面深度及波形進行分析比較，同時支持導出與打印。

動液面計算具體步驟[11]為：

1） 確定次聲波傳播速度。首先，去噪回波信號經(jīng)小波濾波器組小波變換后得到高頻信號分量和低頻信號分量，然后對低頻信號分量進行FFT變換，從得到的離散去噪回波低頻信號分量中提取出基波所處位置的采樣點序號[N1]，最后根據(jù)公式[v=2×L×N1N×fS]（[L]為一根油管的長度；[fS]為井口測量裝置的采樣頻率；[N]為動液面數(shù)據(jù)的總采樣點數(shù)），求取次聲波傳播速度[v]。

2） 獲取動液面回波位置的采樣點序號。首先，對去噪回波信號進行多層小波分解直到出現(xiàn)奇異點（動液面回波信號），然后進行小波去噪得到動液面回波位置的采樣點序號[N0]。

3） 獲取動液面深度，根據(jù)公式[h=vN02fS]得到動液面深度[h]。

3 系統(tǒng)功能與特點

1） 動液面自動連續(xù)測量。當測量時間到或收到測量命令時，井口測量裝置將按設定的參數(shù)自動進行測量，無需人工現(xiàn)場進行操作；

2） 數(shù)據(jù)包導出/導入、查看波形、設置參數(shù)功能。數(shù)據(jù)包導出/導入模塊通過USB與微控制器相連，用戶通過LCD觸摸屏登錄，使用觸摸按鍵調(diào)用對應線程來實現(xiàn)數(shù)據(jù)包導出/導入、查看波形、設置參數(shù)功能；

3） 大容量存儲。按最大采樣點數(shù)12 000計算，使用16位精度的A/D芯片，井口測量裝置使用的64 MB的FLASH存儲器可至少存儲單井三個月動液面數(shù)據(jù)包；

4） 動液面數(shù)據(jù)集中計算及比較分析。通過移動存儲介質(zhì)將井口測量裝置中的數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)處理平臺進行集中計算、分析，方便油田統(tǒng)一管理。

4 應用效果分析endprint

經(jīng)液面計算得到的動液面深度、波形數(shù)據(jù)等自動存入SQL Server數(shù)據(jù)庫，以網(wǎng)頁方式提供顯示、查詢、設置、控制等功能，可在PC機、iPad、手機等移動終端登錄固定網(wǎng)站查看測量結(jié)果及波形，其監(jiān)測軟件界面顯示見圖6?？刹榭磫尉谝欢螘r間內(nèi)動液面深度及波形情況，如2017年9月1日—7日“金龍2”井的動液面井口測量值見圖6a）、動液面曲線見圖6b）。此外，可查看多口油井在同一時間的動液面深度及波形情況，如2017年9月10日23點21分多口油井的動液面井口測量值見圖6c）、多口油井的動液面曲線見圖6d）。通過對液面的連續(xù)監(jiān)測得到動液面的變化規(guī)律，模擬出最直接的間抽方案，從而確定出合理的間抽周期，使油井始終處于最優(yōu)開采狀態(tài)，改善工況提高泵效，達到增產(chǎn)降耗的目的。

5 結(jié) 論

本文的存儲式動液面監(jiān)測系統(tǒng)采用存儲的方式，將動液面實時測量值按*.wav格式編碼后存至FLASH存儲器，并定時導入數(shù)據(jù)處理平臺進行解碼及液面計算，得到動液面深度及波形，實現(xiàn)了油井液面的自動連續(xù)測量，解決了偏遠油井無信號或信號弱時動液面數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。存儲式動液面監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對多口油井液面數(shù)據(jù)的集中計算及比較分析，方便油田數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，在數(shù)字化和智慧化油田建設中具有典型應用。

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