基于熱示蹤法的井下流量測量系統(tǒng)設(shè)計

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量系統(tǒng)設(shè)計

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量原理，采用C8051F360單片機、熱源發(fā)生器及溫度傳感陣列等器件，設(shè)計一種基于熱示蹤方法的井下流量測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用熱源發(fā)生器對井下流體加熱，當加熱的流體經(jīng)過傳感器陣列時即可根據(jù)熱示蹤方法測出油水兩相流的流量，并將數(shù)據(jù)傳輸給由LabVIEW設(shè)計的井上上位機系統(tǒng)，實現(xiàn)了井上地面計量站對井下數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，解決了井下流量測量難、實時監(jiān)測難、數(shù)據(jù)量大的問題。

流量測量 熱示蹤 熱源發(fā)生器 LabVIEW

油井流量測量是油田生產(chǎn)管理中的重要環(huán)節(jié)。隨著大部分油田進入開發(fā)中后期，低產(chǎn)井數(shù)量逐漸增多，及時準確地獲得油井流量不僅可以掌握油藏狀況，而且對生產(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量儀器有皮球集流型儀器、布傘與套管及渦輪流量計等，它們在實際應(yīng)用中具有一定的適應(yīng)性，但又各自存在著缺點。皮球集流器密封性較好，測低流量時靈敏度較高，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]。而渦輪流量計精度差，且當待測流體粘度大時敏感元件渦輪容易停轉(zhuǎn)[4，5]。針對以上問題筆者設(shè)計了一種基于熱示蹤方法的井下流量測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過測量脈沖熱流體經(jīng)過固定距離傳感器陣列所用的時間間接測量流體流量。

1 總體方案①

下流量測量系統(tǒng)主要利用熱源發(fā)生器加熱流體產(chǎn)生脈沖熱流體，當脈沖熱流體運動經(jīng)過溫度傳感器陣列時，流體的溫度差引起傳感器的信號突變，形成標記脈沖。系統(tǒng)通過測量標記脈沖出現(xiàn)的時間即可確定流體的流速，進而獲得流體的流量[5，6]。井下流量測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 井下流量測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

井下流量測量系統(tǒng)的下位機由熱源發(fā)生器、溫度傳感器、電容器模組及溫度采集模塊等構(gòu)成。電容器模組存儲熱源發(fā)生器所需的功率，當熱源發(fā)生器加熱流體后，流體流進上游溫度傳感器形成具有檢測標記的脈沖熱流，當熱流經(jīng)過下游溫度傳感器時，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時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中。上位機采用LabVIEW軟件編程設(shè)計，對數(shù)據(jù)進行實時跟蹤顯示，繪制出時間溫度曲線，并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中的系統(tǒng)軟件中，同時可實現(xiàn)下位機工作的控制。

單片機采用C8051F360，主要用來控制電容器模組和數(shù)據(jù)采集。單片機控制電容模組充電，當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)，當電容放電完成后，單片機控制溫度采集器采集溫度，同時將采集的溫度上傳至上位機。

2 系統(tǒng)的硬件組成

根據(jù)上文所述，井下流量測量系統(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)計了由20個2.5V/4.7F超級電容串聯(lián)生成的電容器模組，利用電容器模組的瞬時放電功能為熱源發(fā)生器提供低壓直流電源，從而實現(xiàn)對熱源發(fā)生器電加熱。

在整個系統(tǒng)中共有4處需供電：單片機+5V供電、AD芯片和運算放大器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芯片和運算放大器OP07供電，電源電路設(shè)計如圖2所示。

熱源發(fā)生器是流量測量系統(tǒng)的核心部件，主要控制電容器模組的充放電從而實現(xiàn)對井下流體的加熱，因此熱源發(fā)生器的工作性能直接影響液體流量測量的精確度和準確性。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)實現(xiàn)溫度的測量。

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，可以合理有效地放大惠斯頓電橋輸出的微小變化信號。同時采用OP07對前段采集的溫度信號進一步放大，并將放大后的溫度信號送入片內(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)送到井上上位機顯示，而通信距離較遠，因此本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用MAX485通信，因為485總線具有通信距離長、可以帶多個設(shè)備同時工作等特點，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，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)計思想是基于熱示蹤方法實現(xiàn)對井下液體流量的測量，通過對井下液體進行加熱，并根據(jù)流體的溫度參數(shù)確定流體經(jīng)過固定距離的時間，進而實現(xiàn)井下流量的測量。首先系統(tǒng)要完成初始化，然后對電容器模組進行充電，當AD采集到高電平時停止對電容器模組充電同時電容器模組開始對井下液體進行加熱即電容開始放電，否則繼續(xù)充電。當電容器模組開始放電時，溫度采集器也開始采集溫度，將采集的溫度上傳至上位機，并控制電容器模組再次充電準備下次測量。軟件設(shè)計流程如圖7所示。

圖7 軟件設(shè)計流程

4 開發(fā)界面設(shè)計

系統(tǒng)的上位機界面采用界面友好、框圖清晰的LabVIEW軟件設(shè)計完成。上位機前面板設(shè)計如圖8所示。通信串口可選擇串口號COM1、COM4或ASRL1等，根據(jù)實際通信的串口選擇；串口通信波特率選擇9 600；當開關(guān)鍵按下時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，通過兩個電壓峰峰值的時間差，即可獲得井下液體的流量。

圖8 上位機前面板

5 結(jié)束語

針對井下流量測量存在的問題，設(shè)計了一種基于熱示蹤法的流量測量系統(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熱流體形成的流體溫差脈沖，測量脈沖熱流通過固定距離傳感器的時間實現(xiàn)了流體流量的測量，并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機，實現(xiàn)了對井下流量的實時監(jiān)控。該系統(tǒng)在現(xiàn)場油井測試中，具有很好的可靠性和準確性，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設(shè)計[J].化工自動化及儀表，2014，41(9)：1012～1015.

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

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

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

[5] 趙娜.熱示蹤法測量低產(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)液井流量測量誤差分析[J].電子測量與儀器學(xué)報，2014，28(11)：1242～1247.

2016新疆國際石化、化工技術(shù)裝備展覽會

展會時間2016年10月21～23日展會地點新疆國際會展中心

本次展會的展覽內(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；流體機械技術(shù)與設(shè)備(管道/泵/閥)；DCS、PLC控制系統(tǒng)；儲存、運輸技術(shù)設(shè)備；工業(yè)防爆產(chǎn)品等。

承辦單位新疆世華融泰會展服務(wù)有限公司

地址新疆烏魯木齊高新區(qū)長春中路西一巷311號 神華集團神華城5號樓501室

郵編830013

聯(lián)系人齊麗霞

電話0991-3091508傳真0991-6686847郵箱mylxqi@sina.com

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)研究項目(12531085)

TH814

A

1000-3932(2016)07-0743-04