基于嵌入式單片機橋式同心分層注水一體化測調(diào)監(jiān)測研究

摘 要：針對橋式同心分層注水一體化測調(diào)監(jiān)測數(shù)據(jù)含噪較多，導(dǎo)致最終監(jiān)測精度較低的問題，提出基于嵌入式單片機的橋式同心分層注水一體化測調(diào)監(jiān)測技術(shù)。依據(jù)橋式同心分層注水工藝的基本原理，計算分注井的井斜角度，采用嵌入式單片機采集井下監(jiān)測數(shù)據(jù)，并引入中值濾波技術(shù)對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，以獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，通過計算測調(diào)產(chǎn)出通道的測調(diào)極差對測調(diào)進行評價，進而實現(xiàn)測調(diào)監(jiān)測。對比實驗結(jié)果表明，所提方法對于橋式同心分層注水一體化測調(diào)具有較高的監(jiān)測精度。

關(guān)鍵詞：單片機；嵌入技術(shù)；分注一體化；測調(diào)監(jiān)測

中圖分類號：

TE357;TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0165-04

Research on the integrated measurement and monitoring technology for bridge type concentric layered water injection based on embedded microcontroller

XUE Quan，GUO Yongxin，PANG Yong

（YanChang Oil Filed Co.，Ltd.，Yan’an 716000，Shaanxi China）

Abstract：In order to solve the problem of high noise in the integrated measurement and monitoring data of bridge type concentric layered water injection，resulting in low final monitoring accuracy，a bridge type concentric layered water injection integrated measurement and monitoring technology based on embedded microcontroller was proposed.According to the basic principle of the bridge type concentric layered water injection process，the well inclination angle of the split injection well was calculated，the embedded microcontroller was used to collect underground monitoring data，and the median filtering technology was introduced to optimize data to obtain high-quality data.By calculating range of the measurement and adjustment output channel，the measurement and adjustment were evaluated，and the monitoring was realized.The comparative experimental results showed that the proposed method had high monitoring accuracy for the integrated measurement and adjustment of bridge type concentric layered water injection.

Key words：microcontroller; embedded" technology; integrated injection; measurement and adjustment monitoring

智能配水技術(shù)測試和調(diào)配油井的的方式，不僅解決了層間矛盾的問題，而且還提高了水驅(qū)控制程序和水驅(qū)效率，同時，這種邊測量邊調(diào)整的方法保證了測調(diào)的效率。通過在油田分層注聚合物來提高驅(qū)油效率與采油率［1］；結(jié)合實際，設(shè)計了過淺層貼堵段，封竄可洗井及小井眼井等分層注水技術(shù)，以確保注入效果和油藏保護［2］。基于此，研究以嵌入式單片機為技術(shù)依托，對橋式同心分層注水測調(diào)監(jiān)測技術(shù)進行深入研究，以期提高測調(diào)成功率，降低現(xiàn)場測調(diào)工作量。

1 橋式同心分層注水一體化測調(diào)監(jiān)測技術(shù)設(shè)計

1.1 分注井井斜角度計算

在油藏的開發(fā)工作中，分層注水工藝是通過將液體、氣體或液體和氣體混合物從設(shè)備的底部注入到塔柱中，從而實現(xiàn)了物質(zhì)的分層分布和相互作用。主要用于化工過程中的蒸餾、吸收、萃取、混合和反應(yīng)等操作。因此，分層注水技術(shù)在石油和石化行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，由于多層注入技術(shù)實施過程中需要保證不小于15 m的打撈距離，在大斜度井和深井中存在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向定位不準(zhǔn)確的情況，導(dǎo)致油井與測試調(diào)整儀器連接失效［3］，從而出現(xiàn)打撈層位置偏差較大的現(xiàn)象。因此，應(yīng)首先計算待測油井的傾角，以便根據(jù)傾角布置測量和調(diào)整儀器，提高高傾角井定位的對接成功率，實現(xiàn)精確注水。

測調(diào)工藝的核心是雙層配水器與雙層測調(diào)儀，二者的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

大斜度井同心分層注水器件的主要作用就是完成分層配水［4］，對于配水器與油井中心軸的載荷面，根據(jù)其距離分布可建立注水器的數(shù)學(xué)模型D1，即：

D1=h02r1p0L1cosθ0（1）

式中：h0表示活動筒長度；r1表示外筒半徑；p0表示載荷面施加的壓力值；L1表示載荷面的有效直徑；θ0表示配水器與載荷面中心中的夾角。

測調(diào)儀的數(shù)學(xué)模型D2可表示：

D2=r2×T2h21j0（2）

式中：r2表示調(diào)節(jié)頭半徑；T2表示動力粘性系數(shù)；h1表示流體壓差；j0表示水嘴面積。

假設(shè)對于大斜度的油井采用一級二段分注作業(yè)［5］，當(dāng)封隔器位置深度為H0時，測調(diào)儀的上層總流量的計算方法為：

ss=D1D2∑ni=1α1/k0×H0（3）

式中：n表示層段配注總量；i表示分注階段；α1表示試注時間。

根據(jù)測調(diào)儀反饋的層段流量，確定油井在三維有電流源區(qū)域內(nèi)的電位函數(shù)［6］，即：

It=Ktss×t0A′（4）

式中：Kt表示判別函數(shù)；t0表示對接次數(shù)；A′表示系數(shù)矩陣。

在計算井斜角度過程中，由于不同邊界條件的應(yīng)用范圍不同［7］，采用第3類邊界條件對油井平衡超參數(shù)進行確定，表達(dá)式：

Δg1=It+SymbolQC@Εyz×pf（5）

式中：SymbolQC@Ε表示電位函數(shù)的偏微分方程；yz表示邊界的單位法向向量；pf表示點源邊值。

通過將油井結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的三維偏微分轉(zhuǎn)化為二維偏微分［8］，由此求取油井的井斜角度，即：

βj=zkΔg1b0×ft（6）

式中：zk表示空間波數(shù)；b0表示注水設(shè)備的傳遞系數(shù)；ft表示設(shè)計配注量。

通過分析橋式同心分層注水工藝與相關(guān)設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，建立注水設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)油井在三維有電流源區(qū)域內(nèi)的電位函數(shù)求取井斜角度，為后續(xù)提供有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 基于嵌入式單片機的井下數(shù)據(jù)采集

為更好地實現(xiàn)橋式同心分層注水一體化測調(diào)監(jiān)測，在井斜角度計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用嵌入式單片機對井下數(shù)據(jù)進行采集，并將其傳輸至地面控制器［9］，通過解析命令信號，得到能夠反映測調(diào)工藝的參數(shù)，進而對其進行監(jiān)測。

嵌入式微控制器采用STC系列芯片作為主控制器，通過內(nèi)置的串口電路將初步采集的井下注入信息存儲到數(shù)據(jù)存儲卡中［10］。該結(jié)構(gòu)可以一次收集總共60字節(jié)的數(shù)據(jù)，包括時間、油位、能見度、氣象信息等。數(shù)據(jù)收集每隔5 min采集1次，通過時鐘控制器的清盒操作防止數(shù)據(jù)溢出［11］。為適應(yīng)和滿足現(xiàn)場測調(diào)要求，對于采集井下數(shù)據(jù)的嵌入式單片機應(yīng)符合以下技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。

假設(shè)當(dāng)前數(shù)據(jù)采集時間為T1，采集終止時間為T2，則采集到的數(shù)據(jù)可表示為：

Fc=βjT1Sc×T2+lc（7）

式中：Sc表示數(shù)據(jù)對象個數(shù)；βj表示井斜角度；lc表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)。

為便于單片機的識別，采用HEX碼將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十六進制的碼格式［12］，轉(zhuǎn)換過程：

Wh=Fc×qcpy÷n0（8）

式中：Wh表示轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)；qc表示每組數(shù)據(jù)之間的延時；py表示擴展步長；n0表示數(shù)據(jù)采集頻率。

將采集的數(shù)據(jù)按照從大到小排序，對其中的最大值與最小值取平均值處理，其余數(shù)據(jù)進行歸一化計算［13］，得到的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)可表示為：

Ch=Wh×gfFtRc（9）

式中：gf表示采集過程的約束條件；Ft表示模擬參數(shù)；Rc表示拉格朗日算子。

對上述得到的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進一步優(yōu)化，以簡化運算過程［14］，即：

εh=ΔG0-Chτ1（10）

式中：ΔG0表示極值函數(shù)；τ1表示優(yōu)化因子。

基于上述數(shù)據(jù)的預(yù)處理，采用中值濾波算法對數(shù)據(jù)進行凈化操作，以得到井下監(jiān)測數(shù)據(jù)，即：

ψ=εh×Qn0-1/Fp-1（11）

式中：Qn0-1表示濾波次數(shù)；Fp表示偏差度函數(shù)；ψ表示井下數(shù)據(jù)。

1.3 實現(xiàn)測調(diào)監(jiān)測

采用氣相示蹤法實現(xiàn)對橋式同心分層注水一體化的測調(diào)監(jiān)測。其監(jiān)測原理為，將一個井組作為一個監(jiān)測對象，通過對井中注入惰性氣體示蹤劑［15］，根據(jù)氣體濃度的實時變化繪制生成曲線，并結(jié)合待監(jiān)測對象的動態(tài)資料，計算產(chǎn)出參數(shù)［16］，進而得到儲層的非均質(zhì)性情況，從而完成測調(diào)監(jiān)測，具體步驟：

（1）將輸出曲線與擬合曲線進行比較。在生成氣體濃度變化曲線的過程中，對預(yù)測濃度與實際濃度之間的偏差進行監(jiān)測［17］，并求取二者的差值絕對平方和，即：

μ1=ψ×a0a1÷O0（12）

式中：ψ表示井下監(jiān)測數(shù)據(jù)；a0、a1分別表示量測濃度與實測濃度；O0表示雙曲正切函數(shù)。

（2）計算通道產(chǎn)出參數(shù)［18］，包括通道厚度、波及體積。結(jié)合井組的動態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)以及取芯結(jié)果，計算井間主流滲透率通道的參數(shù)［19］。計算公式：

1=μ1×hy+12=μ1×hl-1（13）

式中：1、2分別表示通道厚度、波及體積；hy、hl分別表示測調(diào)時間與注入壓力。

（3）測調(diào)評價。井間儲層示蹤劑測調(diào)產(chǎn)出通道的非均質(zhì)性主要通過滲透率與突進系數(shù)進行評價［20］。兩者比值為極差，極差越大，表明儲層的均質(zhì)性越強，計算公式：

κ=1+2ω1ω2（14）式中：ω1、ω2分別表示滲透率與突進系數(shù)。

利用上式計算確定儲層均質(zhì)性情況，數(shù)值越大，表明測調(diào)效果越好，由此實現(xiàn)測調(diào)監(jiān)測。

2 實驗論證分析

2.1 實驗準(zhǔn)備

為了驗證基于嵌入式單片機的橋式同心分層注水一體化測調(diào)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用效果，將其應(yīng)用于某油田大斜度井中。

根據(jù)作業(yè)指導(dǎo)與監(jiān)測井下流量、壓力等井下數(shù)據(jù)，調(diào)整測調(diào)工作水口開度，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回地面控制器。當(dāng)?shù)貙幼⑺坎粷M足儲層注水需求時，增加試調(diào)工作缸水嘴；當(dāng)局部地層的注水量超過油藏的注水需求時，減少測試調(diào)整工作筒的水噴嘴。

結(jié)合工程的實際地質(zhì)資料，對測試區(qū)域進行劃定。

采用8位STC89C52RC微控制器嵌入技術(shù)與時鐘、振蕩電路構(gòu)成數(shù)據(jù)采集硬件部分，并采用數(shù)字濾波技術(shù)，實現(xiàn)對井下監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集；STC89C52RC單片機的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

通過無線通信鏈路將采集到的數(shù)據(jù)連接到監(jiān)控中心的PC上；登錄監(jiān)測中心的信息發(fā)布系統(tǒng)，實時監(jiān)測油井的油位信息和周圍環(huán)境信息，并將其存儲在數(shù)據(jù)庫中，供后期查詢、管理和應(yīng)用。

2.2 實驗說明

對于實驗監(jiān)測井，采用的測調(diào)步驟：將電纜直讀測試儀放入分水器的任意一層，然后在分水器上方8.0 m處打開儀器支臂，繼續(xù)下降進行同心對接處理；將測調(diào)儀器置于分水器中心位置，開始測調(diào)；根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)手動調(diào)整水口開度，將單層檢測誤差控制在10%以內(nèi)；然后以這種方式測量和調(diào)整其他層位，從而完成整個測調(diào)過程。

2.3 測調(diào)監(jiān)測結(jié)果分析

采用設(shè)計的方法對橋式同心分層注水一體化測調(diào)過程進行監(jiān)測，比較同心分注的實際配注量與監(jiān)測配注量之間的偏差，進而評估此方法的監(jiān)測效果；監(jiān)測結(jié)果如表3所示。

由表3可知，以單口井的測調(diào)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用此方法對4個層位的測調(diào)配注量進行監(jiān)測，得到的監(jiān)測結(jié)果與實際值基本一致，僅在第3層出現(xiàn)較小的偏差，但偏差值為0.01 m3/d，在控制范圍內(nèi)。因此，提出的方法對于橋式同心分層注水一體化測調(diào)具有較高的監(jiān)測精度。

2.4 實驗對比分析

為進一步驗證不同方法在橋式同心分層注水一體化測調(diào)監(jiān)測精度方面的優(yōu)越性能，采用文獻(xiàn)［7］化學(xué)連續(xù)監(jiān)測法（方法1）、文獻(xiàn)［15］電磁流量計（方法2）作為本文方法的對比方法；采用以上方法對分注測調(diào)效果進行監(jiān)測，并引入邊界梯度作為評價不同方法監(jiān)測效果的指標(biāo)，邊界梯度值越高，表明方法的監(jiān)測效果越好，對比結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在不同井距條件下，與其他2種方法相比，利用提出方法對橋式同心分層注水一體化測調(diào)進行監(jiān)測，得到的邊界梯度值更高，說明此方法能夠較為準(zhǔn)確地實現(xiàn)測調(diào)監(jiān)測，監(jiān)測性能更好。方法1與方法2監(jiān)測效果較差的原因是對于具有一定井斜的分注井，當(dāng)測調(diào)時間較長時，無法有效監(jiān)測井下對接的成功次數(shù)，從而導(dǎo)致監(jiān)測精度較低。對比實驗結(jié)果表明，提出的方法針對橋式同心分層注水一體化測調(diào)監(jiān)測具有較高的監(jiān)測精度。

3 結(jié)語

研究提出了基于嵌入式單片機的橋式同心分層注水一體化測調(diào)監(jiān)測技術(shù)。通過計算井斜角度與采集井下監(jiān)測信息，并求取測調(diào)極差，實現(xiàn)測調(diào)監(jiān)測，實驗驗證了本文方法的可靠性。

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