基于LABVIEW 的油井動液面在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

艾 信，白文雄，田殿龍，王佳偉

（1.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710018；3.長慶油田分公司 機械制造總廠，西安710201）①

在油田開發(fā)中，傳統(tǒng)動液面測試方式工作量大，測試過程存在一定安全風(fēng)險，同時測試成本較高，測試效率低下，動液面數(shù)據(jù)采集頻次較低，常規(guī)井每月2次，無法及時掌握液面變化情況及生產(chǎn)動態(tài)，也無法為后期智能油田大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐。同時，從油井IPR曲線可以看出，隨著停井時間的延長，油套環(huán)空中的液面不斷上升，井底流壓也逐漸上升，上升到一定程度，油井采收率反而下降；油井常開，井底流壓逐漸變小，減小到一定程度，油井采收率也呈下降趨勢。對于低產(chǎn)低效井，油井間開可有效提高生產(chǎn)效益，但間開制度的優(yōu)化缺乏科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。油井測壓一般采用存儲式壓力計尾管測壓方法，需要起下油管柱組合兩次，費時費力，測試成本較高，油井動液面也可反應(yīng)井底壓力變化，可根據(jù)動液面變化獲得油井地層壓力。因此，研究油井動液面在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，對油田生產(chǎn)具有重要意義。

1 油井動液面在線監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 聲波

聲波（Sound Wave 或Acoustic Wave）是聲音的傳播形式。聲波是一種機械波，由物體（聲源）振動產(chǎn)生，聲波傳播的空間就稱為聲場。在氣體和液體介質(zhì)中傳播時是一種縱波，但在固體介質(zhì)中傳播時可能混有橫波。聲音一般分為次聲波（0～20 Hz）、音頻聲波（20 Hz～20 k Hz）以及超聲波（20 k Hz以上）。其中音頻聲波與超聲波波長較短，頻率較高，傳輸距離較短，次聲波波長較長，頻率較低，容易發(fā)生衍射，不易被固體、液體等阻擋吸收，傳輸距離較遠(yuǎn)。因此，本文所設(shè)計的液面在線監(jiān)測系統(tǒng)就是依據(jù)次聲波原理。

1.2 回聲法測量液面原理［1-5］

1.2.1 音速法液面測量

當(dāng)回聲信號采集噪聲較大時，一般設(shè)定音速，然后通過采樣間隔時間與液面波對應(yīng)數(shù)據(jù)采集點數(shù)，計算出液面回波的時間，進而求得動液面的高度。

動液面h=（n tjv）／2，其中tj為采樣間隔時間，n為液面波對應(yīng)的采樣點數(shù)，v 為所設(shè)定的音速，h為動液面值。

1.2.2 音標(biāo)法液面測量

為了更準(zhǔn)確地計算聲音在套管里的傳播速度，一般將音標(biāo)安裝至井下一定距離，通過液面回聲信號序列，可求得音標(biāo)回波傳至井口的時間，以及液面波傳至井口的時間，進而可求得動液面的高度。

動液面h=（h1t）／t1，其中h1為音標(biāo)安裝深度，t1為音標(biāo)回波對應(yīng)時間，t為液面回波對應(yīng)時間，h為動液面值。

1.2.3 接箍法液面測量

將液面回聲序列做帶通濾波處理后，得出接箍波序列，由接箍波可求出聲音在套管里的傳播速度。然后在使用音速法可準(zhǔn)確求得動液面數(shù)據(jù)。

1.3 回聲法動液面在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 動液面連續(xù)監(jiān)測裝置設(shè)計［6-7］

目前，油田所用動液面手動測量裝置一般分為2種，一種是火藥聲彈槍，主要由擊發(fā)裝置、彈膛組成，通過擊發(fā)子彈，利用爆炸產(chǎn)生的高壓氣體，實現(xiàn)聲波信號發(fā)射。但子彈爆炸具有一定危險性，存在安全隱患；另一種是氣槍式裝置，將高壓氣體加入氣槍，瞬間釋放高壓氣體，產(chǎn)生次聲波，此方法自動化程度低，難以滿足常年連續(xù)不斷的測量任務(wù)。

對此，本文提出如下解決方案，使用套管氣作為聲發(fā)射源，微型氣泵進口連入套管，出口連接儲氣瓶，將儲氣瓶加壓至1.0 MPa，打開電磁閥，瞬間釋放儲氣瓶內(nèi)氣體，形成次聲波源，其組成如圖1所示。

對于套壓大于0.3 MPa油井，直接打開電磁閥，瞬間釋放套管氣，產(chǎn)生聲波，其組成如圖2所示。

1.3.2 回聲信號放大濾波技術(shù)［8-9］

微音器將井下采集的回聲信號序列轉(zhuǎn)換為毫伏電壓信號，因此需要做小信號放大電路，將毫伏級的電壓信號轉(zhuǎn)換為±5 V 的電壓信號，便于后續(xù)信號處理。同時，井況異常復(fù)雜，回聲信號容易引入各類噪聲干擾，因此需要制作濾波器，實現(xiàn)回聲信號降噪處理。

1.3.3 回聲信號算法處理

回聲信號序列一般包含接箍波序列與液面波序列，因此需設(shè)計12～100 Hz帶通濾波器，提取接箍波序列；設(shè)計0～12 Hz低通濾波器，提取液面波序列。對于接箍波序列，使用循環(huán)尋極值算法，求得聲音在套管里的傳播速度；對于液面波序列，使用尋極大值算法，找到液面波對應(yīng)時刻，最終可求得動液面值。

圖1 低套壓動液面連續(xù)測量裝置

圖2 高套壓動液面連續(xù)測量裝置

2 基于LABVIEW 的動液面在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

LABVIEW 具有較多的信號處理、算法設(shè)計、報表以及第三方數(shù)據(jù)采集驅(qū)動工具包，可為用戶提供靈活的G 語言編程設(shè)計平臺，開發(fā)效率極高，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。本文利用LABVIEW 虛擬儀器設(shè)計開發(fā)動液面連續(xù)監(jiān)測平臺，實現(xiàn)油井動液面在線連續(xù)監(jiān)測。

該系統(tǒng)通過微音器讀取回聲信號序列，制作信號放大器和100 Hz低通濾波器，然后由數(shù)據(jù)采集卡采集濾波后的回聲信號，把數(shù)據(jù)傳入電腦虛擬儀器LABVIEW 系統(tǒng)，使用G 語言編程，實現(xiàn)低通濾波器與帶通濾波器，采用快速傅里葉變換算法，求得動液面數(shù)據(jù)。其信號處理系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 動液面在線監(jiān)測信號處理系統(tǒng)

2.1.1 動液面在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

1） 小信號放大電路。

發(fā)聲裝置發(fā)出聲波后，需要通過微音器接收回波信號，轉(zhuǎn)換后的電信號比較微弱（8 m V 以內(nèi)），故將信號通過放大電路進行放大，以便于后續(xù)處理。選用一款低噪音、低失真的儀器儀表運算放大器。該運算放大器在較大范圍的增益內(nèi)能實現(xiàn)寬的帶寬和良好的動態(tài)反應(yīng)。小信號濾波放大電路如圖4所示。

該放大電路放大倍數(shù)取決于可調(diào)電阻R203的阻值，放大倍數(shù)N=1+10 000／R203，選取R203=40Ω，小信號放大251倍，使其處于±2 V 范圍內(nèi)。

2） 回聲硬件濾波電路。

由于油井井況異常復(fù)雜，油套環(huán)空存在蠟狀油污，井下回聲波信號較為復(fù)雜，存在一定程度高頻雜波信號，為了較清晰地辨識回聲波，因此需要設(shè)計低通濾波器電路。選用8階橢圓濾波器芯片，這是一款低通濾波器，可依據(jù)數(shù)據(jù)采集卡輸出時鐘設(shè)置截止頻率，如圖5所示。

圖4 小信號濾波放大電路

圖5 回聲硬件濾波電路

考慮到有用回聲信號頻率集中在0～100 Hz，因此采用數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出5 k Hz時鐘信號，得到該濾波電路的截止頻率fc=5 000／50=100 Hz。

3） 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡，如圖6所示，主要具備采樣頻率、AD 轉(zhuǎn)換精度、輸入量程和數(shù)據(jù)分析等特性。依據(jù)奈奎斯特采樣定理［1］可知，采樣頻率大于等于2倍最大信號頻率。在實際信號處理系統(tǒng)中，采樣頻率一般選擇信號最大頻率的5倍，故該系統(tǒng)設(shè)定采樣頻率500 Hz。

2.1.2 動液面在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

1） 初始化子程序

上位機監(jiān)控平臺向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送采集命令時，可以對數(shù)據(jù)采集卡采樣時鐘、采樣頻率、觸發(fā)方式、通道、量程變換等參數(shù)進行設(shè)置。

2） 數(shù)據(jù)采集子程序

上位機觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡采樣后，數(shù)據(jù)采集卡依據(jù)內(nèi)部硬件時鐘進行實時采樣，并不斷讀入LABVIEW 系統(tǒng)中。

圖6 數(shù)據(jù)采集卡

3） 濾波子程序

首先，使用MATLAB小波變換工具箱，將接收到的聲波信號采用小波變換實現(xiàn)數(shù)字濾波；其次對該信號序列實現(xiàn)基波查找，采用LABVIEW 設(shè)計帶通濾波器BPF（12～100 Hz），得到接箍波序列；最后設(shè)計低通濾波器LPF（0～12 Hz），得到液面回波序列。

4） 動液面算法子程序

利用LABVIEW 調(diào)用MATLAB 腳本節(jié)點，對于液面回波信號序列，使用快速傅里葉變換等技術(shù)處理后，然后自動選擇接箍算法、音標(biāo)算法、聲速算法，最終求得實際油井動液面值。

5） 控制電磁閥和氣泵子程序

對于套管氣較大的油井，LABVIEW 驅(qū)動數(shù)據(jù)采集卡，打開電磁閥，釋放套管氣；對于無套管氣油井，LABVIEW 驅(qū)動數(shù)據(jù)采集卡，首先控制微型氣泵工作，不斷往儲氣瓶內(nèi)充氣，接著打開電磁閥，釋放儲氣瓶內(nèi)氣體，形成次聲波源?？刂坡暡òl(fā)生裝置組成如圖7所示。

圖7 控制聲波發(fā)生裝置組成

3 現(xiàn)場試驗及測試數(shù)據(jù)比對［10-15］

基于以上系統(tǒng)設(shè)計，完成了油井動液面連續(xù)監(jiān)測裝置的設(shè)計，并生產(chǎn)樣機10套。分別安裝于長慶油田分公司采油廠，進行了工業(yè)性試驗。將測試試驗數(shù)據(jù)與井下存儲式壓力計測試數(shù)據(jù)對比分析，其測試結(jié)果比較準(zhǔn)確，動液面值誤差在±5 m，能夠較好地應(yīng)用到生產(chǎn)實際中。

3.1 油井動液面連續(xù)監(jiān)測試驗

對化114-29油井安裝油井動液面連續(xù)監(jiān)測裝置3 h，每隔30 min測試1次動液面數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)如表1。

表1 化114-29井試驗數(shù)據(jù)

對羅41-20油井安裝油井動液面連續(xù)監(jiān)測裝置3 h，每隔30 min測試1次動液面數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 羅41-20井試驗數(shù)據(jù)

3.2 低產(chǎn)低效井智能間開試驗

選擇在采油廠已安裝有液面裝置的16口油井，開展智能間開控制測試，每口井自動采集6 次／d。實施后平均單井日產(chǎn)液量由2.3 m3／d增加到2.56 m3／d，平均開井時間由24 h／井下降到10.5 h／井，單井日平均耗電量由60.1 k W·h 減少到40.7 k W·h。測試數(shù)據(jù)如表3。

4 結(jié)論

1） 該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集卡取代了傳統(tǒng)的模擬濾波器和微控制器，克服了傳統(tǒng)測量系統(tǒng)的缺點，開采效率明顯提高。為油井的動液面深度測試提供了可靠、準(zhǔn)確、自動化程度高的測試手段。

2） 系統(tǒng)利用LABVIEW 平臺強大的信號處理能力，設(shè)計調(diào)用兩個濾波器，分別得到接箍波和液面波。進一步分析采集數(shù)據(jù)的特點，研究信號處理的方法，得到聲波在油管中的傳播速度。再對液面波進行差值比較分析，確定液面回波的位置，最終計算出動液面值。

3） 采用套管氣作為聲發(fā)射信號源，不用高壓氣瓶／空氣／火藥，安全且便于自動化控制。

4） 設(shè)計友好的人機交互界面，控制系統(tǒng)編程方便，參數(shù)設(shè)置靈活，并且能進行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

5） 利用所測得的動液面值，可實現(xiàn)油井間開。也可以通過與抽油機變頻器的連接控制，將抽油機工作沖次調(diào)整至油井動液面所需的沖次，最大限度地發(fā)揮抽油機的工作效率，進而提高油井系統(tǒng)效率。

6） 利用油井動液面連續(xù)監(jiān)測裝置，代替?zhèn)鹘y(tǒng) 存儲式壓力計測壓方法，測試效率大幅提高。

表3 低產(chǎn)低效井智能間開試驗數(shù)據(jù)