無源傳感器用于管道內原油動態參數的測定

萬家佑 朱衛霞 武昌理工學院信息工程學院

無源傳感器用于管道內原油動態參數的測定

萬家佑 朱衛霞 武昌理工學院信息工程學院

新一代無源傳感器其靈敏度比傳統傳感器高，不但可以感應介質內部的溫度、光線強度、濕度，并且可以對地表中的酸堿度加以識別。目前的光傳感器與傳統傳感器相比具有穩定性能好、檢測范圍大、傳輸帶寬高的特點。無源流量感應指針檢測石油管道內液體流速時，通過井內單質流體和其他摻雜混合流體的密度、壓強及流速來計算出相對流量。傳感系統主要由模擬式與數字式系統兩部分組成。檢測監控和數據采集系統可以對運行設備進行監控，也可以在油田勘測時進行數據采集，以提高運行系統的效率。

無源傳感器；石油企業；流量；溫度；模塊

為了擴大石油勘探范圍，油井設備與管道內部統一安裝傳感器，以獲得地下環境數據參數。但是傳統設備存在感應盲區范圍大、易于受到外界電磁波的干擾等弊端，并且用電設施沿用傳統交變電流，每次應用需變換到直流電流供設備使用，降低了工作效率。對該設備凸顯的缺點進行改造，研制了新一代無源傳感器，其靈敏度比傳統傳感器高，不但可以感應內部的溫度、光線強度、濕度，并且可以對地表中的酸堿度加以識別。

1 集成處理系統

集成處理模塊將系統各部分整合到一個系統模式中，使其能夠實現彼此之間信息的傳遞，因此多數系統結構設計時都采用相同或相異的協調功能，以實現彼此交換需求。這種流程分配與傳統監控流程相比，增加了多個參考接口的配置模式，可以讓油井監控在無人看守狀態下自動完成模式參數轉化功能。

在傳感器接口配置中優化了系統各部分的功能，能夠在模型中給出簡單的分析過程，流程見圖1。這種優化方式可在運行程序中自動給出分析過程，它是傳感集成系統中最核心的配置模型。

圖1 傳感器配置接口流程

2 無源傳感器的應用

（1）光感應強度測定。當光感應器感應到外界強光照射時，會引起儀表參數的變化，接著電源模塊產生變化，將交變電流轉變為直流電流。與此同時，放大器上信號開始放大，然后傳送到光接收端，系統開始判定光照強度是否符合油井照明強度的標準。目前的光傳感器與傳統傳感器進行比較，具有許多優點：①穩定性能好，始終將光線設定在一個參數值上，不會因為外界的干擾而發生改變；②檢測范圍大，傳統傳感器只能檢測方圓1m左右范圍的土質，應用光傳感器當開采過程中土質發生松動或巖層有變化時，信息能夠傳達給管理人員，提前做好預防工作；③傳輸帶寬高，由于油井傳輸信息的流量不斷增加，因此需要不斷擴寬載頻，如今新型傳感器帶寬已達到500M，可確保傳輸的信息安全到達終端設備。

（2）管道內液體流量測定。用無源流量感應指針檢測石油管道內液體流速，通過井內單質流體和其他摻雜混合流體的密度、壓強及流速來計算出相對流量。在檢測過程中，如果每立方米液體的相對密度不一致，那么在測定范圍內呈現的誤差值在±10%左右。為了減少誤差值，在測定流量時要選擇流體速度比較平緩的位置進行測定，此時的液體密度比較單一，并且壓強保持在一定的范圍內，不會有太大的起伏。液體流量的大小與液體的流速呈正比關系，流速越大相對應此時的流量也就越大。這種測量標準與原有測量標準誤差保持在0.3%左右，測量的精確度更高。

（3）運行溫度及壓力測定。在石油管道中，由于流體內含有的雜質經常與石油管道的內壁產生摩擦，這必然會導致局部溫度的上升。通常運輸過程中，管道表皮溫度在100～200℃之間，但是由于不同程度摩擦而產生的熱量有時會達到300～400℃，甚至有可能高達500～600℃。目前小型油井溫度測量限度為200℃左右，無法測量雜質密度大的油井。石油管道內部過濾的部分雜質由于無法排出，而導致石油管道內雜質堆積，進而使液體流速放慢，隨時間推移便可能使石油停留在管道內。為了解決這一問題，部分油田企業基于ODK技術原理研制出吊墜型無源溫度檢測計，當雜質與管壁摩擦時，這種檢測計會自動控制雜質的排放量。假如體積較大的雜質塊流到管道接口部位，便會加快液體流速，使其加大對雜質塊的沖擊力。通過P=F/S函數定義式可知，在壓強一定的情況下，通過增大受力面積來增大壓力，使其內部組織軟化，最后雜質以流沙的形式排出，保證管道內部不被堵塞，減少生產流程的延期現象。

（4）傳感系統的運行測定。傳感系統主要由模擬式與數字式系統兩部分組成。其中模擬式系統是以模擬控制裝置為基礎，對油田發電系統三相分離、緩沖罐液位等工藝技術進行數據采集。數字式系統則是由直接數字系統、可編程控制器檢測監控與數據采集系統等組成。直接數字系統通過對無源傳感器控制，可以對多油井中管道流速進行檢測，以達到對緩沖罐液位的控制目的，并且還可以在發電系統過程中進行閉環循環檢測。檢測監控和數據采集系統可以對運行設備進行監控，也可以在油田系統勘測時進行數據采集，以提高運行系統的效率。傳感器測定系統在控制協議中采用的是RTU遠程三層結構控制模式。以小型局域網的通信設施對整個油田區域附近的電力系統進行全方位的自動檢測。自動檢測系統務必要保證傳輸線路的暢通，通過模糊邏輯檢測，對傳輸通道內的數據進行定向檢測。測定系統主要任務是自動測定油田傳輸系統中線路的阻值，并對阻值的大小進行測定分析。在測定過程中，當電阻值超出原線路設定的阻值，傳輸系統便會根據待測的預定值與實際值進行分析：若發生的差值在允許誤差內，則可繼續向終端設備傳輸；若大于預測誤差，則傳輸系統終止輸電線路的傳輸，確保傳輸線路的安全性。

3 結語

隨著國內石油行業的不斷發展，科研成果日新月異的變化，無源傳感器給石油行業帶來了新的希望。在檢測設備運轉和外界環境參數時，其檢測精確度基本符合生產標準。該設備不僅可應用于石油行業當中，也能廣泛應用于其他工業領域，可為我國經濟建設做出巨大的貢獻。

（欄目主持 關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.4.037