存儲式油井動液面監測系統研制

張乃祿+皇甫王歡+劉選朝+劉峰+翟磊

摘 要： 油井液面動態監測是數字化與智慧化油田的重要內容。針對偏遠油井動液面自動連續測量、動液面數據傳輸與集中計算的問題，研發一種存儲式油井動液面監測系統。該系統由井口測量裝置和數據處理平臺構成，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據包，存儲到FLASH存儲器，并定時導入數據處理平臺進行解碼、液面計算，從而得到動液面深度及波形。該系統實現了油井液面的自動連續測量，多口油井液面數據比較分析，在數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； 監測系統

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“數字化和智慧化油田”的重要內容之一。

目前，偏遠油井采用人工現場定期測量動液面，工人勞動強度大、測量周期長、動液面數據無法自動連續測量[1]；部分偏遠油井采用基于物聯網[2?3]的動液面遠程監測系統進行測量，而一般偏遠油井所處位置無信號或信號較弱，數據無法正常上傳導致測量失敗。結合目前偏遠油井動液面監測的特點及不足，研發了一種存儲式油井動液面監測系統，其由井口測量裝置和數據處理平臺兩部分構成，系統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定時導入數據處理平臺進行解碼、液面計算，得到動液面深度及波形。實現油井液面的自動連續測量、多口油井液面數據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測系統設計

1.1 存儲式動液面監測系統構成

存儲式動液面監測系統由井口測量裝置和數據處理平臺兩部分構成，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（U盤）將數據包導入數據處理平臺，完成對油井液面的自動連續測量、數據包的導出與導入、查看波形、參數設置等功能[5]；數據處理平臺主要對移動存儲介質導入的數據包進行解碼及液面計算，得到動液面深度及波形，并將計算結果存入SQL Server數據庫，以網頁方式提供顯示、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，融合了數據包導出/導入模塊、FLASH存儲器（64 MB，可擴展）、OLED顯示模塊、按鍵模塊、A/D轉換模塊、聲波發生控制模塊，構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生控制模塊產生次聲波，次聲波沿油管和套管之間的環形空間向下傳播時，遇到油管接箍、液面等障礙物時發生反射，反射波由井口微音器進行接收，經A/D轉換模塊處理得到有效的數字信號[7]，按*.wav格式編碼后存儲到FLASH存儲器（64 MB）。一般對同一井場數據7天導出1次，可同時完成多口油井數據的導出，該FLASH存儲器至少存儲單井3個月動液面數據包。數據包導出/導入模塊通過USB與微處理器相接，用戶通過數據包導出/導入模塊中LCD觸摸屏登錄，使用觸摸按鍵調用對應線程來實現數據包導出/導入、查看波形、設置參數功能。OLED 顯示模塊用于對測量時間、設備編號、套壓大小等參數進行顯示。其*.wav編碼格式文件內容如表1所示。

1.3 數據處理平臺

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

2 存儲式油井動液面監測軟件開發

2.1 存儲式動液面監測軟件組成

存儲式動液面監測軟件組成如圖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點，有助于理清軟件開發思路，加快開發進程。

存儲式動液面監測軟件由液面實時測量值采集與數據包存儲子系統和液面數據包解碼與計算子系統兩部分組成。液面實時測量值采集與數據包存儲子系統主要完成壓力采集、動液面采集、數據編碼、數據包存儲；液面數據包解碼與計算子系統主要完成數據包解碼、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調工作，最終完成液面數據采集、數據包導出/導入、液面計算等功能，實現了油井液面的自動連續測量、多口油井液面數據的集中計算及比較分析。

2.2 液面實時測量值采集與數據包存儲程序設計

液面實時測量值采集與數據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，系統首先進行初始化，讀取設備參數，當電池電壓不足時進行充電，然后根據壓力傳感器所檢測套壓大小采取不同的爆破方式產生次聲波[9]。其反射波由井口微音器接收，經A/D轉換模塊處理后得到有效的數字信號，按*.wav格式編碼得到動液面數據包，若首次測量需先建立以井名命名的文件夾，然后將數據包存到FLASH存儲器。該流程可實現多口油井數據的編碼及存儲，方便數據導出及分析處理。

2.3 液面數據包解碼與計算程序設計

液面數據包解碼與計算軟件流程如圖5所示。首先通過數據處理軟件將數據包按*.wav格式進行解碼，還原出動液面數據；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；計算結果將自動存至SQL Server數據庫，以網頁方式提供顯示、查詢、設置、控制等功能。按同樣的方法可對多個數據包進行解碼及液面計算，實現多口油井液面數據的集中計算，利用可連網的電子設備在固定網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]為動液面數據的總采樣點數），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，根據公式[h=vN02fS]得到動液面深度[h]。

3 系統功能與特點

1） 動液面自動連續測量。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自動進行測量，無需人工現場進行操作；

2） 數據包導出/導入、查看波形、設置參數功能。數據包導出/導入模塊通過USB與微控制器相連，用戶通過LCD觸摸屏登錄，使用觸摸按鍵調用對應線程來實現數據包導出/導入、查看波形、設置參數功能；

3） 大容量存儲。按最大采樣點數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據包；

4） 動液面數據集中計算及比較分析。通過移動存儲介質將井口測量裝置中的數據導入數據處理平臺進行集中計算、分析，方便油田統一管理。

4 應用效果分析endprint

經液面計算得到的動液面深度、波形數據等自動存入SQL Server數據庫，以網頁方式提供顯示、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站查看測量結果及波形，其監測軟件界面顯示見圖6?？刹榭磫尉谝欢螘r間內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）。通過對液面的連續監測得到動液面的變化規律，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開采狀態，改善工況提高泵效，達到增產降耗的目的。

5 結 論

本文的存儲式動液面監測系統采用存儲的方式，將動液面實時測量值按*.wav格式編碼后存至FLASH存儲器，并定時導入數據處理平臺進行解碼及液面計算，得到動液面深度及波形，實現了油井液面的自動連續測量，解決了偏遠油井無信號或信號弱時動液面數據傳輸的問題。存儲式動液面監測系統實現了對多口油井液面數據的集中計算及比較分析，方便油田數據統一管理，在數字化和智慧化油田建設中具有典型應用。

參考文獻

[1] 王金磊，戴成林，張麗.油井液面監測技術調研[J].新疆石油科技，2015，25（4）：22?26.

WANG Jinlei， DAI Chenglin， ZHANG Li. Investigation of oil well level monitoring technology [J]. Xinjiang petroleum science & technology， 2015， 25（4）： 22?26.

[2] 顏瑾，張乃祿，張鈺哲，等.基于物聯網制造企業電能綜合監控系統[J].現代電子技術，2016，39（16）：159?162.

YAN Jin， ZHANG Nailu， ZHANG Yuzhe， et al. IoT?based electric energy integrated monitoring system for manufacturing enterprise [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（16）： 159?162.

[3] 張乃祿，李永進，張玉祥，等.基于物聯網的加油站綜合信息監控系統[J].西安石油大學學報（自然科學版），2013，28（6）：103?107.

ZHANG Nailu， LI Yongjin， ZHANG Yuxiang， et al. IoT?based gas station integrated information monitoring system [J]. Journal of Xian Shiyou University （Natural science edition）， 2013， 28（6）： 103?107.

[4] 鄭文靜，李明強，舒繼武.FLASH存儲技術[J].計算機研究與發展，2010，47（4）：716?726.

ZHENG Wenjing， LI Mingqiang， SHU Jiwu. FLASH storage technology [J]. Journal of computer research and development， 2010， 47（4）： 716?726.

[5] 萬曉鳳，易其軍，雷繼棠，等.動液面遠程自動連續測量裝置實現[J].工程設計學報，2013，20（3）：260?264.

WAN Xiaofeng， YI Qijun， LEI Jitang， et al. Realization of remote working level automatic measurement device of oil well [J]. Chinese journal of engineering design， 2013， 20（3）： 260?264.

[6] ZANG Huaigang， ZHAO Baojun， TAO Ran. A new kind of intelligent ultrasonic liquid level apparatus with the long measure range and short blind zone [J]. Chinese journal of scientific instrument， 2006， 27（6）： 638?642.

[7] 丁鵬飛.存儲式遠程溫度測量系統[J].制造業自動化，2014，36（2）：150?153.

DING Pengfei. Remote temperature measuring system with data storage [J]. Manufacturing automation， 2014， 36（2）： 150?153.

[8] ZHANG Minjuan， LI Shiwei. A method of the untouched ultrasonic liquid level measurement with high precision [C]// Proceedings of International Conference on Computer Application and System Modeling. Taiyuan： IEEE， 2010： 144?147.

[9] 皇甫王歡，張乃祿，范琳龍，等.回聲法監測油井動液面影響因素分析與對策[J].石油工業技術監督，2017，33（7）：1?3.

HUANGFU Wanghuan， ZHANG Nailu， FAN Linlong， et al. Analysis and countermeasure of influencing factors of monitoring oil dynamic liquid level by echo method [J]. Technology supervision in petroleum industry， 2017， 33（7）： 1?3.

[10] 易其軍.油井動液面自動測量系統研究與設計[D].南昌：南昌大學，2014.

YI Qijun. Research and design of oil well working level automatic measurement [D]. Nanchang： Nanchang University， 2014.

[11] 闞玲玲，高丙坤，梁洪衛，等.小波去噪在油井動液面檢測中的應用[J].化工自動化及儀表，2014，41（9）：1009?1011.

KAN Lingling， GAO Bingkun， LIANG Hongwei， et al. Application of wavelet denoising in oil well dynamicliquid level monitoring [J]. Control and instruments in chemical industry， 2014， 41（9）： 1009?1011.endprint