基于LABVIEW 的油井動液面在線監測系統設計

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

在油田開發中，傳統動液面測試方式工作量大，測試過程存在一定安全風險，同時測試成本較高，測試效率低下，動液面數據采集頻次較低，常規井每月2次，無法及時掌握液面變化情況及生產動態，也無法為后期智能油田大數據分析提供數據支撐。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。對于低產低效井，油井間開可有效提高生產效益，但間開制度的優化缺乏科學準確的數據支撐。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井底壓力變化，可根據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監測系統，對油田生產具有重要意義。

1 油井動液面在線監測系統的關鍵技術

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）振動產生，聲波傳播的空間就稱為聲場。在氣體和液體介質中傳播時是一種縱波，但在固體介質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，容易發生衍射，不易被固體、液體等阻擋吸收，傳輸距離較遠。因此，本文所設計的液面在線監測系統就是依據次聲波原理。

1.2 回聲法測量液面原理［1-5］

1.2.1 音速法液面測量

當回聲信號采集噪聲較大時，一般設定音速，然后通過采樣間隔時間與液面波對應數據采集點數，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為液面波對應的采樣點數，v 為所設定的音速，h為動液面值。

1.2.2 音標法液面測量

為了更準確地計算聲音在套管里的傳播速度，一般將音標安裝至井下一定距離，通過液面回聲信號序列，可求得音標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為音標安裝深度，t1為音標回波對應時間，t為液面回波對應時間，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確求得動液面數據。

1.3 回聲法動液面在線監測關鍵技術

1.3.1 動液面連續監測裝置設計［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，主要由擊發裝置、彈膛組成，通過擊發子彈，利用爆炸產生的高壓氣體，實現聲波信號發射。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，產生次聲波，此方法自動化程度低，難以滿足常年連續不斷的測量任務。

對此，本文提出如下解決方案，使用套管氣作為聲發射源，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，產生聲波，其組成如圖2所示。

1.3.2 回聲信號放大濾波技術［8-9］

微音器將井下采集的回聲信號序列轉換為毫伏電壓信號，因此需要做小信號放大電路，將毫伏級的電壓信號轉換為±5 V 的電壓信號，便于后續信號處理。同時，井況異常復雜，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，因此需設計12～100 Hz帶通濾波器，提取接箍波序列；設計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，找到液面波對應時刻，最終可求得動液面值。

圖1 低套壓動液面連續測量裝置

圖2 高套壓動液面連續測量裝置

2 基于LABVIEW 的動液面在線監測系統設計

LABVIEW 具有較多的信號處理、算法設計、報表以及第三方數據采集驅動工具包，可為用戶提供靈活的G 語言編程設計平臺，開發效率極高，系統穩定性較好。本文利用LABVIEW 虛擬儀器設計開發動液面連續監測平臺，實現油井動液面在線連續監測。

該系統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，然后由數據采集卡采集濾波后的回聲信號，把數據傳入電腦虛擬儀器LABVIEW 系統，使用G 語言編程，實現低通濾波器與帶通濾波器，采用快速傅里葉變換算法，求得動液面數據。其信號處理系統如圖3所示。

圖3 動液面在線監測信號處理系統

2.1.1 動液面在線監測系統硬件設計

1） 小信號放大電路。

發聲裝置發出聲波后，需要通過微音器接收回波信號，轉換后的電信號比較微弱（8 m V 以內），故將信號通過放大電路進行放大，以便于后續處理。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能實現寬的帶寬和良好的動態反應。小信號濾波放大電路如圖4所示。

該放大電路放大倍數取決于可調電阻R203的阻值，放大倍數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。

2） 回聲硬件濾波電路。

由于油井井況異常復雜，油套環空存在蠟狀油污，井下回聲波信號較為復雜，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，可依據數據采集卡輸出時鐘設置截止頻率，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，因此采用數據采集卡發出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） 數據采集卡

數據采集卡，如圖6所示，主要具備采樣頻率、AD 轉換精度、輸入量程和數據分析等特性。依據奈奎斯特采樣定理［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中，采樣頻率一般選擇信號最大頻率的5倍，故該系統設定采樣頻率500 Hz。

2.1.2 動液面在線監測系統軟件設計

1） 初始化子程序

上位機監控平臺向數據采集卡發送采集命令時，可以對數據采集卡采樣時鐘、采樣頻率、觸發方式、通道、量程變換等參數進行設置。

2） 數據采集子程序

上位機觸發數據采集卡采樣后，數據采集卡依據內部硬件時鐘進行實時采樣，并不斷讀入LABVIEW 系統中。

圖6 數據采集卡

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數字濾波；其次對該信號序列實現基波查找，采用LABVIEW 設計帶通濾波器BPF（12～100 Hz），得到接箍波序列；最后設計低通濾波器LPF（0～12 Hz），得到液面回波序列。

4） 動液面算法子程序

利用LABVIEW 調用MATLAB 腳本節點，對于液面回波信號序列，使用快速傅里葉變換等技術處理后，然后自動選擇接箍算法、音標算法、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 驅動數據采集卡，打開電磁閥，釋放套管氣；對于無套管氣油井，LABVIEW 驅動數據采集卡，首先控制微型氣泵工作，不斷往儲氣瓶內充氣，接著打開電磁閥，釋放儲氣瓶內氣體，形成次聲波源。控制聲波發生裝置組成如圖7所示。

圖7 控制聲波發生裝置組成

3 現場試驗及測試數據比對［10-15］

基于以上系統設計，完成了油井動液面連續監測裝置的設計，并生產樣機10套。分別安裝于長慶油田分公司采油廠，進行了工業性試驗。將測試試驗數據與井下存儲式壓力計測試數據對比分析，其測試結果比較準確，動液面值誤差在±5 m，能夠較好地應用到生產實際中。

3.1 油井動液面連續監測試驗

對化114-29油井安裝油井動液面連續監測裝置3 h，每隔30 min測試1次動液面數據，得到數據如表1。

表1 化114-29井試驗數據

對羅41-20油井安裝油井動液面連續監測裝置3 h，每隔30 min測試1次動液面數據，得到數據如表2所示。

表2 羅41-20井試驗數據

3.2 低產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。測試數據如表3。

4 結論

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

2） 系統利用LABVIEW 平臺強大的信號處理能力，設計調用兩個濾波器，分別得到接箍波和液面波。進一步分析采集數據的特點，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） 設計友好的人機交互界面，控制系統編程方便，參數設置靈活，并且能進行數據的遠程傳輸。

5） 利用所測得的動液面值，可實現油井間開。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整至油井動液面所需的沖次，最大限度地發揮抽油機的工作效率，進而提高油井系統效率。

6） 利用油井動液面連續監測裝置，代替傳統 存儲式壓力計測壓方法，測試效率大幅提高。

表3 低產低效井智能間開試驗數據