采油井中基于ARM多聲道兩相流流量測量系統

王寶妮

西安翻譯學院 陜西 西安 710105

隨著國家提倡數字化油田，我國對石油的流量測量技術的要求也更高[1]。目前我國長慶、遼河等油田在采集井下流量信息時，都是將數據采集完成置于辦卡內部的FLASH中，在測調儀出井以后將所有數據整體調出然后對數據進行查看[2]。由于注水井都在一些無人區，要求能夠在距離井口很遠的距離對井下信息進行查看，并針對實時數據進行遠程管理，減少人工成本，提升工作效率。

1 油井中兩相流測量監控系統介紹

采油井流量監控系統是在采油過程中對氣液兩相流體流量進行實時監控。本套監控主要選擇對井下流體體積進行監控，通過檢測及計算流體流量，將此信息發送至服務器。同時在井上制作上位機，將采集到的流量信息繪制成為折線圖，實時顯示在上位機上。如果流量超標則立即通過以太網發送報警信息并生成報錯日志[3]。

2 油井多聲道測量流量信息計算原理

2.1 對角式超聲波傳感器測量原理

本套系統選用三個超聲波傳感器分別裝配在測量管道上的三個位置，保證其處于不同的流層。在管道軸線上看，每一對傳感器相互交叉，管壁上每個相鄰的傳感器沿軸向方向先對角度為60°，同時三對傳感器之間測量聲道的距離均相等。但是這里也要保證三個傳感器安裝位置保持一定的距離，從而可以獲得介質流體在管道中不同位置的流體速度大小，能夠應用在管道內部介質流體狀態復雜、同時流速不恒定的流體，然后通過對每一個聲道所獲得的速度信息進行平均從而得出管道內截止流體流量信息。下圖2-1為對角式3聲道超聲波傳感器分布，在設計的中每一對傳感器在軸線上的距離是170mm，因此如果需要保證傳感器的精度，管道設計至少在550mm以上。

圖1 三聲道傳感器布局圖

圖2 多聲道超聲波傳感器設計

2.2 多聲道超聲波計算原理

井下多聲道超聲波流量測量系統應用了4個傳感器，其中A為超聲波發射端，剩下三個B1、B2、B3均為超聲波接收端。均處于同一平面，同一水平線組建一個三聲道超聲波測量系統。如圖2所示。根據氣液兩相流流體狀態分布，應用三個平面組成信息窗，通過信息窗反應流體流速大小[4]。

由于管道中不同信息窗相較于其直徑D所處的位置均不相同，因此確定每一個聲道的加權系數，通過對該數值進行積分能夠得到對應兩相流流量Q：

式中：ui為各個聲道上的流速；wi為各聲道上的流速加權系數。因此多聲道流量測量模型計算方法為：

3 油井中流量監測系統方案

本系統平臺實現功能有：通過多聲道超聲波傳感器進行流量信號采集、內部ARM芯片對流量信息進行計算、通過當前時間日期將ARM計算后的流量信息存入SQlite3數據庫中，服務器應用TCP協議與該數據庫進行交互，獲取當前數據庫中的信息，將該信息發送至Web當中。這里設置流量閥值，當流量信息出現異常時產生報警日志。

同時現場樣機上，設置有一個LCD屏幕，可以實時顯示當前流量信息，同時調取數據庫中存儲數據。通過不同日期繪制出柱狀圖、折線圖在該屏幕上。該系統整體方案如圖3所示。

圖3 油井中流量監控方案設計

3.1 CPU 控制系統

本系統搭載了三星4412開發板，該處理器內部采用了Cortex-A9為核心，同時集成了多種優越性能的圖形處理引擎，能夠保證圖像正常運行，可播放最大分辨率為1080P的高清圖像，完全兼容Linux等諸多高級內核系統，目前已經大量裝載到眾多物聯網系統設備、智能玩具車、智能游戲機、物聯網家具等。

4 采油系統軟件設計

該采油監控系統內部軟件分為兩大部分，一是井下對數據進行采集并計算，二是通過數據傳輸，將采集到的信息傳輸給三星4412開發板。其中第一類需要進行超聲波時差信號流量計算、數據打包傳輸。第二類需要對獲得的信號進行存儲、同時打包當前數據并發送到HTML網頁上與網絡WEB服務器中，并通過交互的方式繪制流量信息等曲線，將其顯示在LCD屏幕上。

4.1 主程序設計

本套采油系統工作時遵循下一程序步驟。首先對系統進行初始化操作，其中包含Socket通信套接字的創建、客戶端與服務器端口之間的綁定、對井下板卡串口通信進行初始化、數據庫的創建、多線程建立。該系統中創立了兩個線程。主線程通過讀取對井下數據進行讀取，防止其他線程干擾，將所獲取的數據線程進行枷鎖隨后將其存入數據庫中，最終通過WEB網絡協議將其發送至服務器中。第二個線程主要控制LCD屏幕顯示目前數據界面，同時通過屏幕上現實的用戶指令進行歷史數據查詢、當前數據規律、總采油量多少等方面操作。其運行結構圖如圖4所示。

圖4 流量計檢測顯示平臺

4.2 UI 界面顯示

從數據流的角度出發，整體數據需要分為測井基本信息、目前傳感器下入深度、以及當前采集信息狀況。這些井下信息需要實時上傳至井上界面，同時井上也通過設定固定波特率、對串口選擇、以及清楚之前數據。

5 實驗設計

本套超聲波流量計是應用于室內常溫常壓條件下進行的，由于井下石油流體含有固體顆粒、水、氣體等混合物，因此在管道內加入一定比例的砂礫、膨潤土、潤滑劑等進行配置攪拌均勻，實驗室內調節螺桿泵來控制其頻率，調節螺桿泵轉速進而調節流體的流速大小。在豎直管道上找到Z字型位置進行超聲波流量計探頭安裝，在安裝位置的前面需要前置當前測量管徑10倍的長度，及其后方預留10倍的距離，能夠有效減少彎管與法蘭接口。傳感器安裝完成以后，按照原來的方向進行循環實驗。在實驗過程中，通過調節螺桿泵改變管道內流體流速，進行多次測量同時將當前超聲波流量測量數據與電磁流量計測量數據進行比對，最后進行數據的處理與結果的分析。其在50HZ螺桿泵測量頻率下測量輸入如下表1所示。

表1 螺桿泵頻率為50HZ時的測量值以及誤差統計

由表1可知，螺桿泵在50Hz時，其超聲波流量整體誤差比較低，其誤差在%2以內，因此通過此數據測量井下采油流量大小有非常好的依據。

6 結束語

本套超聲波采油系統選用了單片機作為超聲波信號采集，并進行計算，最終誤差控制在2%以內。其中在螺桿泵頻率達到50Hz時，其效果最為理想，同時相比于其他壓差式、渦街式流量計高誤差問題，可以斷定該系統應用于高速流管道時，有很大使用前景。在獲取數據以后，采油井中流量監控系統選用了三星ARM 4412高性能芯片做為核心處理器，內置Linux系統，應用了數據庫技術、串口通信、Frambuffer和輸入子系統、網絡通信技術，通過多聲道傳感器算法原理對井下流量信息進行實時監控。因為該系統是嵌入式微控制器開發，所以該系統能夠對上面的諸多功能進行增刪，擁有非常好的擴展性。伴隨著數字化油田的提出，該系統會普遍應用于流量檢測領域。