基于嵌入式單片機橋式同心分層注水一體化測調監測研究

摘 要：針對橋式同心分層注水一體化測調監測數據含噪較多，導致最終監測精度較低的問題，提出基于嵌入式單片機的橋式同心分層注水一體化測調監測技術。依據橋式同心分層注水工藝的基本原理，計算分注井的井斜角度，采用嵌入式單片機采集井下監測數據，并引入中值濾波技術對數據進行優化處理，以獲取高質量的數據，通過計算測調產出通道的測調極差對測調進行評價，進而實現測調監測。對比實驗結果表明，所提方法對于橋式同心分層注水一體化測調具有較高的監測精度。

關鍵詞：單片機；嵌入技術；分注一體化；測調監測

中圖分類號：

TE357;TP277

文獻標志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0165-04

Research on the integrated measurement and monitoring technology for bridge type concentric layered water injection based on embedded microcontroller

XUE Quan，GUO Yongxin，PANG Yong

（YanChang Oil Filed Co.，Ltd.，Yan’an 716000，Shaanxi China）

Abstract：In order to solve the problem of high noise in the integrated measurement and monitoring data of bridge type concentric layered water injection，resulting in low final monitoring accuracy，a bridge type concentric layered water injection integrated measurement and monitoring technology based on embedded microcontroller was proposed.According to the basic principle of the bridge type concentric layered water injection process，the well inclination angle of the split injection well was calculated，the embedded microcontroller was used to collect underground monitoring data，and the median filtering technology was introduced to optimize data to obtain high-quality data.By calculating range of the measurement and adjustment output channel，the measurement and adjustment were evaluated，and the monitoring was realized.The comparative experimental results showed that the proposed method had high monitoring accuracy for the integrated measurement and adjustment of bridge type concentric layered water injection.

Key words：microcontroller; embedded" technology; integrated injection; measurement and adjustment monitoring

智能配水技術測試和調配油井的的方式，不僅解決了層間矛盾的問題，而且還提高了水驅控制程序和水驅效率，同時，這種邊測量邊調整的方法保證了測調的效率。通過在油田分層注聚合物來提高驅油效率與采油率［1］；結合實際，設計了過淺層貼堵段，封竄可洗井及小井眼井等分層注水技術，以確保注入效果和油藏保護［2］。基于此，研究以嵌入式單片機為技術依托，對橋式同心分層注水測調監測技術進行深入研究，以期提高測調成功率，降低現場測調工作量。

1 橋式同心分層注水一體化測調監測技術設計

1.1 分注井井斜角度計算

在油藏的開發工作中，分層注水工藝是通過將液體、氣體或液體和氣體混合物從設備的底部注入到塔柱中，從而實現了物質的分層分布和相互作用。主要用于化工過程中的蒸餾、吸收、萃取、混合和反應等操作。因此，分層注水技術在石油和石化行業中得到了廣泛的應用。但是，由于多層注入技術實施過程中需要保證不小于15 m的打撈距離，在大斜度井和深井中存在旋轉導向定位不準確的情況，導致油井與測試調整儀器連接失效［3］，從而出現打撈層位置偏差較大的現象。因此，應首先計算待測油井的傾角，以便根據傾角布置測量和調整儀器，提高高傾角井定位的對接成功率，實現精確注水。

測調工藝的核心是雙層配水器與雙層測調儀，二者的基本結構如圖1所示。

大斜度井同心分層注水器件的主要作用就是完成分層配水［4］，對于配水器與油井中心軸的載荷面，根據其距離分布可建立注水器的數學模型D1，即：

D1=h02r1p0L1cosθ0（1）

式中：h0表示活動筒長度；r1表示外筒半徑；p0表示載荷面施加的壓力值；L1表示載荷面的有效直徑；θ0表示配水器與載荷面中心中的夾角。

測調儀的數學模型D2可表示：

D2=r2×T2h21j0（2）

式中：r2表示調節頭半徑；T2表示動力粘性系數；h1表示流體壓差；j0表示水嘴面積。

假設對于大斜度的油井采用一級二段分注作業［5］，當封隔器位置深度為H0時，測調儀的上層總流量的計算方法為：

ss=D1D2∑ni=1α1/k0×H0（3）

式中：n表示層段配注總量；i表示分注階段；α1表示試注時間。

根據測調儀反饋的層段流量，確定油井在三維有電流源區域內的電位函數［6］，即：

It=Ktss×t0A′（4）

式中：Kt表示判別函數；t0表示對接次數；A′表示系數矩陣。

在計算井斜角度過程中，由于不同邊界條件的應用范圍不同［7］，采用第3類邊界條件對油井平衡超參數進行確定，表達式：

Δg1=It+SymbolQC@Εyz×pf（5）

式中：SymbolQC@Ε表示電位函數的偏微分方程；yz表示邊界的單位法向向量；pf表示點源邊值。

通過將油井結構數學模型的三維偏微分轉化為二維偏微分［8］，由此求取油井的井斜角度，即：

βj=zkΔg1b0×ft（6）

式中：zk表示空間波數；b0表示注水設備的傳遞系數；ft表示設計配注量。

通過分析橋式同心分層注水工藝與相關設備的基本結構，建立注水設備的數學模型，并根據油井在三維有電流源區域內的電位函數求取井斜角度，為后續提供有力的數據基礎。

1.2 基于嵌入式單片機的井下數據采集

為更好地實現橋式同心分層注水一體化測調監測，在井斜角度計算結果的基礎上，采用嵌入式單片機對井下數據進行采集，并將其傳輸至地面控制器［9］，通過解析命令信號，得到能夠反映測調工藝的參數，進而對其進行監測。

嵌入式微控制器采用STC系列芯片作為主控制器，通過內置的串口電路將初步采集的井下注入信息存儲到數據存儲卡中［10］。該結構可以一次收集總共60字節的數據，包括時間、油位、能見度、氣象信息等。數據收集每隔5 min采集1次，通過時鐘控制器的清盒操作防止數據溢出［11］。為適應和滿足現場測調要求，對于采集井下數據的嵌入式單片機應符合以下技術指標，如表1所示。

假設當前數據采集時間為T1，采集終止時間為T2，則采集到的數據可表示為：

Fc=βjT1Sc×T2+lc（7）

式中：Sc表示數據對象個數；βj表示井斜角度；lc表示數據轉換函數。

為便于單片機的識別，采用HEX碼將數據轉換為十六進制的碼格式［12］，轉換過程：

Wh=Fc×qcpy÷n0（8）

式中：Wh表示轉換后的數據；qc表示每組數據之間的延時；py表示擴展步長；n0表示數據采集頻率。

將采集的數據按照從大到小排序，對其中的最大值與最小值取平均值處理，其余數據進行歸一化計算［13］，得到的標準化數據可表示為：

Ch=Wh×gfFtRc（9）

式中：gf表示采集過程的約束條件；Ft表示模擬參數；Rc表示拉格朗日算子。

對上述得到的標準化數據進一步優化，以簡化運算過程［14］，即：

εh=ΔG0-Chτ1（10）

式中：ΔG0表示極值函數；τ1表示優化因子。

基于上述數據的預處理，采用中值濾波算法對數據進行凈化操作，以得到井下監測數據，即：

ψ=εh×Qn0-1/Fp-1（11）

式中：Qn0-1表示濾波次數；Fp表示偏差度函數；ψ表示井下數據。

1.3 實現測調監測

采用氣相示蹤法實現對橋式同心分層注水一體化的測調監測。其監測原理為，將一個井組作為一個監測對象，通過對井中注入惰性氣體示蹤劑［15］，根據氣體濃度的實時變化繪制生成曲線，并結合待監測對象的動態資料，計算產出參數［16］，進而得到儲層的非均質性情況，從而完成測調監測，具體步驟：

（1）將輸出曲線與擬合曲線進行比較。在生成氣體濃度變化曲線的過程中，對預測濃度與實際濃度之間的偏差進行監測［17］，并求取二者的差值絕對平方和，即：

μ1=ψ×a0a1÷O0（12）

式中：ψ表示井下監測數據；a0、a1分別表示量測濃度與實測濃度；O0表示雙曲正切函數。

（2）計算通道產出參數［18］，包括通道厚度、波及體積。結合井組的動態和靜態數據以及取芯結果，計算井間主流滲透率通道的參數［19］。計算公式：

1=μ1×hy+12=μ1×hl-1（13）

式中：1、2分別表示通道厚度、波及體積；hy、hl分別表示測調時間與注入壓力。

（3）測調評價。井間儲層示蹤劑測調產出通道的非均質性主要通過滲透率與突進系數進行評價［20］。兩者比值為極差，極差越大，表明儲層的均質性越強，計算公式：

κ=1+2ω1ω2（14）式中：ω1、ω2分別表示滲透率與突進系數。

利用上式計算確定儲層均質性情況，數值越大，表明測調效果越好，由此實現測調監測。

2 實驗論證分析

2.1 實驗準備

為了驗證基于嵌入式單片機的橋式同心分層注水一體化測調監測技術的應用效果，將其應用于某油田大斜度井中。

根據作業指導與監測井下流量、壓力等井下數據，調整測調工作水口開度，并將監測數據傳回地面控制器。當地層注水量不滿足儲層注水需求時，增加試調工作缸水嘴；當局部地層的注水量超過油藏的注水需求時，減少測試調整工作筒的水噴嘴。

結合工程的實際地質資料，對測試區域進行劃定。

采用8位STC89C52RC微控制器嵌入技術與時鐘、振蕩電路構成數據采集硬件部分，并采用數字濾波技術，實現對井下監測數據的準確采集；STC89C52RC單片機的技術參數如表2所示。

通過無線通信鏈路將采集到的數據連接到監控中心的PC上；登錄監測中心的信息發布系統，實時監測油井的油位信息和周圍環境信息，并將其存儲在數據庫中，供后期查詢、管理和應用。

2.2 實驗說明

對于實驗監測井，采用的測調步驟：將電纜直讀測試儀放入分水器的任意一層，然后在分水器上方8.0 m處打開儀器支臂，繼續下降進行同心對接處理；將測調儀器置于分水器中心位置，開始測調；根據相關數據手動調整水口開度，將單層檢測誤差控制在10%以內；然后以這種方式測量和調整其他層位，從而完成整個測調過程。

2.3 測調監測結果分析

采用設計的方法對橋式同心分層注水一體化測調過程進行監測，比較同心分注的實際配注量與監測配注量之間的偏差，進而評估此方法的監測效果；監測結果如表3所示。

由表3可知，以單口井的測調數據為基礎數據，采用此方法對4個層位的測調配注量進行監測，得到的監測結果與實際值基本一致，僅在第3層出現較小的偏差，但偏差值為0.01 m3/d，在控制范圍內。因此，提出的方法對于橋式同心分層注水一體化測調具有較高的監測精度。

2.4 實驗對比分析

為進一步驗證不同方法在橋式同心分層注水一體化測調監測精度方面的優越性能，采用文獻［7］化學連續監測法（方法1）、文獻［15］電磁流量計（方法2）作為本文方法的對比方法；采用以上方法對分注測調效果進行監測，并引入邊界梯度作為評價不同方法監測效果的指標，邊界梯度值越高，表明方法的監測效果越好，對比結果如圖1所示。

由圖1可知，在不同井距條件下，與其他2種方法相比，利用提出方法對橋式同心分層注水一體化測調進行監測，得到的邊界梯度值更高，說明此方法能夠較為準確地實現測調監測，監測性能更好。方法1與方法2監測效果較差的原因是對于具有一定井斜的分注井，當測調時間較長時，無法有效監測井下對接的成功次數，從而導致監測精度較低。對比實驗結果表明，提出的方法針對橋式同心分層注水一體化測調監測具有較高的監測精度。

3 結語

研究提出了基于嵌入式單片機的橋式同心分層注水一體化測調監測技術。通過計算井斜角度與采集井下監測信息，并求取測調極差，實現測調監測，實驗驗證了本文方法的可靠性。

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