基于地磁感應的柱塞到達傳感器設計

李馳 李銳

收稿日期：2023-09-27

基金項目：國家自然科學基金項目（61572084）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.06.033

摘? 要：柱塞到達檢測是柱塞氣舉排水采氣工藝的重要組成部分。針對傳統柱塞到達傳感器易受油管振動影響產生漏檢而導致氣舉井生產效率偏低的問題，提出一種基于地磁感應的柱塞到達傳感器設計方法。該柱塞到達傳感器以STM32微處理器為核心，通過采集地磁傳感器RM3100傳送的數據，經過滑動平均濾波后采用自適應閾值算法判斷柱塞運動狀態，最后輸出柱塞到達信號。實驗室測試及實地應用表明，該柱塞到達傳感器檢測精度高，運行穩定，在柱塞氣舉排水采氣工藝中具有一定的實用價值。

關鍵詞：柱塞氣舉；柱塞到達檢測；地磁傳感器；滑動平均濾波；自適應閾值

中圖分類號：TP212.9；TE35? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）06-0154-04

Design of Plunger Arrival Sensor Based on Geomagnetic Induction

LI Chi， LI Rui

（School of Electronic Information and Electrical Engineering， Yangtze University， Jingzhou? 434023， China）

Abstract： Plunger arrival detection is an important component of the plunger gas-lift drainage and gas production process. In order to solve the problem that the traditional plunger arrival sensor is easily affected by the oil pipe vibration， which leads to the low production efficiency of gas-lift wells， a design method of plunger arrival sensor based on geomagnetic induction is proposed. The plunger arrival sensor is based on STM32 microprocessor. The data transmitted by the geomagnetic sensor RM3100 is collected， and the adaptive threshold algorithm is adopted to judge the motion state of the plunger after moving average filtering. Finally， the plunger arrival signal is output. The laboratory test and field application show that the plunger arrival sensor has high detection accuracy and stable operation， and has certain practical value in the plunger gas-lift drainage and gas production technology.

Keywords： plunger gas-lift; plunger arrival detection; geomagnetic sensor; moving average filtering; adaptive threshold

0? 引? 言

天然氣井在生產后期井底會堆積液體，需要及時將井底積液排出，才能維持天然氣井的正常運行，柱塞氣舉排水采氣工藝是針對產量低、產液量高的作業井的主要采氣技術[1，2]。柱塞作為井底氣體與液體的物理分界面，依靠氣井自身能量對柱塞進行舉升，從而將井底積液排出，柱塞到達信號檢測是柱塞氣舉排水采氣控制系統中的重要一環。在實際生產過程中，受檢測方法及井底環境的影響，傳統的柱塞到達傳感器并不能對到達時間進行準確、實時而穩定地判斷。因此提出一種基于地磁檢測的到達傳感器，通過捕獲磁性目標擾動地磁場所產生的磁異常信號，實現對柱塞到達的檢測，區別于傳統的柱塞到達檢測，本方法檢測精度高，且功耗低、更穩定、環境適應性好，此外，其檢測靈敏性高，同時能獲得柱塞運動瞬時速度等參數用于其他方面的研究。

傳統的柱塞到達檢測方法如紅外光電檢測法，對紅外探頭要求較高，需保持探頭無污垢，探頭附著上污垢后會對測量精度產生偏差，而井內環境復雜，難免會發生上述情況，導致檢測裝置失效。超聲波檢測法只能應用于油管內部檢測柱塞，對于現場應用中安裝不方便，且由于柱塞上行過程中氣體上竄會生成大量氣泡，造成超聲波散射現象，另外油管內部空間小容易產生聲波折射，更加增添了檢測難度[3]。電感式接近開關檢測技術以及磁性接近開關檢測技術都具備檢測導磁金屬的能力。當柱塞接近時，信號會發生變化，從而達到檢測的目的[4]。但傳感器本身的頻率響應不高，不適合快速動態測量。加速度傳感器多用于高頻振動檢測，隨著開井后井底壓力推動柱塞不斷上升，柱塞越來越接近井口，油管振動就會越來越明顯，根據信號的振動強度來判斷柱塞是否已到達[5]。但加速度傳感器對運動太過敏感，一般的加速度傳感器噪聲特別大，特別是加速度傳感器噪聲和抖動在相同數量級時，將導致累計方向誤差[6]。

基于地磁感應的柱塞到達傳感器通過捕獲磁性目標擾動地磁場所產生的磁異常信號，實現對柱塞到達的檢測。該柱塞到達傳感器以STM32微處理器為核心，通過采集地磁傳感器RM3100傳送的數據，經過滑動平均濾波與自應閾值算法處理后，輸出柱塞到達信號。該傳感器檢測精度高，且更穩定、安裝便捷。

1? 地磁檢測原理

地球本身具有一個較弱的天然磁場，稱為地磁場。在沒有外界干擾的條件下，一定區域內的地球磁場強度基本上恒定不變，維持在0.4～0.6 Gs之間[7]。在這個范圍內，經過的鐵磁物體會引起磁場中磁感應強度發生變化，進而導致這部分的磁場強度發生變化，使磁場發生擾動，擾動的大小與鐵磁材料的性質、大小以及質量有關，不同的鐵磁材料引起的擾動不同，地磁傳感器能夠測量連續變化的磁場信號，并根據變化幅度來判斷是否有鐵磁物體通過此區域。柱塞在油管內部需要不斷進行上行、下落運動，工作負荷量較大，所以柱塞在設計過程中多采用高強度、耐腐蝕的金屬材質，因此可以通過檢測區域前后磁場的改變，進行柱塞到達實時檢測[8-10]。

2? 硬件設計

如圖1所示，基于地磁感應的柱塞到達傳感器主要的功能包含信號采集、數據處理以及數據傳輸，設計的柱塞到達傳感器由四部分組成，分別為信號采集模塊、主控模塊、供電模塊和通信模塊。

圖1? 硬件總體框架圖

首先將地磁傳感器采集到的數據傳輸到STM32F103ZET6模塊，在STM32F103ZET6模塊中對數據進行處理與判斷，再以滿足無線傳輸所需的數據幀格式進行排列。通過RS485模塊進行格式轉換后，控制信號可以通過4G模塊進行無線傳輸。最后將編輯完成的數據記錄在存儲模塊中。

2.1? 信號采集模塊

柱塞到達傳感器以PNI公司的RM3100地磁傳感器為感知單元，RM3100由2個Sen-XY-f地磁傳感器、1個Sen-Z-f地磁傳感器和MagI2C控制芯片組成，能實現三維空間的磁場大小測量，非常適合需要精確測量磁場強度的應用場景，RM3100通過SPI接口與STM32微處理器相連，實時將三軸數據傳送給主控STM32，如圖2所示。

圖2? SPI接口的RM3100

2.2? 主控模塊

以STM32F103ZET6微處理器作為柱塞到達傳感器的主控單元，STM32F103ZET6微處理器提供了豐富的外設：112個IO口，512 KB的FLASH，64 KB SRAM。主頻高達72 MHz，32位高性能ARM Cortex-

M3處理器，足以承擔該傳感器設計需求。

2.3? 供電模塊

供電方式選擇太陽能供電，供電系統由太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池和電壓轉換模塊組成，太陽能控制器能對蓄電池進行充放電，防止蓄電池充電過度，當夜晚來臨時反向充電，維持整體供電所需。電壓轉換模塊能將太陽能電池板的直流電壓轉換為5 V的直流工作電壓，確保柱塞到達傳感器中各組成部分的正常工作。

2.4? 通信模塊

當捕獲到柱塞到達信號后，傳感器會以方波的形式輸出一個開關量信號，為了方便現場調試與遠距離接收，通信部分采用了兩種方式：一是有線串口通信以及基于4G Cat.1通信模組FS704UM的無線通信模塊。有線串口通信采用CH340芯片，以TTL轉USB的形式將串口數據傳輸給電腦端的調試助手。傳感器是安裝在油管上的，與工控端相隔較遠距離，因此該系統也配備了無線通信模塊，采用485串口通信，通過4G傳輸的形式將信號實時傳輸給工控端。

3? 軟件設計

3.1? 滑動平均濾波算法

柱塞到達信號的準確檢測是實現柱塞氣舉有效控制的基礎，但傳感器在采集信號的過程中會受到各種噪聲的干擾，例如搭載磁傳感器的電路板以及周圍其他金屬對磁場的影響，傳感器受制作工藝影響，也會存在一定噪聲信號。為有效地消除背景噪聲和毛刺現象，在對傳感器數據進行處理之前，需要對原始的數據進行預處理，這里采用的是滑動平均濾波算法。如圖3的三條曲線即為地磁傳感器RM3100的XYZ三軸檢測到的磁場強度，經過分析可得在柱塞未到達之前，磁場強度穩定在一個基值附近，當柱塞到達時，各軸數據都會發生一定程度的變化，但受柱塞運動方向的影響，從圖3中也可以看到Z軸變化最為明顯，因此以Z軸的數據用來進行檢測最為合適。

圖3? 傳感器三軸數據變化

3.2? 自適應閾值柱塞到達檢測算法

在傳統的閾值檢測算法的基礎上進行改進，就可以得到自適應閾值柱塞到達檢測算法，這種算法可以不斷地更新磁基值，有效地解決受外界溫度、電路磁化等因素的影響導致基值浮動的問題。因此在沒有柱塞到達時，地磁傳感器采集磁場信號用于更新基準值，在有柱塞經過時，地磁傳感器采集磁場信號用于判斷柱塞是否到達。如圖4所示，具體算法判斷步驟如下：

1）在輸入濾波數據的基礎上計算基準值，取100個數據為一組計算出磁場信號的平均值A為基準值，再計算出這組數據的最大值Qmax與最小值Qmin，將二者之差Qdel作為波動的范圍，為了數據波動的普遍性，以A ± 1.2Qdel作為浮動閾值上下限a和b。

2）設突發信號的幅值為k，當k＞a時，認為柱塞預到達。

3）若k＞a，則開啟定時器記錄時間Tin，若記錄時間Tin超過閾值Tth，則判定柱塞已到達，發送方波信號，并記錄柱塞到達時間。若不超過閾值Tth，則認為是數據波動，繼續認定為柱塞預到達。

4）當k＜b時，認為柱塞預離開。

5）若k＜b，且定時器記錄時間Tout超過閾值Tth，則判定柱塞已離開，柱塞到達次數加1且記錄柱塞離開的時間。若不超過閾值Tth，則認為是數據波動，繼續認定為柱塞預離開。最后變為無柱塞到達狀態，基準值更新。

圖4? 算法流程圖

4? 實驗測試

準確測量柱塞到達氣舉井口的時間是柱塞氣舉井控制的關鍵。柱塞到達傳感器性能測試實驗在長江大學石油氣舉實驗基地多相流實驗平臺和柱塞氣舉動態模擬實驗裝置中進行，如圖5所示。實驗平臺能夠進行油、氣、水等多種流體實驗，本實驗設置為：0°～90°傾角、常溫0～90 ℃，常壓0～0.8 MPa、液體流量0～-500 m3/d，流體粘度0～1 000 mPa.s、氣體流量0～50 000 m3/d。

圖5? 實驗場景

為了分析柱塞到達傳感器的精確性，將依托其測得的柱塞到達時間與高速攝像頭拍攝到的到達時間進行對比。實驗過程中充分考慮油田現場情況，針對不同井底壓力、不同管柱傾角下的柱塞到達時間進行了測試，從表1中數據可以看出，在井底壓力為0.2 MPa的條件下，誤差在可接受的范圍內，在0.4 MPa、

0.6 MPa的條件下，實驗結果也相差不大。

表1? 井底壓力為0.2 MPa下的實驗數據

井底壓力/MPa 節流閥開度/° 傾角/° 傳感器測量到達時間/s 高速攝像頭測量到達時間/s 誤差/%

0.2 60 0 1.134 9 1.144 9 0.87

0.2 80 0 1.248 0 1.258 0 0.79

0.2 100 0 1.166 0 1.166 0 0

0.2 60 15 1.445 0 1.435 0 0.70

0.2 80 15 1.162 5 1.152 5 0.87

0.2 100 15 1.135 5 1.135 5 0

0.2 60 30 1.266 0 1.256 0 0.80

0.2 80 30 1.465 0 1.475 0 0.68

0.2 100 30 1.525 0 1.535 0 0.65

0.2 60 45 1.338 0 1.328 0 0.75

0.2 80 45 1.026 0 1.036 0 0.97

0.2 100 45 1.144 0 1.154 0 0.85

5? 應用測試

如圖6為傳感器實物圖，現場測試在新疆吐哈油田，采取開井2小時，關井1小時的柱塞制度，與傳統的人工記錄進行對比。在測試的2021年7月1日至31日，以每24小時為一個時間段進行計數，與人工計數柱塞到達次數相比，柱塞到達傳感器識別柱塞到達次數準確率可達100%。且傳統的人工計時浪費人力，不利于后續柱塞氣舉自動化開發。由于柱塞氣舉運行周期較長，傳感器大部分時間都處于閑置狀態，因此傳感器后續可進行硬件和軟件方面的低功耗優化，選擇具有低功耗模式的元器件，以及為實現及時切換低功耗模式而設計新的檢測算法。

圖6? 傳感器實物

6? 結? 論

完成了基于地磁感應的柱塞到達傳感器的設計，相較于傳統的柱塞到達傳感器，基于地磁感應的柱塞到達傳感器供電方便、靈敏度高、抗干擾能力強、識別準確。實驗測試證明，本文設計的柱塞到達傳感器與傳統人工記錄數據差別較小，識別度高，在測試的一個月內沒有出現異常，因此本文設計的傳感器具有良好的應用前景。

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作者簡介：李馳（1998—），男，漢族，湖北荊門人，碩士在讀，研究方向：油氣田自動化控制。