石油天然气学报（江汉石油学院学报） ２（）¨年｝）月第３３卷第【】期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｉｌ ａｎｄ Ｇａｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｊ．ＪＰＩ） Ｓｏｐ．２０ １ １ Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．９ 抽油井环空液面深度自动监测与实现 徐爱钧 （长江大学电子信息学院，湖北荆州４３４０２３） ［摘要］介绍了一种新型抽油井环空液面深度自动监测原理及实现方法。以３２位ＡＲＭ处理器为核心设计 的便携式液面自动监测仪，能从井口自动监测抽油井内环空液面变化，通过计算获得井下压力恢复数据。 在长达一周的监测期内，中途不需人工干预。采用大容量ＳＤ卡存储监测数据，并可随时从Ｉ ＣＤ屏幕观 察各种监测数据曲线。 ［关键词］抽油井；环空液面；自动监测 ［中图分类号］ＴＥ９３８． ， ［文献标识码］Ａ ［文章编号］ｉ０００—９７５２（２０１１）ｏ９—０ｌ ５ｏ一０３ 抽油井在油田采油作业中大量存在，通过监测井下液面深度可以了解油井供液能力，确定抽油泵的 沉没深度，同时还可以推算出井下压力的恢复状况，分析能量衰减的异常原因，制定出合理的油井 作 制度，对于合理开发油田具有重要意义。设计了一种基于ＡＲＭ处理器的便携式抽油井液面｝Ｊ动监测 仪，直接从井口测量井下环形空间液面深度，再用分析方法计算出井下压力恢复值，其测量结果可以达 到足够精度，满足油田开采需求。 冲歃ｌ测量原理 抽油井井底油气分布存在２种情况：第１种为井下无气体产生，井筒内仅有油柱形成；第２种为井 内含有气体，当气体达到饱和时井筒内会形成一种油气柱。油井内压力随抽油机＿Ｔ作时间的延长而发生 变化，关井后抽油机停止工作，井内压力逐渐恢复。对于第１种情况，油柱液面将随压力的恢复而上 升；对于第２种情况，油气柱液面将随压力的恢复先被压缩下降，压缩到一定程度后液面又会上升。通 过测量井筒环形空间内液面的深度，采用合理的分析计算公式即可获得井下压力恢复数据。 “回声法”测量液面深度是一种简单可靠的方法，声波脉冲在气体介质中传播时遇到障碍物就会产 生反射，如果知道声波脉冲传播速度和反射脉冲的反射时间就可以确定障碍物与声波脉冲源之间的距 离。测量时先关上井口套管阀门，测量井口套压，如果５ｍｉｎ内套压没有上升，说明井筒内术形成饱和 油气柱，这时启动安装在井口外面的高压气以“外爆”方式向井内发射一个声脉冲，声波沿油井套管 环形空 向下传播，当遇到接箍、音标和液面时将产生回波，回波曲线如图】所示。 接箍波是声波在一连串接箍上产生的反射，近似于周期信号，而液面波则是在单个液面上产生的反射， 二者有明 区别。为了 确定井下声波传播速度， 采用ＦＩＲ（有限脉冲响 应）数字滤波器对接箍 罂 波信号进行处理，在 滤出高频杂波的同时保 持原有信号的相位关系， 得到理想接箍回波信号 波形如图２所示。 图１井下实际回波曲线 图２理想接箍回波信号波形 ［收稿日期］２０１ｉ—ｏ２一】ｏ ［作者简介］徐爱钧（Ｉ ９５６～），男，］９８２年上海机械学院毕业，教授，现主要从事智能化仪器仪表、嵌入式系统应用等研究工作。 第３３卷第９期 徐爱钧等：抽油井环空液面深度自动监测与实现 可以认为矩形脉冲信号能量由基波携带，为了提取基波信号，需对接箍回波信号进行ＦＦＴ（快速 傅里叶变换）处理。由于信号代表的是经过接箍的周期信号，而抽油井内每节长度Ｌ基本相等， 信号处理的关键就变成找出该信号的周期，即信号频谱中基波的位置Ｌ１］。ＡＲＭ处理器具有很强的计算 能力，可以在较短时间内利用ＦＦＴ算法计算出信号的频谱，从而可按下式确定声速： 一 一２ 一 ㈩ ｌ Ｊ 式中， 为声波传播速度，ｍ／ｓ；Ｌ为长度，ｍ；ｆ为采样频率，Ｈｚ； 为基波出现时刻的点数；Ｎ为信号 ＦＦＴ点数；Ｔ为采样周期，Ｓ。 实际上声波在井下传播时还受到井下气体成分、温度和压力等因素的影响，当井深较大时可用下式对 声速进行校正 ］： 一．。ｓ 式中， 为声速，ｍ／ｓ；Ｔ。为气体绝对温度，Ｋ；Ｚ为气体压缩因子，在低压下一般取１；Ｋ为绝热指数；ｐ 。为天 然气相对密度（标准状况下）。 ・ 声速确定之后，即可由下式计算出环空液面深度： Ｈ一 （３） 式中，Ｈ为环空液面深度，ｍ；ｔ为声波从井口到液面后再返回到井口所需要的时间，Ｓ。 仪器在测量液面深度的同时还测出井口处套管压力Ｐ ，并根据油井所处地域预先从地质资料中查得 油层中部深度Ｄ和原油密度Ｐ 。，利用下式即可计算出井下压力恢复值 ］： Ｐ ｆ一（Ｄ—Ｈ）Ｎ ＰＩ Ｇ Ｘ ｇ＋Ｐ （４） 式中，Ｐ ｆ为井下压力恢复值，ＭＰａ；Ｄ为油层中部深度，ｍ；Ｈ为环空液面深度，ｍ；ｐＬＧ为原油密度，ｋｇ／ｍ。， ｇ为重力加速度，ｍ／ｓ ；Ｐ。为套压，ＭＰａ。 若仪器测得井口处的套管压力持续增加，当增加到１０１ｂｆ／ｉｎ。时（１ｌＭ／ｉｎ 一６８９４．７６Ｐａ），说明井内已 形成饱和油气柱，此时应打开套管阀门释放井内高压饱和气体，以“内爆”方式产生声脉冲来测量环空液 面深度，同时应按下式对井下压力进行修正： Ｐ ｆ一（Ｄ—Ｈ）Ｘ ｐＬＧ Ｘ ｇ＋Ｐ ＋Ｐ （５） 式中，Ｐ 为井筒内气柱压力，ＭＰａ。可用下式计算： Ｐ 一 ± ～ （６） ３００００ ～ 从式（４）～（６）中可以看到，井下压力与套压和液面深度有关。套压测量比较容易，但环空液面深度将 随井下压力的恢复而变化，抽油井井下压力恢复一般需要４～７ｄ时间。为了获得准确的井下压力资料必 须在１周左右的时间内连续监测井下环空液面深度。 ２仪器硬件设计 抽油井液面监测仪的硬件结构如图３所示。 ＡＲＭ处理器ＬＰＣ２１４８是仪器的核心，它控制装在井口上的气以一定时间间隔向井内发射声脉 冲，气上装有多个不同的传感器，分别对回声、温度及套压等模拟信号进行测量。利用ＬＰＣ２１４８片 内集成的８路１０位Ａ／Ｄ转换器，将来自传感器的模拟信号转换成数字信号送人ＣＰＵ进行处理。由于 各油井井况不同，传感器获取的模拟信号会有差异。为了能从Ａ／Ｄ转换器中稳定地读取数据，采用隔 离放大电路使模拟信号的变化速率小于１０Ｖ／ｍｓ。ＬＰＣ２１４８片内集成了２个３２位的定时器，可用于设 定各路Ａ／Ｄ转换通道的采样频率。对于回声信号的采集点数必须足够多才能准确计算出井下环空液面 深度，因此仪器应具有足够大的数据存储器容量来保存采集数据。利用ＬＰＣ２１４８的ＳＰＩ功能扩展了一 石油天然气学报（江汉石油学院学报） ２０１１年９月 个ＳＤ卡接口，采 一 用大容量ＳＤ卡作 高压气慨 ＭＩＳ０Ｏ ＭＯＳＩＯ ＭＭＣ 为非易失型数据 ２Ｆ ＤＡｏｔｌｔ ＳＣＫＯ ｜ＳＤ 存储器。利用 ＳＳＥＬＯ Ｉ－ １。。。＿广 Ｉ ＰＣ２１４８的ＵＳＢ ——◆ — ＡＤ０ ／１ 接口功能，可方 离 Ｐ ｌ６一ＰＩ ２３ Ｄ０一Ｄ７ 便地与上位机进 ・叫 —ｌ （ Ｄ 行数据交换。采 Ｌ＝ 三■ 放 — ＡＤ０ ２ ＿－卜＿—Ｈ ＇． 久 ＡＤＯ ３ Ｐ１Ｐｌ ２４ ２５ — Ｌ 液【Ｒ Ａｌ板 用Ｉ２Ｃ接口 片 ｝】ｌ ２６ Ｕ触坎厮 Ｐ１ ２７ ＤＺＩ Ｇ７２９０扩展了 Ｐ１＿２８ ＣＳ 一个矩阵键盘， ＥＩＮＴ３ 阵 —— ＺＬＧ ●— ＳＤＡ 另外还扩展了带 键甜 ７２９０ Ｄ一． ＵＳＢ ＳＣＬ Ｄ— 接【Ｉ 触摸功能的Ｉ ＣＤ Ｐ０ ３１ 屏作为人机接口， ＬＰＣ２１４８ 实现仪器功能命 令输入及测量数 图３ 抽油井液面监测仪硬件结构框图 据和曲线的显示。 ３软件设计与技术指标 软件采用模块化设计‘， 开始 仪器监控程序框图如图４所 确定声迷、计锋环 液ｉ铷 永。主要模块包括系统复位、 系统复位，功能配霞 初始化 深度戍 力恢复值 功能配置与初始化、定时器 初值设定、Ａ／Ｄ采样频率设 设定液面监测时间、开 测毓结果存入ＳＤ ｋ 定、声速处理计算、液面深 时问间隔ｆ［ＩＡ／Ｄ采样频率 度搜索、压力恢复计算、监 ＬＣＤ疆示环窄液面深度 测结果数据存储、屏幕波形 歼，脚动埘回卢、温度 及 力恢复［针Ｉ线 Ｌｎ］放等。整个监控程序在 及套 进行Ａ／Ｄ转换 １ＡＲ公司推出的ＩＡＲ Ｎ ＥＷＡＲＭ ］环境下采用Ｃ语 等待Ａ／Ｄ转换 Ｙ 言编写，ＥＷＡＲＭ是一种专 Ｎ Ｎ 为ＡＲＭ处理器设计的高效 Ａ／Ｄ转换完毕？ 率Ｃ语言编译器，很容易实 Ｙ 现各种复杂计算公式的编程， 读取Ａ／Ｄ转换值 结束 而且能够很方便地操作硬件 接口，最为难能可贵的是它 图４仪器监控程序框图 采用了多级优化技术，具有 很高的编译效率，并且很容易在程序代码中插人中文提示信息。仪器使用者只需按提示进行初始化设置， 仪器进入自动监测状态后，中途不再需要人工干预，减小了人为误差，提高了测量的准确性和可靠性。 抽油井环空液面自动监测仪的主要技术指标如下：环空液面监测深度０～２０００ｍ；最大＿ｒ作压力 ６０ＭＰａ；可测井口套压８ＭＰａ；可测井口温度一４Ｏ～＋６Ｏ℃；连续＿Ｔ作时间７～１０ｄ。 （下转第１ ６Ｏ页） 石油天然气学报（江汉石油学院学报） ２０１ １年９月 ３ 结 语 ＵＶ／Ｆｅｎｔｏｎ法处理对ＨＰＡＭ模拟废水进行降解去除是有效的，对于开发新型的石油 业废水处理 １ 艺有着重要的意义。试验结果表明，该方法基本上可以去除油田污水中的ＨＰＡＭ有机污染物，显示 ｒ诱人的应用前景。在紫外光作用下，室温下，ｐＨ一３，［Ｆｅ。 ］：［Ｈ （）。］一ｌ：１Ｏ，Ｈ （） 浓度为 ６ｍｍｏｌ／Ｉ 时，紫外灯照射３０ｒａｉｎ后，ＨＰＡＭ的降解率能达到９１．５４ 。 ［参考文献］ ｒ１］李金莲，李会，陈颖，等．Ｆｅｎｔｏｎ技术降解ＨＰＡＭ过程中离子影响的研究［Ｊ］．石油炼制与化工，２００７，３８（１１）：２９～３２． 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［１］任建，王平．抽油井动液面回音信号的声速提取方法ＥＪ］．工业仪表与自动化装置，２００８，（５）：６３～６５． ２］陈宪侃，叶利平，谷玉洪．抽油机采油技术［Ｍ］．北京：石油工业出版社，２００４．２４～２６． ｒ：｛］ｒ云琦．采油１二程［Ｍ］．北京：石油工业出版社，２００６．８６～１１０． ｜１］徐爱钧．ＩＡＲ ＥＷＡＲＭ Ｖ５嵌入式系统应用编程与开发［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００９．２１ ２～２２２． ［编辑］ 萧雨
