基于热示踪法的井下流量测量系统设计

赵丽华 韩 建

(东北石油大学电子科学学院，黑龙江 大庆 163318)

基于热示踪法的井下流量测量系统设计

赵丽华 韩 建

(东北石油大学电子科学学院，黑龙江 大庆 163318)

根据热示踪方法的流量测量原理，采用C8051F360单片机、热源发生器及温度传感阵列等器件，设计一种基于热示踪方法的井下流量测量系统。该系统利用热源发生器对井下流体加热，当加热的流体经过传感器阵列时即可根据热示踪方法测出油水两相流的流量，并将数据传输给由LabVIEW设计的井上上位机系统，实现了井上地面计量站对井下数据的实时监控，解决了井下流量测量难、实时监测难、数据量大的问题。

流量测量 热示踪 热源发生器 LabVIEW

油井流量测量是油田生产管理中的重要环节。随着大部分油田进入开发中后期，低产井数量逐渐增多，及时准确地获得油井流量不仅可以掌握油藏状况，而且对生产方案的制定具有重要指导意义[1，2]。油田中现在常用的油井流量测量仪器有皮球集流型仪器、布伞与套管及涡轮流量计等，它们在实际应用中具有一定的适应性，但又各自存在着缺点。皮球集流器密封性较好，测低流量时灵敏度较高，但耐温差、下井成功率较低。布伞与套管内壁密封较好，在全集流时灵敏度高，但每下一次井必须更换伞布，操作复杂[3]。而涡轮流量计精度差，且当待测流体粘度大时敏感元件涡轮容易停转[4，5]。针对以上问题笔者设计了一种基于热示踪方法的井下流量测量系统，该系统通过测量脉冲热流体经过固定距离传感器阵列所用的时间间接测量流体流量。

1 总体方案①

下流量测量系统主要利用热源发生器加热流体产生脉冲热流体，当脉冲热流体运动经过温度传感器阵列时，流体的温度差引起传感器的信号突变，形成标记脉冲。系统通过测量标记脉冲出现的时间即可确定流体的流速，进而获得流体的流量[5，6]。井下流量测量系统的结构如图1所示。

图1 井下流量测量系统结构示意图

井下流量测量系统的下位机由热源发生器、温度传感器、电容器模组及温度采集模块等构成。电容器模组存储热源发生器所需的功率，当热源发生器加热流体后，流体流进上游温度传感器形成具有检测标记的脉冲热流，当热流经过下游温度传感器时，即获得流体温差脉冲，从而获得流体流速。利用温度采集模块实时采集两路温度传感器的数据，并将采集的数据传输到上位机中。上位机采用LabVIEW软件编程设计，对数据进行实时跟踪显示，绘制出时间温度曲线，并将数据存储在数据库中的系统软件中，同时可实现下位机工作的控制。

单片机采用C8051F360，主要用来控制电容器模组和数据采集。单片机控制电容模组充电，当电容器模组充电完成后即控制热源发生器加热流体(电容放电)，当电容放电完成后，单片机控制温度采集器采集温度，同时将采集的温度上传至上位机。

2 系统的硬件组成

根据上文所述，井下流量测量系统的硬件结构由电容器模组、电源模块、热源发生器、温度采集电路、通信模块和主控模块构成。

由于测井电缆上允许通过的最大电流为0.5A，因此不能直接提高测井电缆上的电流为热源发生器提供所需功率。在此笔者设计了由20个2.5V/4.7F超级电容串联生成的电容器模组，利用电容器模组的瞬时放电功能为热源发生器提供低压直流电源，从而实现对热源发生器电加热。

在整个系统中共有4处需供电：单片机+5V供电、AD芯片和运算放大器OP07±5V供电、MAX485总线通信+5V供电和电容器模组50V供电。其中电源电压为50V，可直接为电容器模组供电，其余均采用DC-DC模块48S05将50V电源电压转换成+5V，一路直接为单片机供电，一路用05S05电源隔离模块将MAX485电源隔离，另一路用05S+-05模块输出±5V电源给AD芯片和运算放大器OP07供电，电源电路设计如图2所示。

热源发生器是流量测量系统的核心部件，主要控制电容器模组的充放电从而实现对井下流体的加热，因此热源发生器的工作性能直接影响液体流量测量的精确度和准确性。热源发生器电路利用脉冲方式控制光耦开关，利用三极管的开关作用控制电容的充放电，根据AD采集的电容和电热丝两端的电压值判断电容器模组的充放电。热源发生器电路设计如图3所示。

图3 热源发生器电路

温度传感器采用的是铂热电阻Pt1000，它的阻值随着温度的上升呈线性增加。在本系统中采用惠斯顿电桥的分压电路(图4)实现温度的测量。

温度采集电路选用AD620，因其具有增益值大、漂移电位低等特点，可以合理有效地放大惠斯顿电桥输出的微小变化信号。同时采用OP07对前段采集的温度信号进一步放大，并将放大后的温度信号送入片内10位AD转换器，温度采集电路如图5所示。

图4 惠斯通电桥分压电路

图5 温度采集电路

在实际应用中需将井下采集的数据发送到井上上位机显示，而通信距离较远，因此本系统的数据传输采用MAX485通信，因为485总线具有通信距离长、可以带多个设备同时工作等特点，适合在井下数据的传输中使用。通信模块电路如图6所示。

图6 通信模块电路

采用C8051F360作为主控单片机，主要完成系统的控制、数据的采集及传输等功能。

3 系统软件

系统的整体设计思想是基于热示踪方法实现对井下液体流量的测量，通过对井下液体进行加热，并根据流体的温度参数确定流体经过固定距离的时间，进而实现井下流量的测量。首先系统要完成初始化，然后对电容器模组进行充电，当AD采集到高电平时停止对电容器模组充电同时电容器模组开始对井下液体进行加热即电容开始放电，否则继续充电。当电容器模组开始放电时，温度采集器也开始采集温度，将采集的温度上传至上位机，并控制电容器模组再次充电准备下次测量。软件设计流程如图7所示。

图7 软件设计流程

4 开发界面设计

系统的上位机界面采用界面友好、框图清晰的LabVIEW软件设计完成。上位机前面板设计如图8所示。通信串口可选择串口号COM1、COM4或ASRL1等，根据实际通信的串口选择；串口通信波特率选择9 600；当开关键按下时Pt1000 AD采样主要显示温度传感器的采样电压值；温度变化波形图表主要显示时间和温度传感器采样的电压值之间的关系曲线，通过两个电压峰峰值的时间差，即可获得井下液体的流量。

图8 上位机前面板

5 结束语

针对井下流量测量存在的问题，设计了一种基于热示踪法的流量测量系统。该系统利用热源发生器加热流体产生脉冲热流体，通过传感器阵列检测热流体形成的流体温差脉冲，测量脉冲热流通过固定距离传感器的时间实现了流体流量的测量，并将数据传输至上位机，实现了对井下流量的实时监控。该系统在现场油井测试中，具有很好的可靠性和准确性，且不受井底泥沙和流速的影响，具有很好的适应性。

[1] 关松.基于ANSYS的高精度涡轮流量计设计[J].化工自动化及仪表，2014，41(9)：1012～1015.

[2] 岳宗坤，李光春，付国光，等.“田”字网络型油田计量体系及策略[J].中国计量，2007，(2)：30～31.

[3] 朱亮，王先鹏，袁再林，等.电导传感器测量油井流量与含水率[J].价值工程，2010，29(3)：42～43.

[4] 刘均，邹彦艳.基于压差测量的注水井分层流量测量技术[J].化工自动化及仪表，2015，42(6)：638～640.

[5] 赵娜.热示踪法测量低产液水平井流量方法的研究[D].大庆：东北石油大学，2011.

[6] 刘彦昌，刘得军，姜卫岐，等.基于热示踪法的低产液井流量测量误差分析[J].电子测量与仪器学报，2014，28(11)：1242～1247.

2016新疆国际石化、化工技术装备展览会

展会时间2016年10月21～23日展会地点新疆国际会展中心

本次展会的展览内容有石油与化工成套装置和技术设备(石油天然气/煤化工/氯碱/盐化工/化肥/精细化工)；油气、化工管道建设工程技术和设备；锅炉/压力容器/反应设备；塔器和传质设备；传热、制冷、通风设备；流体机械技术与设备(管道/泵/阀)；DCS、PLC控制系统；储存、运输技术设备；工业防爆产品等。

承办单位新疆世华融泰会展服务有限公司

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邮编830013

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电话0991-3091508传真0991-6686847邮箱mylxqi@sina.com

DesignofMeasurementSystemforDownholeFlowBasedonThermalTraceMethod

ZHAO Li-hua, HAN Jian

(CollegeofElectronicsScience,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

Basing on thermal tracer method-based flow measuring principle, having C8051F360 MCU, heat generator and temperature sensor array employed to design a downhole flow measurement system was implemented. The system can heat both oil and water there through heat generators and measures its flow rate when the heated oil and water fluid flows through the sensor array, and then the data can be transmitted to the LabVIEW-based host system so that metering station on ground can monitor the downhole data at real time. In this way, the difficulty in measuring and monitoring downhole flow and data can be solved.

flow measurement, thermal trace, heat generator，LabVIEW

2016-01-22(修改稿)

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12531085)

TH814

A

1000-3932(2016)07-0743-04