采油井中基于ARM多声道两相流流量测量系统

王宝妮

西安翻译学院 陕西 西安 710105

随着国家提倡数字化油田，我国对石油的流量测量技术的要求也更高[1]。目前我国长庆、辽河等油田在采集井下流量信息时，都是将数据采集完成置于办卡内部的FLASH中，在测调仪出井以后将所有数据整体调出然后对数据进行查看[2]。由于注水井都在一些无人区，要求能够在距离井口很远的距离对井下信息进行查看，并针对实时数据进行远程管理，减少人工成本，提升工作效率。

1 油井中两相流测量监控系统介绍

采油井流量监控系统是在采油过程中对气液两相流体流量进行实时监控。本套监控主要选择对井下流体体积进行监控，通过检测及计算流体流量，将此信息发送至服务器。同时在井上制作上位机，将采集到的流量信息绘制成为折线图，实时显示在上位机上。如果流量超标则立即通过以太网发送报警信息并生成报错日志[3]。

2 油井多声道测量流量信息计算原理

2.1 对角式超声波传感器测量原理

本套系统选用三个超声波传感器分别装配在测量管道上的三个位置，保证其处于不同的流层。在管道轴线上看，每一对传感器相互交叉，管壁上每个相邻的传感器沿轴向方向先对角度为60°，同时三对传感器之间测量声道的距离均相等。但是这里也要保证三个传感器安装位置保持一定的距离，从而可以获得介质流体在管道中不同位置的流体速度大小，能够应用在管道内部介质流体状态复杂、同时流速不恒定的流体，然后通过对每一个声道所获得的速度信息进行平均从而得出管道内截止流体流量信息。下图2-1为对角式3声道超声波传感器分布，在设计的中每一对传感器在轴线上的距离是170mm，因此如果需要保证传感器的精度，管道设计至少在550mm以上。

图1 三声道传感器布局图

图2 多声道超声波传感器设计

2.2 多声道超声波计算原理

井下多声道超声波流量测量系统应用了4个传感器，其中A为超声波发射端，剩下三个B1、B2、B3均为超声波接收端。均处于同一平面，同一水平线组建一个三声道超声波测量系统。如图2所示。根据气液两相流流体状态分布，应用三个平面组成信息窗，通过信息窗反应流体流速大小[4]。

由于管道中不同信息窗相较于其直径D所处的位置均不相同，因此确定每一个声道的加权系数，通过对该数值进行积分能够得到对应两相流流量Q：

式中：ui为各个声道上的流速；wi为各声道上的流速加权系数。因此多声道流量测量模型计算方法为：

3 油井中流量监测系统方案

本系统平台实现功能有：通过多声道超声波传感器进行流量信号采集、内部ARM芯片对流量信息进行计算、通过当前时间日期将ARM计算后的流量信息存入SQlite3数据库中，服务器应用TCP协议与该数据库进行交互，获取当前数据库中的信息，将该信息发送至Web当中。这里设置流量阀值，当流量信息出现异常时产生报警日志。

同时现场样机上，设置有一个LCD屏幕，可以实时显示当前流量信息，同时调取数据库中存储数据。通过不同日期绘制出柱状图、折线图在该屏幕上。该系统整体方案如图3所示。

图3 油井中流量监控方案设计

3.1 CPU 控制系统

本系统搭载了三星4412开发板，该处理器内部采用了Cortex-A9为核心，同时集成了多种优越性能的图形处理引擎，能够保证图像正常运行，可播放最大分辨率为1080P的高清图像，完全兼容Linux等诸多高级内核系统，目前已经大量装载到众多物联网系统设备、智能玩具车、智能游戏机、物联网家具等。

4 采油系统软件设计

该采油监控系统内部软件分为两大部分，一是井下对数据进行采集并计算，二是通过数据传输，将采集到的信息传输给三星4412开发板。其中第一类需要进行超声波时差信号流量计算、数据打包传输。第二类需要对获得的信号进行存储、同时打包当前数据并发送到HTML网页上与网络WEB服务器中，并通过交互的方式绘制流量信息等曲线，将其显示在LCD屏幕上。

4.1 主程序设计

本套采油系统工作时遵循下一程序步骤。首先对系统进行初始化操作，其中包含Socket通信套接字的创建、客户端与服务器端口之间的绑定、对井下板卡串口通信进行初始化、数据库的创建、多线程建立。该系统中创立了两个线程。主线程通过读取对井下数据进行读取，防止其他线程干扰，将所获取的数据线程进行枷锁随后将其存入数据库中，最终通过WEB网络协议将其发送至服务器中。第二个线程主要控制LCD屏幕显示目前数据界面，同时通过屏幕上现实的用户指令进行历史数据查询、当前数据规律、总采油量多少等方面操作。其运行结构图如图4所示。

图4 流量计检测显示平台

4.2 UI 界面显示

从数据流的角度出发，整体数据需要分为测井基本信息、目前传感器下入深度、以及当前采集信息状况。这些井下信息需要实时上传至井上界面，同时井上也通过设定固定波特率、对串口选择、以及清楚之前数据。

5 实验设计

本套超声波流量计是应用于室内常温常压条件下进行的，由于井下石油流体含有固体颗粒、水、气体等混合物，因此在管道内加入一定比例的砂砾、膨润土、润滑剂等进行配置搅拌均匀，实验室内调节螺杆泵来控制其频率，调节螺杆泵转速进而调节流体的流速大小。在竖直管道上找到Z字型位置进行超声波流量计探头安装，在安装位置的前面需要前置当前测量管径10倍的长度，及其后方预留10倍的距离，能够有效减少弯管与法兰接口。传感器安装完成以后，按照原来的方向进行循环实验。在实验过程中，通过调节螺杆泵改变管道内流体流速，进行多次测量同时将当前超声波流量测量数据与电磁流量计测量数据进行比对，最后进行数据的处理与结果的分析。其在50HZ螺杆泵测量频率下测量输入如下表1所示。

表1 螺杆泵频率为50HZ时的测量值以及误差统计

由表1可知，螺杆泵在50Hz时，其超声波流量整体误差比较低，其误差在%2以内，因此通过此数据测量井下采油流量大小有非常好的依据。

6 结束语

本套超声波采油系统选用了单片机作为超声波信号采集，并进行计算，最终误差控制在2%以内。其中在螺杆泵频率达到50Hz时，其效果最为理想，同时相比于其他压差式、涡街式流量计高误差问题，可以断定该系统应用于高速流管道时，有很大使用前景。在获取数据以后，采油井中流量监控系统选用了三星ARM 4412高性能芯片做为核心处理器，内置Linux系统，应用了数据库技术、串口通信、Frambuffer和输入子系统、网络通信技术，通过多声道传感器算法原理对井下流量信息进行实时监控。因为该系统是嵌入式微控制器开发，所以该系统能够对上面的诸多功能进行增删，拥有非常好的扩展性。伴随着数字化油田的提出，该系统会普遍应用于流量检测领域。