基于LABVIEW 的油井动液面在线监测系统设计

艾 信，白文雄，田殿龙，王佳伟

（1.长庆油田分公司 油气工艺研究院，西安710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018；3.长庆油田分公司 机械制造总厂，西安710201）①

在油田开发中，传统动液面测试方式工作量大，测试过程存在一定安全风险，同时测试成本较高，测试效率低下，动液面数据采集频次较低，常规井每月2次，无法及时掌握液面变化情况及生产动态，也无法为后期智能油田大数据分析提供数据支撑。同时，从油井IPR曲线可以看出，随着停井时间的延长，油套环空中的液面不断上升，井底流压也逐渐上升，上升到一定程度，油井采收率反而下降；油井常开，井底流压逐渐变小，减小到一定程度，油井采收率也呈下降趋势。对于低产低效井，油井间开可有效提高生产效益，但间开制度的优化缺乏科学准确的数据支撑。油井测压一般采用存储式压力计尾管测压方法，需要起下油管柱组合两次，费时费力，测试成本较高，油井动液面也可反应井底压力变化，可根据动液面变化获得油井地层压力。因此，研究油井动液面在线连续监测系统，对油田生产具有重要意义。

1 油井动液面在线监测系统的关键技术

1.1 声波

声波（Sound Wave 或Acoustic Wave）是声音的传播形式。声波是一种机械波，由物体（声源）振动产生，声波传播的空间就称为声场。在气体和液体介质中传播时是一种纵波，但在固体介质中传播时可能混有横波。声音一般分为次声波（0～20 Hz）、音频声波（20 Hz～20 k Hz）以及超声波（20 k Hz以上）。其中音频声波与超声波波长较短，频率较高，传输距离较短，次声波波长较长，频率较低，容易发生衍射，不易被固体、液体等阻挡吸收，传输距离较远。因此，本文所设计的液面在线监测系统就是依据次声波原理。

1.2 回声法测量液面原理［1-5］

1.2.1 音速法液面测量

当回声信号采集噪声较大时，一般设定音速，然后通过采样间隔时间与液面波对应数据采集点数，计算出液面回波的时间，进而求得动液面的高度。

动液面h=（n tjv）／2，其中tj为采样间隔时间，n为液面波对应的采样点数，v 为所设定的音速，h为动液面值。

1.2.2 音标法液面测量

为了更准确地计算声音在套管里的传播速度，一般将音标安装至井下一定距离，通过液面回声信号序列，可求得音标回波传至井口的时间，以及液面波传至井口的时间，进而可求得动液面的高度。

动液面h=（h1t）／t1，其中h1为音标安装深度，t1为音标回波对应时间，t为液面回波对应时间，h为动液面值。

1.2.3 接箍法液面测量

将液面回声序列做带通滤波处理后，得出接箍波序列，由接箍波可求出声音在套管里的传播速度。然后在使用音速法可准确求得动液面数据。

1.3 回声法动液面在线监测关键技术

1.3.1 动液面连续监测装置设计［6-7］

目前，油田所用动液面手动测量装置一般分为2种，一种是火药声弹枪，主要由击发装置、弹膛组成，通过击发子弹，利用爆炸产生的高压气体，实现声波信号发射。但子弹爆炸具有一定危险性，存在安全隐患；另一种是气枪式装置，将高压气体加入气枪，瞬间释放高压气体，产生次声波，此方法自动化程度低，难以满足常年连续不断的测量任务。

对此，本文提出如下解决方案，使用套管气作为声发射源，微型气泵进口连入套管，出口连接储气瓶，将储气瓶加压至1.0 MPa，打开电磁阀，瞬间释放储气瓶内气体，形成次声波源，其组成如图1所示。

对于套压大于0.3 MPa油井，直接打开电磁阀，瞬间释放套管气，产生声波，其组成如图2所示。

1.3.2 回声信号放大滤波技术［8-9］

微音器将井下采集的回声信号序列转换为毫伏电压信号，因此需要做小信号放大电路，将毫伏级的电压信号转换为±5 V 的电压信号，便于后续信号处理。同时，井况异常复杂，回声信号容易引入各类噪声干扰，因此需要制作滤波器，实现回声信号降噪处理。

1.3.3 回声信号算法处理

回声信号序列一般包含接箍波序列与液面波序列，因此需设计12～100 Hz带通滤波器，提取接箍波序列；设计0～12 Hz低通滤波器，提取液面波序列。对于接箍波序列，使用循环寻极值算法，求得声音在套管里的传播速度；对于液面波序列，使用寻极大值算法，找到液面波对应时刻，最终可求得动液面值。

图1 低套压动液面连续测量装置

图2 高套压动液面连续测量装置

2 基于LABVIEW 的动液面在线监测系统设计

LABVIEW 具有较多的信号处理、算法设计、报表以及第三方数据采集驱动工具包，可为用户提供灵活的G 语言编程设计平台，开发效率极高，系统稳定性较好。本文利用LABVIEW 虚拟仪器设计开发动液面连续监测平台，实现油井动液面在线连续监测。

该系统通过微音器读取回声信号序列，制作信号放大器和100 Hz低通滤波器，然后由数据采集卡采集滤波后的回声信号，把数据传入电脑虚拟仪器LABVIEW 系统，使用G 语言编程，实现低通滤波器与带通滤波器，采用快速傅里叶变换算法，求得动液面数据。其信号处理系统如图3所示。

图3 动液面在线监测信号处理系统

2.1.1 动液面在线监测系统硬件设计

1） 小信号放大电路。

发声装置发出声波后，需要通过微音器接收回波信号，转换后的电信号比较微弱（8 m V 以内），故将信号通过放大电路进行放大，以便于后续处理。选用一款低噪音、低失真的仪器仪表运算放大器。该运算放大器在较大范围的增益内能实现宽的带宽和良好的动态反应。小信号滤波放大电路如图4所示。

该放大电路放大倍数取决于可调电阻R203的阻值，放大倍数N=1+10 000／R203，选取R203=40Ω，小信号放大251倍，使其处于±2 V 范围内。

2） 回声硬件滤波电路。

由于油井井况异常复杂，油套环空存在蜡状油污，井下回声波信号较为复杂，存在一定程度高频杂波信号，为了较清晰地辨识回声波，因此需要设计低通滤波器电路。选用8阶椭圆滤波器芯片，这是一款低通滤波器，可依据数据采集卡输出时钟设置截止频率，如图5所示。

图4 小信号滤波放大电路

图5 回声硬件滤波电路

考虑到有用回声信号频率集中在0～100 Hz，因此采用数据采集卡发出5 k Hz时钟信号，得到该滤波电路的截止频率fc=5 000／50=100 Hz。

3） 数据采集卡

数据采集卡，如图6所示，主要具备采样频率、AD 转换精度、输入量程和数据分析等特性。依据奈奎斯特采样定理［1］可知，采样频率大于等于2倍最大信号频率。在实际信号处理系统中，采样频率一般选择信号最大频率的5倍，故该系统设定采样频率500 Hz。

2.1.2 动液面在线监测系统软件设计

1） 初始化子程序

上位机监控平台向数据采集卡发送采集命令时，可以对数据采集卡采样时钟、采样频率、触发方式、通道、量程变换等参数进行设置。

2） 数据采集子程序

上位机触发数据采集卡采样后，数据采集卡依据内部硬件时钟进行实时采样，并不断读入LABVIEW 系统中。

图6 数据采集卡

3） 滤波子程序

首先，使用MATLAB小波变换工具箱，将接收到的声波信号采用小波变换实现数字滤波；其次对该信号序列实现基波查找，采用LABVIEW 设计带通滤波器BPF（12～100 Hz），得到接箍波序列；最后设计低通滤波器LPF（0～12 Hz），得到液面回波序列。

4） 动液面算法子程序

利用LABVIEW 调用MATLAB 脚本节点，对于液面回波信号序列，使用快速傅里叶变换等技术处理后，然后自动选择接箍算法、音标算法、声速算法，最终求得实际油井动液面值。

5） 控制电磁阀和气泵子程序

对于套管气较大的油井，LABVIEW 驱动数据采集卡，打开电磁阀，释放套管气；对于无套管气油井，LABVIEW 驱动数据采集卡，首先控制微型气泵工作，不断往储气瓶内充气，接着打开电磁阀，释放储气瓶内气体，形成次声波源。控制声波发生装置组成如图7所示。

图7 控制声波发生装置组成

3 现场试验及测试数据比对［10-15］

基于以上系统设计，完成了油井动液面连续监测装置的设计，并生产样机10套。分别安装于长庆油田分公司采油厂，进行了工业性试验。将测试试验数据与井下存储式压力计测试数据对比分析，其测试结果比较准确，动液面值误差在±5 m，能够较好地应用到生产实际中。

3.1 油井动液面连续监测试验

对化114-29油井安装油井动液面连续监测装置3 h，每隔30 min测试1次动液面数据，得到数据如表1。

表1 化114-29井试验数据

对罗41-20油井安装油井动液面连续监测装置3 h，每隔30 min测试1次动液面数据，得到数据如表2所示。

表2 罗41-20井试验数据

3.2 低产低效井智能间开试验

选择在采油厂已安装有液面装置的16口油井，开展智能间开控制测试，每口井自动采集6 次／d。实施后平均单井日产液量由2.3 m3／d增加到2.56 m3／d，平均开井时间由24 h／井下降到10.5 h／井，单井日平均耗电量由60.1 k W·h 减少到40.7 k W·h。测试数据如表3。

4 结论

1） 该系统由数据采集卡取代了传统的模拟滤波器和微控制器，克服了传统测量系统的缺点，开采效率明显提高。为油井的动液面深度测试提供了可靠、准确、自动化程度高的测试手段。

2） 系统利用LABVIEW 平台强大的信号处理能力，设计调用两个滤波器，分别得到接箍波和液面波。进一步分析采集数据的特点，研究信号处理的方法，得到声波在油管中的传播速度。再对液面波进行差值比较分析，确定液面回波的位置，最终计算出动液面值。

3） 采用套管气作为声发射信号源，不用高压气瓶／空气／火药，安全且便于自动化控制。

4） 设计友好的人机交互界面，控制系统编程方便，参数设置灵活，并且能进行数据的远程传输。

5） 利用所测得的动液面值，可实现油井间开。也可以通过与抽油机变频器的连接控制，将抽油机工作冲次调整至油井动液面所需的冲次，最大限度地发挥抽油机的工作效率，进而提高油井系统效率。

6） 利用油井动液面连续监测装置，代替传统 存储式压力计测压方法，测试效率大幅提高。

表3 低产低效井智能间开试验数据