基于地磁感应的柱塞到达传感器设计

李驰 李锐

收稿日期：2023-09-27

基金项目：国家自然科学基金项目（61572084）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.06.033

摘  要：柱塞到达检测是柱塞气举排水采气工艺的重要组成部分。针对传统柱塞到达传感器易受油管振动影响产生漏检而导致气举井生产效率偏低的问题，提出一种基于地磁感应的柱塞到达传感器设计方法。该柱塞到达传感器以STM32微处理器为核心，通过采集地磁传感器RM3100传送的数据，经过滑动平均滤波后采用自适应阈值算法判断柱塞运动状态，最后输出柱塞到达信号。实验室测试及实地应用表明，该柱塞到达传感器检测精度高，运行稳定，在柱塞气举排水采气工艺中具有一定的实用价值。

关键词：柱塞气举；柱塞到达检测；地磁传感器；滑动平均滤波；自适应阈值

中图分类号：TP212.9；TE35  文献标识码：A  文章编号：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

天然氣井在生产后期井底会堆积液体，需要及时将井底积液排出，才能维持天然气井的正常运行，柱塞气举排水采气工艺是针对产量低、产液量高的作业井的主要采气技术[1，2]。柱塞作为井底气体与液体的物理分界面，依靠气井自身能量对柱塞进行举升，从而将井底积液排出，柱塞到达信号检测是柱塞气举排水采气控制系统中的重要一环。在实际生产过程中，受检测方法及井底环境的影响，传统的柱塞到达传感器并不能对到达时间进行准确、实时而稳定地判断。因此提出一种基于地磁检测的到达传感器，通过捕获磁性目标扰动地磁场所产生的磁异常信号，实现对柱塞到达的检测，区别于传统的柱塞到达检测，本方法检测精度高，且功耗低、更稳定、环境适应性好，此外，其检测灵敏性高，同时能获得柱塞运动瞬时速度等参数用于其他方面的研究。

传统的柱塞到达检测方法如红外光电检测法，对红外探头要求较高，需保持探头无污垢，探头附着上污垢后会对测量精度产生偏差，而井内环境复杂，难免会发生上述情况，导致检测装置失效。超声波检测法只能应用于油管内部检测柱塞，对于现场应用中安装不方便，且由于柱塞上行过程中气体上窜会生成大量气泡，造成超声波散射现象，另外油管内部空间小容易产生声波折射，更加增添了检测难度[3]。电感式接近开关检测技术以及磁性接近开关检测技术都具备检测导磁金属的能力。当柱塞接近时，信号会发生变化，从而达到检测的目的[4]。但传感器本身的频率响应不高，不适合快速动态测量。加速度传感器多用于高频振动检测，随着开井后井底压力推动柱塞不断上升，柱塞越来越接近井口，油管振动就会越来越明显，根据信号的振动强度来判断柱塞是否已到达[5]。但加速度传感器对运动太过敏感，一般的加速度传感器噪声特别大，特别是加速度传感器噪声和抖动在相同数量级时，将导致累计方向误差[6]。

基于地磁感应的柱塞到达传感器通过捕获磁性目标扰动地磁场所产生的磁异常信号，实现对柱塞到达的检测。该柱塞到达传感器以STM32微处理器为核心，通过采集地磁传感器RM3100传送的数据，经过滑动平均滤波与自应阈值算法处理后，输出柱塞到达信号。该传感器检测精度高，且更稳定、安装便捷。

1  地磁检测原理

地球本身具有一个较弱的天然磁场，称为地磁场。在没有外界干扰的条件下，一定区域内的地球磁场强度基本上恒定不变，维持在0.4～0.6 Gs之间[7]。在这个范围内，经过的铁磁物体会引起磁场中磁感应强度发生变化，进而导致这部分的磁场强度发生变化，使磁场发生扰动，扰动的大小与铁磁材料的性质、大小以及质量有关，不同的铁磁材料引起的扰动不同，地磁传感器能够测量连续变化的磁场信号，并根据变化幅度来判断是否有铁磁物体通过此区域。柱塞在油管内部需要不断进行上行、下落运动，工作负荷量较大，所以柱塞在设计过程中多采用高强度、耐腐蚀的金属材质，因此可以通过检测区域前后磁场的改变，进行柱塞到达实时检测[8-10]。

2  硬件设计

如图1所示，基于地磁感应的柱塞到达传感器主要的功能包含信号采集、数据处理以及数据传输，设计的柱塞到达传感器由四部分组成，分别为信号采集模块、主控模块、供电模块和通信模块。

图1  硬件总体框架图

首先将地磁传感器采集到的数据传输到STM32F103ZET6模块，在STM32F103ZET6模块中对数据进行处理与判断，再以满足无线传输所需的数据帧格式进行排列。通过RS485模块进行格式转换后，控制信号可以通过4G模块进行无线传输。最后将编辑完成的数据记录在存储模块中。

2.1  信号采集模块

柱塞到达传感器以PNI公司的RM3100地磁传感器为感知单元，RM3100由2个Sen-XY-f地磁传感器、1个Sen-Z-f地磁传感器和MagI2C控制芯片组成，能实现三维空间的磁场大小测量，非常适合需要精确测量磁场强度的应用场景，RM3100通过SPI接口与STM32微处理器相连，实时将三轴数据传送给主控STM32，如图2所示。

图2  SPI接口的RM3100

2.2  主控模块

以STM32F103ZET6微处理器作为柱塞到达传感器的主控单元，STM32F103ZET6微处理器提供了丰富的外设：112个IO口，512 KB的FLASH，64 KB SRAM。主频高达72 MHz，32位高性能ARM Cortex-

M3处理器，足以承担该传感器设计需求。

2.3  供电模块

供电方式选择太阳能供电，供电系统由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池和电压转换模块组成，太阳能控制器能对蓄电池进行充放电，防止蓄电池充电过度，当夜晚来临时反向充电，维持整体供电所需。电压转换模块能将太阳能电池板的直流电压转换为5 V的直流工作电压，确保柱塞到达传感器中各组成部分的正常工作。

2.4  通信模块

当捕获到柱塞到达信号后，传感器会以方波的形式输出一个开关量信号，为了方便现场调试与远距离接收，通信部分采用了两种方式：一是有线串口通信以及基于4G Cat.1通信模组FS704UM的无线通信模块。有线串口通信采用CH340芯片，以TTL转USB的形式将串口数据传输给电脑端的调试助手。传感器是安装在油管上的，与工控端相隔较远距离，因此该系统也配备了无线通信模块，采用485串口通信，通过4G传输的形式将信号实时传输给工控端。

3  软件设计

3.1  滑动平均滤波算法

柱塞到达信号的准确检测是实现柱塞气举有效控制的基础，但传感器在采集信号的过程中会受到各种噪声的干扰，例如搭载磁传感器的电路板以及周围其他金属对磁场的影响，传感器受制作工艺影响，也会存在一定噪声信号。为有效地消除背景噪声和毛刺现象，在对传感器数据进行处理之前，需要对原始的数据进行预处理，这里采用的是滑动平均滤波算法。如图3的三条曲线即为地磁传感器RM3100的XYZ三轴检测到的磁场强度，经过分析可得在柱塞未到达之前，磁场强度稳定在一个基值附近，当柱塞到达时，各轴数据都会发生一定程度的变化，但受柱塞运动方向的影响，从图3中也可以看到Z轴变化最为明显，因此以Z轴的数据用来进行检测最为合适。

图3  传感器三轴数据变化

3.2  自适应阈值柱塞到达检测算法

在传统的阈值检测算法的基础上进行改进，就可以得到自适应阈值柱塞到达检测算法，这种算法可以不断地更新磁基值，有效地解决受外界温度、电路磁化等因素的影响导致基值浮动的问题。因此在没有柱塞到達时，地磁传感器采集磁场信号用于更新基准值，在有柱塞经过时，地磁传感器采集磁场信号用于判断柱塞是否到达。如图4所示，具体算法判断步骤如下：

1）在输入滤波数据的基础上计算基准值，取100个数据为一组计算出磁场信号的平均值A为基准值，再计算出这组数据的最大值Qmax与最小值Qmin，将二者之差Qdel作为波动的范围，为了数据波动的普遍性，以A ± 1.2Qdel作为浮动阈值上下限a和b。

2）设突发信号的幅值为k，当k＞a时，认为柱塞预到达。

3）若k＞a，则开启定时器记录时间Tin，若记录时间Tin超过阈值Tth，则判定柱塞已到达，发送方波信号，并记录柱塞到达时间。若不超过阈值Tth，则认为是数据波动，继续认定为柱塞预到达。

4）当k＜b时，认为柱塞预离开。

5）若k＜b，且定时器记录时间Tout超过阈值Tth，则判定柱塞已离开，柱塞到达次数加1且记录柱塞离开的时间。若不超过阈值Tth，则认为是数据波动，继续认定为柱塞预离开。最后变为无柱塞到达状态，基准值更新。

图4  算法流程图

4  实验测试

准确测量柱塞到达气举井口的时间是柱塞气举井控制的关键。柱塞到达传感器性能测试实验在长江大学石油气举实验基地多相流实验平台和柱塞气举动态模拟实验装置中进行，如图5所示。实验平台能够进行油、气、水等多种流体实验，本实验设置为：0°～90°倾角、常温0～90 ℃，常压0～0.8 MPa、液体流量0～-500 m3/d，流体粘度0～1 000 mPa.s、气体流量0～50 000 m3/d。

图5  实验场景

为了分析柱塞到达传感器的精确性，将依托其测得的柱塞到达时间与高速摄像头拍摄到的到达时间进行对比。实验过程中充分考虑油田现场情况，针对不同井底压力、不同管柱倾角下的柱塞到达时间进行了测试，从表1中数据可以看出，在井底压力为0.2 MPa的条件下，误差在可接受的范围内，在0.4 MPa、

0.6 MPa的条件下，实验结果也相差不大。

表1  井底压力为0.2 MPa下的实验数据

井底压力/MPa 节流阀开度/° 倾角/° 传感器测量到达时间/s 高速摄像头测量到达时间/s 误差/%

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  应用测试

如图6为传感器实物图，现场测试在新疆吐哈油田，采取开井2小时，关井1小时的柱塞制度，与传统的人工记录进行对比。在测试的2021年7月1日至31日，以每24小时为一个时间段进行计数，与人工计数柱塞到达次数相比，柱塞到达传感器识别柱塞到达次数准确率可达100%。且传统的人工计时浪费人力，不利于后续柱塞气举自动化开发。由于柱塞气举运行周期较长，传感器大部分时间都处于闲置状态，因此传感器后续可进行硬件和软件方面的低功耗优化，选择具有低功耗模式的元器件，以及为实现及时切换低功耗模式而设计新的检测算法。

图6  传感器实物

6  结  论

完成了基于地磁感应的柱塞到达传感器的设计，相较于传统的柱塞到达传感器，基于地磁感应的柱塞到达传感器供电方便、灵敏度高、抗干扰能力强、识别准确。实验测试证明，本文设计的柱塞到达传感器与传统人工记录数据差别较小，识别度高，在测试的一个月内没有出现异常，因此本文设计的传感器具有良好的应用前景。

参考文献：

[1] 李锐，蔡昌新，李勇，等.多模式优化下的柱塞气举排水采气控制系统设计 [J].石油钻采工艺，2016，38（5）：673-677.

[2] 师浩文，刘捷，罗威，等.棒状柱塞气举液体漏失模型研究 [J].西安石油大学学报：自然科学版，2022，37（1）：101-106+136.

[3] 兰羽.具有温度补偿功能的超声波测距系统设计 [J].电子测量技术，2013，36（2）：85-87.

[4] 杨家俊.高可靠性电感式接近开关的实现 [D].扬州：扬州大学，2022.

[5] 刘宇，鞠文斌，刘羽熙.加速度传感器的检测应用研究进展 [J].计量与测试技术，2010，37（10）：24-25.

[6] 向威.天然氣井气举装置中柱塞传感器的研究 [D].武汉：武汉工程大学，2016.

[7] 潘启军，马伟明，赵治华，等.磁场测量方法的发展及应用 [J].电工技术学报，2005（3）：7-13.

[8] 彭宏伟，周璇，彭宇，等.基于RM3100磁传感器的车位占用检测装置设计 [J].物联网技术，2022，12（5）：37-40+43.

[9] 罗静博，林春生，陈浩.基于RM3100磁传感器的舰船磁场信号采集系统设计 [J].传感器与微系统，2021，40（2）：86-88.

[10] 黄泽江，卜雄洙，丁岳峰，等.基于磁传感器的道路车流量检测方法研究 [J].国外电子测量技术，2019，38（11）：66-70.

作者简介：李驰（1998—），男，汉族，湖北荆门人，硕士在读，研究方向：油气田自动化控制。