张乃禄+皇甫王欢+刘选朝+刘峰+翟磊
摘 要： 油井液面动态监测是数字化与智慧化油田的重要内容。针对偏远油井动液面自动连续测量、动液面数据传输与集中计算的问题，研发一种存储式油井动液面监测系统。该系统由井口测量装置和数据处理平台构成，采用STM32F103RET6为动液面测量微控制器，将动液面实时测量值按自定义格式编码处理成数据包，存储到FLASH存储器，并定时导入数据处理平台进行解码、液面计算，从而得到动液面深度及波形。该系统实现了油井液面的自动连续测量，多口油井液面数据比较分析，在数字化与智慧化油田建设中有典型的应用价值。
关键词： 动液面； 存储式油井； 小波分析； 液面计算； STM32； 监测系统
中图分类号： TN931+.3?34； TE33+1； TP277 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）06?0092?04
Abstract： The dynamic monitoring of oil wells′ fluid level is an important content of digital and intelligent oilfield. In allusion to the problems of automatic and continuous measurement， data transmission and centralized calculation of remote oil wells′ dynamic fluid level， a dynamic fluid level monitoring system for storage oil wells is developed. The system is composed of wellhead measurement device and data processing platform. STM32F103RET6 is adopted as the dynamic fluid level measurement micro?controller to encode and process the real?time measurement values of dynamic fluid level into a data packet according to the custom format. The data packet is stored in FLASH memory and imported to the data processing platform at regular time for decoding and fluid level calculation， so that the depth and waveform of dynamic fluid level can be obtained. The system can realize the automatic and continuous measurement of oil wells′ fluid level and comparative analysis of multiple oil wells′ fluid level， and has a typical application value for the construction of digital and intelligent oilfields.
Keywords： dynamic fluid level； storage oil well； wavelet analysis； fluid level calculation； STM32； monitoring system
0 引 言
随着数字化与智慧化油田建设的逐步推进，对油井液面的自动化采集和管理已成为建设“数字化和智慧化油田”的重要内容之一。
目前，偏远油井采用人工现场定期测量动液面，工人劳动强度大、测量周期长、动液面数据无法自动连续测量[1]；部分偏远油井采用基于物联网[2?3]的动液面远程监测系统进行测量，而一般偏远油井所处位置无信号或信号较弱，数据无法正常上传导致测量失败。结合目前偏远油井动液面监测的特点及不足，研发了一种存储式油井动液面监测系统，其由井口测量装置和数据处理平台两部分构成，系统采用存储的方式将动液面实时测量值按自定义格式编码后存储至FLASH存储器，并通过移动存储介质定时导入数据处理平台进行解码、液面计算，得到动液面深度及波形。实现油井液面的自动连续测量、多口油井液面数据的集中计算及比较分析，实用性较强，便于推广和使用。
1 存储式油井动液面监测系统设计
1.1 存储式动液面监测系统构成
存储式动液面监测系统由井口测量装置和数据处理平台两部分构成，如图1所示。井口测量装置将动液面实时测量值按自定义格式编码后存储到FLASH存储器[4]，通过移动存储介质（U盘）将数据包导入数据处理平台，完成对油井液面的自动连续测量、数据包的导出与导入、查看波形、参数设置等功能[5]；数据处理平台主要对移动存储介质导入的数据包进行解码及液面计算，得到动液面深度及波形，并将计算结果存入SQL Server数据库，以网页方式提供显示、查询、设置、控制等功能。
1.2 井口测量装置
本文采用意法半导体（ST）公司出品的STM32F103RET6作为微控制器，融合了数据包导出/导入模块、FLASH存储器（64 MB，可扩展）、OLED显示模块、按键模块、A/D转换模块、声波发生控制模块，构成井口测量装置如图2所示。
该装置采用回声法[6]，当采样时间到或收到测量命令时，微控制器控制声波发生控制模块产生次声波，次声波沿油管和套管之间的环形空间向下传播时，遇到油管接箍、液面等障碍物时发生反射，反射波由井口微音器进行接收，经A/D转换模块处理得到有效的数字信号[7]，按*.wav格式编码后存储到FLASH存储器（64 MB）。一般对同一井场数据7天导出1次，可同时完成多口油井数据的导出，该FLASH存储器至少存储单井3个月动液面数据包。数据包导出/导入模块通过USB与微处理器相接，用户通过数据包导出/导入模块中LCD触摸屏登录，使用触摸按键调用对应线程来实现数据包导出/导入、查看波形、设置参数功能。OLED 显示模块用于对测量时间、设备编号、套压大小等参数进行显示。其*.wav编码格式文件内容如表1所示。
1.3 数据处理平台
数据处理平台包括数据库服务器、监控主机（安装SQL Server数据库）、可连网的电子设备（如PC机、iPad、手机等移动终端）三部分。数据库服务器选用联想TS?540，为动液面监测网站提供数据服务；监控主机选用联想T4900，利用数据处理软件将导入的数据包按*.wav格式进行解码、液面计算，得到动液面深度及波形，并将计算结果、波形数据、系统参数等存入SQL Server数据库；以网页方式提供显示、查询、设置、控制[8]等功能，利用可连网的电子设备在固定网站登录后对动液面深度及波形进行监测。通过了解液面的变化规律模拟出间抽方案，科学合理地安排生产作业，使油井处于最优开采状态，从而提高采油效率。
2 存储式油井动液面监测软件开发
2.1 存储式动液面监测软件组成
存储式动液面监测软件组成如图3所示，采用模块化的思想设计的程序具有可读性好、可移植性强和易于修改的优点，有助于理清软件开发思路，加快开发进程。
存储式动液面监测软件由液面实时测量值采集与数据包存储子系统和液面数据包解码与计算子系统两部分组成。液面实时测量值采集与数据包存储子系统主要完成压力采集、动液面采集、数据编码、数据包存储；液面数据包解码与计算子系统主要完成数据包解码、滤波处理、液面计算，从而得到动液面深度及波形。两个部分在完成不同功能的同时又相互协调工作，最终完成液面数据采集、数据包导出/导入、液面计算等功能，实现了油井液面的自动连续测量、多口油井液面数据的集中计算及比较分析。
2.2 液面实时测量值采集与数据包存储程序设计
液面实时测量值采集与数据包存储软件流程如图4所示，当测量时间到或收到测量命令时，井口测量装置启动测量，系统首先进行初始化，读取设备参数，当电池电压不足时进行充电，然后根据压力传感器所检测套压大小采取不同的爆破方式产生次声波[9]。其反射波由井口微音器接收，经A/D转换模块处理后得到有效的数字信号，按*.wav格式编码得到动液面数据包，若首次测量需先建立以井名命名的文件夹，然后将数据包存到FLASH存储器。该流程可实现多口油井数据的编码及存储，方便数据导出及分析处理。
2.3 液面数据包解码与计算程序设计
液面数据包解码与计算软件流程如图5所示。首先通过数据处理软件将数据包按*.wav格式进行解码，还原出动液面数据；然后选用低通有限脉冲响应（FIR）滤波器对信号中的高频杂波信号进行滤波；最后利用小波分析的多尺度特性[10]，对接箍回波和液面回波特征信号进行提取，得到声波传播速度和液面位置，从而得到动液面深度；计算结果将自动存至SQL Server数据库，以网页方式提供显示、查询、设置、控制等功能。按同样的方法可对多个数据包进行解码及液面计算，实现多口油井液面数据的集中计算，利用可连网的电子设备在固定网站登录后可对动液面深度及波形进行分析比较，同时支持导出与打印。
动液面计算具体步骤[11]为：
1） 确定次声波传播速度。首先，去噪回波信号经小波滤波器组小波变换后得到高频信号分量和低频信号分量，然后对低频信号分量进行FFT变换，从得到的离散去噪回波低频信号分量中提取出基波所处位置的采样点序号[N1]，最后根据公式[v=2×L×N1N×fS]（[L]为一根油管的长度；[fS]为井口测量装置的采样频率；[N]为动液面数据的总采样点数），求取次声波传播速度[v]。
2） 获取动液面回波位置的采样点序号。首先，对去噪回波信号进行多层小波分解直到出现奇异点（动液面回波信号），然后进行小波去噪得到动液面回波位置的采样点序号[N0]。
3） 获取动液面深度，根据公式[h=vN02fS]得到动液面深度[h]。
3 系统功能与特点
1） 动液面自动连续测量。当测量时间到或收到测量命令时，井口测量装置将按设定的参数自动进行测量，无需人工现场进行操作；
2） 数据包导出/导入、查看波形、设置参数功能。数据包导出/导入模块通过USB与微控制器相连，用户通过LCD触摸屏登录，使用触摸按键调用对应线程来实现数据包导出/导入、查看波形、设置参数功能；
3） 大容量存储。按最大采样点数12 000计算，使用16位精度的A/D芯片，井口测量装置使用的64 MB的FLASH存储器可至少存储单井三个月动液面数据包；
4） 动液面数据集中计算及比较分析。通过移动存储介质将井口测量装置中的数据导入数据处理平台进行集中计算、分析，方便油田统一管理。
4 应用效果分析
经液面计算得到的动液面深度、波形数据等自动存入SQL Server数据库，以网页方式提供显示、查询、设置、控制等功能，可在PC机、iPad、手机等移动终端登录固定网站查看测量结果及波形，其监测软件界面显示见图6。可查看单井在一段时间内动液面深度及波形情况，如2017年9月1日—7日“金龙2”井的动液面井口测量值见图6a）、动液面曲线见图6b）。此外，可查看多口油井在同一时间的动液面深度及波形情况，如2017年9月10日23点21分多口油井的动液面井口测量值见图6c）、多口油井的动液面曲线见图6d）。通过对液面的连续监测得到动液面的变化规律，模拟出最直接的间抽方案，从而确定出合理的间抽周期，使油井始终处于最优开采状态，改善工况提高泵效，达到增产降耗的目的。
5 结 论
本文的存储式动液面监测系统采用存储的方式，将动液面实时测量值按*.wav格式编码后存至FLASH存储器，并定时导入数据处理平台进行解码及液面计算，得到动液面深度及波形，实现了油井液面的自动连续测量，解决了偏远油井无信号或信号弱时动液面数据传输的问题。存储式动液面监测系统实现了对多口油井液面数据的集中计算及比较分析，方便油田数据统一管理，在数字化和智慧化油田建设中具有典型应用。
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