李馳 李銳

收稿日期：2023-09-27

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（61572084）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.06.033

摘? 要：柱塞到達檢測是柱塞氣舉排水采氣工藝的重要組成部分。針對傳統(tǒng)柱塞到達傳感器易受油管振動影響產(chǎn)生漏檢而導(dǎo)致氣舉井生產(chǎn)效率偏低的問題，提出一種基于地磁感應(yīng)的柱塞到達傳感器設(shè)計方法。該柱塞到達傳感器以STM32微處理器為核心，通過采集地磁傳感器RM3100傳送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過滑動平均濾波后采用自適應(yīng)閾值算法判斷柱塞運動狀態(tài)，最后輸出柱塞到達信號。實驗室測試及實地應(yīng)用表明，該柱塞到達傳感器檢測精度高，運行穩(wěn)定，在柱塞氣舉排水采氣工藝中具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞：柱塞氣舉；柱塞到達檢測；地磁傳感器；滑動平均濾波；自適應(yīng)閾值

中圖分類號：TP212.9；TE35? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：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

天然氣井在生產(chǎn)后期井底會堆積液體，需要及時將井底積液排出，才能維持天然氣井的正常運行，柱塞氣舉排水采氣工藝是針對產(chǎn)量低、產(chǎn)液量高的作業(yè)井的主要采氣技術(shù)[1，2]。柱塞作為井底氣體與液體的物理分界面，依靠氣井自身能量對柱塞進行舉升，從而將井底積液排出，柱塞到達信號檢測是柱塞氣舉排水采氣控制系統(tǒng)中的重要一環(huán)。在實際生產(chǎn)過程中，受檢測方法及井底環(huán)境的影響，傳統(tǒng)的柱塞到達傳感器并不能對到達時間進行準(zhǔn)確、實時而穩(wěn)定地判斷。因此提出一種基于地磁檢測的到達傳感器，通過捕獲磁性目標(biāo)擾動地磁場所產(chǎn)生的磁異常信號，實現(xiàn)對柱塞到達的檢測，區(qū)別于傳統(tǒng)的柱塞到達檢測，本方法檢測精度高，且功耗低、更穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性好，此外，其檢測靈敏性高，同時能獲得柱塞運動瞬時速度等參數(shù)用于其他方面的研究。

傳統(tǒng)的柱塞到達檢測方法如紅外光電檢測法，對紅外探頭要求較高，需保持探頭無污垢，探頭附著上污垢后會對測量精度產(chǎn)生偏差，而井內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，難免會發(fā)生上述情況，導(dǎo)致檢測裝置失效。超聲波檢測法只能應(yīng)用于油管內(nèi)部檢測柱塞，對于現(xiàn)場應(yīng)用中安裝不方便，且由于柱塞上行過程中氣體上竄會生成大量氣泡，造成超聲波散射現(xiàn)象，另外油管內(nèi)部空間小容易產(chǎn)生聲波折射，更加增添了檢測難度[3]。電感式接近開關(guān)檢測技術(shù)以及磁性接近開關(guān)檢測技術(shù)都具備檢測導(dǎo)磁金屬的能力。當(dāng)柱塞接近時，信號會發(fā)生變化，從而達到檢測的目的[4]。但傳感器本身的頻率響應(yīng)不高，不適合快速動態(tài)測量。加速度傳感器多用于高頻振動檢測，隨著開井后井底壓力推動柱塞不斷上升，柱塞越來越接近井口，油管振動就會越來越明顯，根據(jù)信號的振動強度來判斷柱塞是否已到達[5]。但加速度傳感器對運動太過敏感，一般的加速度傳感器噪聲特別大，特別是加速度傳感器噪聲和抖動在相同數(shù)量級時，將導(dǎo)致累計方向誤差[6]。

基于地磁感應(yīng)的柱塞到達傳感器通過捕獲磁性目標(biāo)擾動地磁場所產(chǎn)生的磁異常信號，實現(xiàn)對柱塞到達的檢測。該柱塞到達傳感器以STM32微處理器為核心，通過采集地磁傳感器RM3100傳送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過滑動平均濾波與自應(yīng)閾值算法處理后，輸出柱塞到達信號。該傳感器檢測精度高，且更穩(wěn)定、安裝便捷。

1? 地磁檢測原理

地球本身具有一個較弱的天然磁場，稱為地磁場。在沒有外界干擾的條件下，一定區(qū)域內(nèi)的地球磁場強度基本上恒定不變，維持在0.4～0.6 Gs之間[7]。在這個范圍內(nèi)，經(jīng)過的鐵磁物體會引起磁場中磁感應(yīng)強度發(fā)生變化，進而導(dǎo)致這部分的磁場強度發(fā)生變化，使磁場發(fā)生擾動，擾動的大小與鐵磁材料的性質(zhì)、大小以及質(zhì)量有關(guān)，不同的鐵磁材料引起的擾動不同，地磁傳感器能夠測量連續(xù)變化的磁場信號，并根據(jù)變化幅度來判斷是否有鐵磁物體通過此區(qū)域。柱塞在油管內(nèi)部需要不斷進行上行、下落運動，工作負荷量較大，所以柱塞在設(shè)計過程中多采用高強度、耐腐蝕的金屬材質(zhì)，因此可以通過檢測區(qū)域前后磁場的改變，進行柱塞到達實時檢測[8-10]。

2? 硬件設(shè)計

如圖1所示，基于地磁感應(yīng)的柱塞到達傳感器主要的功能包含信號采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計的柱塞到達傳感器由四部分組成，分別為信號采集模塊、主控模塊、供電模塊和通信模塊。

圖1? 硬件總體框架圖

首先將地磁傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32F103ZET6模塊，在STM32F103ZET6模塊中對數(shù)據(jù)進行處理與判斷，再以滿足無線傳輸所需的數(shù)據(jù)幀格式進行排列。通過RS485模塊進行格式轉(zhuǎn)換后，控制信號可以通過4G模塊進行無線傳輸。最后將編輯完成的數(shù)據(jù)記錄在存儲模塊中。

2.1? 信號采集模塊

柱塞到達傳感器以PNI公司的RM3100地磁傳感器為感知單元，RM3100由2個Sen-XY-f地磁傳感器、1個Sen-Z-f地磁傳感器和MagI2C控制芯片組成，能實現(xiàn)三維空間的磁場大小測量，非常適合需要精確測量磁場強度的應(yīng)用場景，RM3100通過SPI接口與STM32微處理器相連，實時將三軸數(shù)據(jù)傳送給主控STM32，如圖2所示。

圖2? SPI接口的RM3100

2.2? 主控模塊

以STM32F103ZET6微處理器作為柱塞到達傳感器的主控單元，STM32F103ZET6微處理器提供了豐富的外設(shè)：112個IO口，512 KB的FLASH，64 KB SRAM。主頻高達72 MHz，32位高性能ARM Cortex-

M3處理器，足以承擔(dān)該傳感器設(shè)計需求。

2.3? 供電模塊

供電方式選擇太陽能供電，供電系統(tǒng)由太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池和電壓轉(zhuǎn)換模塊組成，太陽能控制器能對蓄電池進行充放電，防止蓄電池充電過度，當(dāng)夜晚來臨時反向充電，維持整體供電所需。電壓轉(zhuǎn)換模塊能將太陽能電池板的直流電壓轉(zhuǎn)換為5 V的直流工作電壓，確保柱塞到達傳感器中各組成部分的正常工作。

2.4? 通信模塊

當(dāng)捕獲到柱塞到達信號后，傳感器會以方波的形式輸出一個開關(guān)量信號，為了方便現(xiàn)場調(diào)試與遠距離接收，通信部分采用了兩種方式：一是有線串口通信以及基于4G Cat.1通信模組FS704UM的無線通信模塊。有線串口通信采用CH340芯片，以TTL轉(zhuǎn)USB的形式將串口數(shù)據(jù)傳輸給電腦端的調(diào)試助手。傳感器是安裝在油管上的，與工控端相隔較遠距離，因此該系統(tǒng)也配備了無線通信模塊，采用485串口通信，通過4G傳輸?shù)男问綄⑿盘枌崟r傳輸給工控端。

3? 軟件設(shè)計

3.1? 滑動平均濾波算法

柱塞到達信號的準(zhǔn)確檢測是實現(xiàn)柱塞氣舉有效控制的基礎(chǔ)，但傳感器在采集信號的過程中會受到各種噪聲的干擾，例如搭載磁傳感器的電路板以及周圍其他金屬對磁場的影響，傳感器受制作工藝影響，也會存在一定噪聲信號。為有效地消除背景噪聲和毛刺現(xiàn)象，在對傳感器數(shù)據(jù)進行處理之前，需要對原始的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，這里采用的是滑動平均濾波算法。如圖3的三條曲線即為地磁傳感器RM3100的XYZ三軸檢測到的磁場強度，經(jīng)過分析可得在柱塞未到達之前，磁場強度穩(wěn)定在一個基值附近，當(dāng)柱塞到達時，各軸數(shù)據(jù)都會發(fā)生一定程度的變化，但受柱塞運動方向的影響，從圖3中也可以看到Z軸變化最為明顯，因此以Z軸的數(shù)據(jù)用來進行檢測最為合適。

圖3? 傳感器三軸數(shù)據(jù)變化

3.2? 自適應(yīng)閾值柱塞到達檢測算法

在傳統(tǒng)的閾值檢測算法的基礎(chǔ)上進行改進，就可以得到自適應(yīng)閾值柱塞到達檢測算法，這種算法可以不斷地更新磁基值，有效地解決受外界溫度、電路磁化等因素的影響導(dǎo)致基值浮動的問題。因此在沒有柱塞到達時，地磁傳感器采集磁場信號用于更新基準(zhǔn)值，在有柱塞經(jīng)過時，地磁傳感器采集磁場信號用于判斷柱塞是否到達。如圖4所示，具體算法判斷步驟如下：

1）在輸入濾波數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計算基準(zhǔn)值，取100個數(shù)據(jù)為一組計算出磁場信號的平均值A(chǔ)為基準(zhǔn)值，再計算出這組數(shù)據(jù)的最大值Qmax與最小值Qmin，將二者之差Qdel作為波動的范圍，為了數(shù)據(jù)波動的普遍性，以A ± 1.2Qdel作為浮動閾值上下限a和b。

2）設(shè)突發(fā)信號的幅值為k，當(dāng)k＞a時，認為柱塞預(yù)到達。

3）若k＞a，則開啟定時器記錄時間Tin，若記錄時間Tin超過閾值Tth，則判定柱塞已到達，發(fā)送方波信號，并記錄柱塞到達時間。若不超過閾值Tth，則認為是數(shù)據(jù)波動，繼續(xù)認定為柱塞預(yù)到達。

4）當(dāng)k＜b時，認為柱塞預(yù)離開。

5）若k＜b，且定時器記錄時間Tout超過閾值Tth，則判定柱塞已離開，柱塞到達次數(shù)加1且記錄柱塞離開的時間。若不超過閾值Tth，則認為是數(shù)據(jù)波動，繼續(xù)認定為柱塞預(yù)離開。最后變?yōu)闊o柱塞到達狀態(tài)，基準(zhǔn)值更新。

圖4? 算法流程圖

4? 實驗測試

準(zhǔn)確測量柱塞到達氣舉井口的時間是柱塞氣舉井控制的關(guān)鍵。柱塞到達傳感器性能測試實驗在長江大學(xué)石油氣舉實驗基地多相流實驗平臺和柱塞氣舉動態(tài)模擬實驗裝置中進行，如圖5所示。實驗平臺能夠進行油、氣、水等多種流體實驗，本實驗設(shè)置為：0°～90°傾角、常溫0～90 ℃，常壓0～0.8 MPa、液體流量0～-500 m3/d，流體粘度0～1 000 mPa.s、氣體流量0～50 000 m3/d。

圖5? 實驗場景

為了分析柱塞到達傳感器的精確性，將依托其測得的柱塞到達時間與高速攝像頭拍攝到的到達時間進行對比。實驗過程中充分考慮油田現(xiàn)場情況，針對不同井底壓力、不同管柱傾角下的柱塞到達時間進行了測試，從表1中數(shù)據(jù)可以看出，在井底壓力為0.2 MPa的條件下，誤差在可接受的范圍內(nèi)，在0.4 MPa、

0.6 MPa的條件下，實驗結(jié)果也相差不大。

表1? 井底壓力為0.2 MPa下的實驗數(shù)據(jù)

井底壓力/MPa 節(jié)流閥開度/° 傾角/° 傳感器測量到達時間/s 高速攝像頭測量到達時間/s 誤差/%

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? 應(yīng)用測試

如圖6為傳感器實物圖，現(xiàn)場測試在新疆吐哈油田，采取開井2小時，關(guān)井1小時的柱塞制度，與傳統(tǒng)的人工記錄進行對比。在測試的2021年7月1日至31日，以每24小時為一個時間段進行計數(shù)，與人工計數(shù)柱塞到達次數(shù)相比，柱塞到達傳感器識別柱塞到達次數(shù)準(zhǔn)確率可達100%。且傳統(tǒng)的人工計時浪費人力，不利于后續(xù)柱塞氣舉自動化開發(fā)。由于柱塞氣舉運行周期較長，傳感器大部分時間都處于閑置狀態(tài)，因此傳感器后續(xù)可進行硬件和軟件方面的低功耗優(yōu)化，選擇具有低功耗模式的元器件，以及為實現(xiàn)及時切換低功耗模式而設(shè)計新的檢測算法。

圖6? 傳感器實物

6? 結(jié)? 論

完成了基于地磁感應(yīng)的柱塞到達傳感器的設(shè)計，相較于傳統(tǒng)的柱塞到達傳感器，基于地磁感應(yīng)的柱塞到達傳感器供電方便、靈敏度高、抗干擾能力強、識別準(zhǔn)確。實驗測試證明，本文設(shè)計的柱塞到達傳感器與傳統(tǒng)人工記錄數(shù)據(jù)差別較小，識別度高，在測試的一個月內(nèi)沒有出現(xiàn)異常，因此本文設(shè)計的傳感器具有良好的應(yīng)用前景。

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作者簡介：李馳（1998—），男，漢族，湖北荊門人，碩士在讀，研究方向：油氣田自動化控制。