基于超声波和云测试的油井液面测试系统研究
张 朋，杨 益，范福玲，常 静
【摘 要】摘要：针对目前油井液面深度测试系统测量范围小、误差大、稳定性低的缺点，提出了基于声波法测动液面原理，利用时间序列分析技术、新息自适应卡尔曼滤波技术来实时检测回波信号，进而实现对油井液面深度的高精度测量和噪声处理；选用FPGA和云测试技术成功实现了油井液面深度测量系统的远程化和网络化；基于云测试的油井液面远程监测系统目前已在油田生产现场通过测试，测试结果表明，系统稳定，算法实时、高效，动液面深度测量误差小，测量精度高，能满足实际工程应用。 【期刊名称】计算机测量与控制 【年(卷),期】2015(023)006 【总页数】5
【关键词】超声测距；FPGA；云测试；时间序列；新息自适应卡尔曼滤波
0 引言
油井的安全生产，需要了解油井各方面参数，分析判断油井的工作情况，其中油井的动态液面深度是一个反映地质储量、优化生产规划、保证采油设备安全运行的非常重要的参数。目前国内外油井现场，大部分采用发展最成熟、应用最广泛的回声测距技术计算油井动液面深度［1］。但对于2 000 m以上的抽油机井及套管噪声复杂的螺杆泵井测量时，仍然普遍存在着量程范围小、结果误差大、测量稳定性差等问题。同时，油田采油井通常分布在不同的地域，一般都远离采油厂几十公里以外，较难实现远程协作测控和信息共享。如何采用数字化、网络化的技术手段管理监测现场油井动液面深度，掌握一线生产设备的
运行状况，进一步降低石油生产、维护过程的成本，提高石油企业的生产和管理的信息化水平，以取得更好的经济效益、社会效益，是整个油田生产面临的挑战［1-2］。
针对这些问题，本文基于声波法测动液面原理［3-4］，利用时间序列分析［5］和新息自适应卡尔曼滤波技术［6］实时检测回波信号，选用FPGA［7］和云测试技术［89］实现了油井液面深度测量系统。
1 油井液面测试系统结构及原理
本文按层次化和模块化思想来设计油井液面深度远程监测系统。系统由两部分组成：
1）油井现场单口井液面深度测量系统。实时采集油套管中的声波信号；准确地解算出油井液面深度；通过LCD动态显示接箍波信号、回波信号及经分析计算得到的声速及液面深度值；油田操作人员可以通过按键自动调整采样时间、滤波频段、放大增益等参数；
2）云测控服务器系统。放置在测控中心的云测控服务器，其除了负责对现场数据存储管理功能外，还为用户提供多种虚拟机、软件和开发平台等云服务。油田不同部门可以通过浏览器登陆云测控服务器获取油井现场采集的数据，随时查询当前或历史工作状态记录，并能够直接向油井终端发送操作指令，实现远程操作。系统整体结构如图1所示。
2 油井液面测试系统设计
基于云测试的油井液面远程监测系统由两部分组成，分别是单井测试系统和云测控服务器。系统以单井测试系统作为云测试系统后端节点，油田不同部门可以通过浏览器登陆云测控服务器获取油井现场采集的数据，随时查询当前或历
史工作状态记录，并能够直接向油井终端发送操作指令，实现远程操作。 2.1 基于FPGA单井测试系统设计
单井测试系统如图2所示，该系统由电声转换装置、放大器、AD采样单元、FPGA、液晶显示、按键输入等部分组成。电声转换装置（微音器）将声波信号转换成电压信号，经放大器放大之后，经A／D采样，将采样数据送入FPGA内部，通过可编程逻辑单元实现建模、滤波、声速计算、液面识别等逻辑功能。且通过NIOSII软核处理器辅助完成液晶屏幕显示、按键信号处理、USB接口设计及通讯等功能。
2.1.1 单井测试系统硬件设计
单井测试系统硬件选用CycloneIVE系列EP4CE15FC8N为核心的FPGA开发平台，运用SOPC实现油井液面深度测试。基于DSPbuilder平台完成测试算法；选用QuartusII平台上的SOPCbuilder工具完成系统的测试。单井测试系统由自定义外设和NIOSII两部分构成，通过Avalon总线连接。自定义外设主要包括AD采集、FIFO、去野值、滤波、接箍波计算声速、液面回波识别及液面深度计算等功能。NIOSII系统主要包括NIOSII处理器、晶振电路、复位电路、JTAG调试接口电路、Flash存储器、SDRAM存储器、以及采用Marvell的88W8686芯片实现终端与路由器之间的WiFi无线通信单元。系统电源由220V变压、整流后经三端稳压器可获得稳定的1.5 V、3 V、5 V和12 V工作电源。单井测试系统硬件如图2所示。 2.1.2 单井测试系软件设计
在单井测试系统硬件设计基础上，采用SOPC技术实现系统液面深度测试。在Simulink平台利用DSPbuilder模块构建系统算法级仿真模型，并在统一的仿
基于超声波和云测试的油井液面测试系统研究
