為了提高油田注水開發(fā)工作的效率，設(shè)計(jì)了一種面向油田注水井參數(shù)測(cè)量的基于時(shí)差法的高精度超聲流量計(jì)，并在室內(nèi)流體循環(huán)系統(tǒng)上進(jìn)行了試驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整螺桿泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量大小，將質(zhì)量流量計(jì)作為標(biāo)定儀器，試驗(yàn)結(jié)果論證了設(shè)計(jì)的超聲流量計(jì)的測(cè)量精度基本滿足油田注水參數(shù)測(cè)量的使用要求。

隨著油田開發(fā)工作進(jìn)入到中后期，各層間的矛盾越發(fā)突出。注水開發(fā)就是向油層注水增壓以保障油藏的壓力安全，但是一味加大注水量會(huì)導(dǎo)致油藏的含水率過(guò)高進(jìn)而影響石油的采收率，所以進(jìn)行及時(shí)、高效并且地注水參數(shù)測(cè)量可以保障油田穩(wěn)定高質(zhì)量地生產(chǎn)，有效提高油田注水開發(fā)效率。因此針對(duì)油田注水開發(fā)研制出高精度的流量測(cè)量?jī)x器對(duì)于提高注水工作效率和石油采收率具有重要的意義。

目前，油田注水工作主要使用的流量計(jì)有：渦輪流量計(jì)，電磁流量計(jì)等。由于電磁流量計(jì)的電極直接接觸被測(cè)流體，容易受到腐蝕；渦輪流量計(jì)容易纏繞雜物或者結(jié)水垢，機(jī)械結(jié)構(gòu)也容易磨損導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不可靠。相較而言超聲流量計(jì)機(jī)械損壞率更低，有著更高的可靠性和測(cè)量精度，本文設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)差法的高精度超聲流量計(jì)，它不與被測(cè)流體直接接觸因此不擾動(dòng)被測(cè)流體的流動(dòng)特性。該裝置非常適用于油田應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單相流體的非接觸、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為解決油田注水問(wèn)題提供了有效的手段。

1.基于時(shí)差法的超聲波流量測(cè)量原理

超聲波的傳播速度與介質(zhì)的流速和流動(dòng)方向有關(guān)，所以利用超聲波在流體中順流和逆流產(chǎn)生的時(shí)間差可以獲得流體的流速信息[4]。在如圖1 所示有一段直管道，其中有流速為v 的單相流體，管道直徑為D，在測(cè)量管道的上、下游分別放置超聲波換能器A 和B，A 和B 之間的距離為L，L 與v 之間的夾角 θ ≠ 0o 。

公式（7）中的 L2 和cosθ為常數(shù)，所以只要測(cè)出超聲波順

流和逆流的傳播時(shí)間 tAB 和 tBA 就能求出流體流速 v ，再根據(jù)管道的形狀和流速的分布形式，進(jìn)行判別和補(bǔ)償以降低測(cè)量結(jié)果同流速分布及雷諾系數(shù)的關(guān)系，從而可以計(jì)算得到流量，避免了求聲速 c 的困難同時(shí)減小了溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高準(zhǔn)確度。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用的是Silicon Labs 公司推出的C8051f500 單片機(jī)，該單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理的格式和處理速度完全滿足超聲法時(shí)間差測(cè)量的技術(shù)要求。C8051 單片機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)有：系統(tǒng)集成度高，總線時(shí)鐘可達(dá)25M，全兼容8051 指令集，增加了中斷源，集成了豐富的模擬資源和豐富的外設(shè)接口并且增強(qiáng)了信號(hào)處理性能等。高精度計(jì)時(shí)電路選用的是德國(guó)ACAM 公司推出的一款高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)化芯片TDC-GP2，選擇合適的測(cè)量范圍可使它的測(cè)量精度達(dá)到PS 級(jí)。TDC-GP2 具有高速脈沖發(fā)生器,停止信號(hào)使能,時(shí)鐘控制和溫度測(cè)量等功能,這些功能模塊使它尤其適用于超聲波法測(cè)流體流量。

系統(tǒng)總體圍繞C8051 和TDC-GP2 來(lái)設(shè)計(jì)外圍電路。

總體框圖如圖2 所示：

C8051 主要用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理，GP2 主要用來(lái)采集換能器收、發(fā)信號(hào)的時(shí)間差。系統(tǒng)硬件主要包括高精度計(jì)時(shí)電路、發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、放大濾波電路、通道切換電路等。在測(cè)量過(guò)程中，GP2 在C8051 的控制下實(shí)現(xiàn)與流量相關(guān)的時(shí)間參數(shù)的測(cè)量,并存在GP2 的內(nèi)部寄存器里,C8051 將參數(shù)讀出后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)。

系統(tǒng)上電后,存儲(chǔ)在C8051 內(nèi)部ROM 中的程序被引導(dǎo)進(jìn) C8051 內(nèi)部運(yùn)行。C8051 首先完成對(duì)自身和GP2 的初始化設(shè)置,然后給模擬開關(guān)一個(gè)確定信號(hào),使之處于一個(gè)確定狀態(tài),這樣就可以確定兩個(gè)超聲波換能器是順流測(cè)量還是逆流測(cè)量。然后C8051 給GP2 發(fā)送命令, GP2 的FIRE 引腳發(fā)射信號(hào),給一個(gè)超聲波傳感器提供激勵(lì)，同時(shí)也給GP2 提供START 信號(hào)。另一個(gè)超聲波傳感器接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波電路、調(diào)理電路后送回 GP2，將其作為 STOP 信號(hào)，GP2 通過(guò)計(jì)算 START 信號(hào)和STOP 信號(hào)之間的時(shí)間差得出超聲波在流體中的傳播時(shí)間。然后，C8051 改變模擬開關(guān)的通道開關(guān)狀態(tài)來(lái)切換兩個(gè)超聲換能器的收發(fā)狀態(tài),再進(jìn)行一次測(cè)量并得到一個(gè)傳播時(shí)間。將這兩個(gè)時(shí)間參數(shù)代入超聲時(shí)差法原理測(cè)流速的公式中即可計(jì)算出流體流速，然后C8051 將計(jì)算的結(jié)果存入外部存儲(chǔ)器中。在測(cè)量完成后,將電路和計(jì)算機(jī)連接,將所測(cè)數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行流速曲線的繪制并作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析與處理。

3.軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)時(shí)差法超聲波測(cè)流速的理論，流體流速與超聲波在流體中順流、逆流之間傳播的時(shí)間差成正比，只要獲取到超聲波順、逆流傳播的時(shí)間差即可計(jì)算出流速[10]，流量和累計(jì)流量也可以根據(jù)管徑和測(cè)量時(shí)長(zhǎng)分別求得。采集流速的軟件流程框圖如圖3 所示：

首先C8051 對(duì)自身和對(duì)TDC-GP2 進(jìn)行初始化，然后啟動(dòng)TDC- GP2，打開中斷。判斷中斷的有無(wú)，等待中斷來(lái)臨后 C8051 通過(guò)TDC-GP2 的SPI 口讀取測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)。然后切換測(cè)量通道，重復(fù)以上的測(cè)量過(guò)程。等待中斷再次來(lái)臨，讀出測(cè)量數(shù)據(jù)。判斷循環(huán)是否達(dá)10 次，若未達(dá)到10 次，則重復(fù)以上過(guò)程；若循環(huán)已達(dá)10 次，則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，然后根據(jù)時(shí)間差計(jì)算流速并相應(yīng)地計(jì)算出流量和累計(jì)流量。待數(shù)據(jù)處理完畢，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)的存儲(chǔ)空間，以備數(shù)據(jù)回放和繪制曲線。

4.室內(nèi)試驗(yàn)裝置與流程

該試驗(yàn)在室內(nèi)的油氣井管道流體循環(huán)系統(tǒng)上進(jìn)行，試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4 所示，其結(jié)構(gòu)包括螺桿泵、管路、閥門、回收罐及各種輔助器件。

將質(zhì)量流量計(jì)作為標(biāo)定儀器，流體為自來(lái)水，將超聲換能器探頭置于與質(zhì)量流量計(jì)同路徑的較長(zhǎng)的直管段部分，探頭位置選取原則是換能器探頭前后的直管段長(zhǎng)度要分別大于管徑的10 倍和5 倍，通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿泵的轉(zhuǎn)速可以模擬不同流速下的管道流量，給回收罐注入足夠多的水量從而保證流體滿管流動(dòng)，通過(guò)控制各管段上的閥門開關(guān)讓流體在管道和回收罐之間循環(huán)流動(dòng)。

測(cè)試流程是先把整個(gè)系統(tǒng)裝好在被測(cè)管道上進(jìn)行測(cè)試,將測(cè)量所得流量數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)在靜態(tài)存儲(chǔ)器中,測(cè)量完畢再把系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，系統(tǒng)接收到計(jì)算機(jī)的指令后在上位機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)回放與處理。

5.試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表 1 所示.

由該組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本文實(shí)現(xiàn)的超聲波流量計(jì)在單相流量測(cè)量中的測(cè)量誤差隨著管道流體流速的減小而增大。當(dāng)變頻器的頻率設(shè)置在 20Hz、25Hz 時(shí)，流速相對(duì)誤差***高達(dá)到5.19%；當(dāng)變頻器的頻率分別設(shè)置為30 Hz、35Hz、40Hz、45Hz 和 50Hz 時(shí)，采用本文所設(shè)計(jì)的超聲流量計(jì)測(cè)得的流速其相對(duì)誤差大概在3.3%以內(nèi)，室內(nèi)模擬試驗(yàn)的結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的流量計(jì)其測(cè)量精度基本滿足油田注水參數(shù)的計(jì)量要求。