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導入
現在、油田で原油を抽出する際に直面する困難な問題の一つは、抽出された原油のオンライン測定です。その主な理由は、原油の組成が非常に複雑であるためです。原油には、石油、水、ガス、その他の不純物が含まれています。多相かつ複雑な流体であり、単一井戸の原油は断続的に流れるため、一般的な超音波流量計では要件を満たすことができません。本論文は,超音波相関流量計算に基づく測定システムを設計し,原油非接触オンライン測定の問題を解決した。
超音波流量計の原理
相関法では、関連技術を使用して流体の流れを測定します。測定精度は、 超音波流量計トランスデューサは 流体の音速とは無関係であり、測定精度が高いです。混相流や大きな干渉流体の測定に適しています。流体がパイプライン内を流れるとき、流体に他の不純物が含まれていると、内部にさまざまなランダムな乱れが発生し、流れの状態に関連する流れ信号が生成され、特定の統計的特性を持ちます。相関法流量計の構造は2組の超音波送受波器から構成されており、上流側の送受波器と下流側の送受波器間の距離をLとします。超音波信号がパイプラインを通過するとき、超音波信号は流体内のノイズによって変調されます。変調された超音波信号には、流体速度場の情報が含まれています。超音波信号を分析して流量信号 A(t) と B(t) を抽出し、A(t) と B(t) に対して相関演算を実行します。
2 シングルウェル原油超音波関連流量計測システムの構成
シングルウェル流量計測システムは主に、気液分離前処理、超音波検出、信号処理の３つの部分から構成されます。以下では 3 つの部分を個別に分析します。
2.1 気液分離前処理部
前処理部の構成を示します。前処理部の機能は、気液分離を行うことです（ポンピングユニットによって汲み上げられた原油には、混合油の他にガスやその他の不純物が含まれています。ガスは油の測定に大きな誤差をもたらすため、測定中に油の気液分離を行う必要があります）。 2つ目は、断続流時の配管満杯測定の問題（ポンプユニットが動作するたびに汲み出される原油が均等ではなく、断続的に流れるため、パイプライン内の油が満杯にならない可能性があり、大きな測定誤差を引き起こす）を解決することです。このような理由から、オイル測定の前に前処理を行う必要があります。前処理後、気液分離と油充填管を計量油管内に通すことで測定誤差を低減します。動作原理は、原油は石油入口から沈殿タンクを通って石油貯蔵タンクに入り、石油とガスは石油貯蔵タンク内で分離されます。分離されたガスは、ガス配管を通って石油貯蔵タンクのバルブ（出口弁）から出力されます。オイルが一定の高さになるとフローティングボールが浮上して下部のバルブ（オイル出口バルブ）が開き、同時に上部のバルブがガスポートを塞いで圧力がかかります。油貯蔵タンク内の油は、圧力の作用により測定パイプラインを通って油出口に流れます。貯油タンクが一定の高さまで下がると、浮き玉が沈んで下側のバルブを遮断し、上側のバルブが開き、この繰り返し作業により気液分離が完了します。
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2.2 超音波検査部
検出部は主に2対の超音波センサーで構成されています。超音波センサーの検出は、超音波のエネルギーを送受信することで行われます。トランスデューサのコア（超音波エネルギーを電気エネルギーに変換する、または電気エネルギーを超音波エネルギーに変換します。可逆トランスデューサとは、トランスデューサの 2 つの形式のエネルギーが相互に変換されることを意味します）。一般的な超音波トランスデューサには、圧電水晶振動子、磁歪振動子などが含まれます。関連する流量測定に使用される超音波には、一般に正弦波とパルス波の 2 つの形式があります。関連するパルス超音波や正弦波の流量計は、流れ場の断面の速度情報を積分して流速を求めます。この設計では、中心周波数 200 kHz の圧電結晶超音波センサーを使用します。定在波の影響を克服するために、超音波ではフェーズロックループパルス信号発生器が使用されます。
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2.3 信号処理部
信号処理部は主に超音波受信トランスデューサで構成され、信号調整回路は受信トランスデューサ、3段増幅回路、フィルタ回路、包絡線検波回路で構成されます。プリアンプはMAX410計測器アンプモジュールで構成され、セカンダリアンプとファイナルアンプはINA128高精度低電力計測器アンプで構成されています。フィルタ回路はMAX275アナログ集積フィルタで構成されたバンドパスフィルタで中心周波数は200kHz、TL14でローパスフィルタを構成し主に検波後の信号を取り出します。包絡線検波回路はダイオードとコンデンサで構成され、ピーク検波器を形成します。
もう 1 つの部分は、モジュールで構成されるデータ取得および処理回路です。この回路の 超音波水流センサーは TI 社の TMS320F2812DSP チップを選択します。現在のプロセス制御分野において、最も先進的な DSP マイクロプロセッサです。従来のシングルチップマイコンと比較して、強力な機能、豊富なリソース、低消費電力などの優れた性能を備えています。完璧なパフォーマンスと最高の統合周辺機器インターフェイスを備えています。フラッシュメモリ、高速A/Dコンバータ、高性能CANモジュールなどを集積しています。
測定中、上流と下流の送信トランスデューサーは高周波超音波を放射します。超音波が流体内を伝播すると、流量信号によって超音波の振幅、位相、周波数が変調されます。トランスデューサが受信した高周波変調信号は受信され、フィルタリングされます。復調と増幅の後、流量信号が取得され、データ収集のために A/D コンバータに送信され、収集された情報は流体の流量を取得するために関連する処理に送信されます。
3 システムプログラミング
ソフトウェアシステムは、初期化、計算モジュール、フロー表示、割り込み処理モジュールなどで構成されています。メインプログラムのフローチャートを示します。メインプログラムは初期化後、サンプリングデータを処理するループプログラムに入り、外部A/D割り込み要求、シリアル通信割り込み要求、タイマ割り込み要求に随時応答します。流量表示タイミングになったかどうかを判断します。メインプログラムは、上記の割り込み要求に応答して、対応する各処理プログラムを呼び出し、データの収集と処理を完了します。
初期化は、一方では DSP の動作環境をセットアップすることであり、他方ではその後の信号処理の準備をすることです。システム初期化プログラムには、DSP チップ CPU の動作に影響を与える内部初期化と、各周辺機器の動作に影響を与える周辺初期化、および周辺プログラマブル デバイス (A/D、D/A など) の初期化が含まれます。具体的には、クロック ジェネレーターの設定、タイマーの設定、ステータス レジスタの初期化、割り込みのオープンなどの機能が含まれます。
割り込み処理モジュールには、A/D コンバータの起動とサンプリング周波数の制御に使用されるタイマ割り込み処理モジュール、上位コンピュータとの通信に使用されるシリアル通信割り込み処理モジュール、およびデータの読み取りに使用される A/D 割り込み処理モジュールの 3 つの割り込みが含まれています。A/D コンバータがデータをサンプリングするために使用され、そのフローチャートは図に示されています。
表示モジュールはメータを定期的に更新して瞬時流量値と積算流量値を表示します。システム処理プロセスでは、タイミング期間を設定し、タイマーが割り込みを生成し、この割り込みにより A/D コンバータが開始されます。変換後、A/D コンバータは DSP にデータ割り込みの読み取りを要求し、DSP は A/D コンバータ割り込み要求に応答し、A/D 割り込み処理モジュールを呼び出し、サンプリングされたデータを読み取り、データ バッファに送信します。流体は断続的に流れるため、DSP は上流信号と下流信号の N 点データを受信後、そのデータをフーリエ解析して流体が流れているかどうかを判断します。流れている場合は、計算プログラムが呼び出されて、サンプリングされたデータに対して関連する演算が実行され、関連する関数が検索されます。通過時間 T を決定し、機器パラメータと温度補償に従って瞬時流量値と累積流量値を取得し、その結果を表示機器で表示できるようにデータ記憶ユニットに保存します。
相関フロー測定における重要な問題の 1 つは、 真鍮製超音波流量計センサー は相関関数の計算方式であり、多数のランダムな変調信号の取得、相関積分計算、相関関数のピークサーチを高速かつ正確に完了する必要があります。相関関数アルゴリズムには主に極性反復法とゼロクロス法の 2 種類があります。本システムでは演算速度を向上させるために、周波数領域での相関演算を採用しています。入力データを FFT で変換すると、周波数領域での相関演算が得られます。その後、IFFT を通じて時間領域の相関結果を取得し、ピーク検索に使用できます。
4 結論
油田の単一坑井の作業条件の分析と関連する流量測定の原理に基づいて、単一坑井の原油計量に適した装置を設計した。フィールドテストでは、誤差が 2% 未満で良好な結果が得られました。しかし、依然として以下の問題が存在します。 まず、主に原油にはガスや不純物が含まれており、信号が大きく変動します。このため、信号差が大きくなり、検出回路のAGC回路を大きくする必要がある。 2つ目は補正係数の設定が難しいという点です。井戸が異なれば、水分含有量とオイルの粘度も異なります。同時に、オイルの流動性は温度によって大きく変化するため、異なる環境下で複数回の調整が必要になります。この補正係数は使用に不便をもたらします。第三に、流量が低い場合、誤差は比較的大きくなります。これらは将来の研究で改善されるべき領域です。
