分層注水是實(shí)現(xiàn)驅(qū)油替水，提高采收率的重要措施，其技術(shù)水平直接影響著注水開發(fā)油田的整體開發(fā)效果。而分層注水量精確測量是分層注水工藝的難點(diǎn)，特別是對于低滲透油藏的小分量注水尤為困難。注水量的精確測量配合自動(dòng)控制的可調(diào)水嘴，解決了傳統(tǒng)注水工藝調(diào)節(jié)周期長，不能夠精細(xì)注水問題，對于實(shí)現(xiàn)油田的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義 [1] 。分層注水量測量主要采用浮子式流量計(jì)，差壓式流量計(jì)等，由于內(nèi)部存在活動(dòng)部件和阻流元件，測量精度低，影響注水效果。而電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高，在石油化工行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

 

        電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理測量導(dǎo)電性液體體積流量的儀表。在電磁流量計(jì)中，管內(nèi)有導(dǎo)電性液體流過時(shí)，傳感器檢測電極就會(huì)產(chǎn)生正比于流體流速的感應(yīng)電動(dòng)勢，其一般表達(dá)式為 E=kBDv ，其中： k 為儀表系數(shù)， D 為管道內(nèi)徑， B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度， v 為管內(nèi)平均流速， E 為感應(yīng)電動(dòng)勢。但電磁流量計(jì)測量信號存在嚴(yán)重干擾，造成測量精度低，難以滿足井下分層注水流量測量要求。本文在已有電磁流量計(jì)研究基礎(chǔ)上，基于32位ARM微處理器，采用了新型信號處理方法提取流量信息，設(shè)計(jì)了適用于分層注水流量測量的電磁流量計(jì)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

        采用正弦波勵(lì)磁電磁流量計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)如圖1所示，主要由勵(lì)磁模塊、信號處理模塊和微處理器模塊三部分組成，小型電源模塊將220V交流電壓轉(zhuǎn)化為±12V、+3.3V、+9V為其各部分供電。

 

1.1 勵(lì)磁模塊

        由于是正弦波勵(lì)磁，采用文氏橋作為信號產(chǎn)生電路，通過調(diào)整電阻電容值來選擇不同勵(lì)磁頻率，供電電壓幅值決定勵(lì)磁信號幅值，選擇高精度元器件實(shí)現(xiàn)信號穩(wěn)定輸出。但文氏橋電路輸出信號小，難以驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁線圈，通過運(yùn)放對勵(lì)磁信號電壓放大，甲乙類功率放大對勵(lì)磁信號電流放大，將放大后的信號輸入仕樂克電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈作為勵(lì)磁電壓。

 

1.2 信號處理模塊

        測量電極輸出信號微弱，且信號源內(nèi)阻高，供電電源耦合到電路帶來的工頻干擾以及磁場交變所產(chǎn)生的干擾等幅值遠(yuǎn)大于流量信號，必須采取有效的信號處理電路提取流速信息。信號處理模塊首先采用高輸入阻抗前置放大器ADA4077-1差分放大，但由于信號干擾多，放大倍數(shù)不能過大。信號經(jīng)過ADA4077-1放大后，采用雙端輸出方式，通過電容隔直，濾去直流分量，僅保留信號的交流分量。交流信號中共模干擾嚴(yán)重，采用高共模抑制比的差動(dòng)放大器提高信號的共模抑制比。

 

        信號處理后仍包含正交干擾、同相干擾等，還是無法準(zhǔn)確得到流量信號。因此，在傳感器勵(lì)磁線圈中串接一個(gè)定值電阻R ， R 兩端電壓與勵(lì)磁電流是同波形同相位，將處理后電極兩端電壓 E 與電阻 R 兩端電壓差分輸入四象限高精度模擬乘法器AD633，輸出信號濾波取其直流分量，則可得到流量信號 [6] 。若勵(lì)磁磁場 B=B m sinwt ， R 上的電壓 U R =U m sinwt ，只考慮正交干擾和同相干擾，測量電極兩端電壓可表示為：

        從(3)式中得到了電壓信號對應(yīng)管道中流速變化情況。采用STM32F103RCT6芯片內(nèi)部12位A/D采樣，信號電壓輸入范圍0~3.3V，而(3)式輸出信號是雙極性，需要通過電平提升轉(zhuǎn)化為單極性信號。微處理器復(fù)位電路將NRST引腳拉高VCC，引起系統(tǒng)復(fù)位。采用0.96寸OLED顯示流量信息，通過8080并行接口方式控制通信。同時(shí)提供時(shí)鐘日歷，實(shí)時(shí)顯示相對流量的時(shí)間信息。

 

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要包括主程序、初始化子程序、中斷程序、A/D采樣、OLED顯示和實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。在測量狀態(tài)下，將實(shí)時(shí)顯示流速、流量和日歷信息等。流量A/D采集過程如圖2所示，以10個(gè)周期為一個(gè)測量過程，每個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù)為100，求平均值后換算后得到流量信息。通過求平均值來達(dá)到濾波目的，避免了由于偶爾誤差引起數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，平均值就是通過軟件濾波得到的流量信號。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        實(shí)驗(yàn)所用仕樂克電磁流量計(jì)傳感器測量管徑為47mm，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為室溫，采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量罐進(jìn)行標(biāo)定。本實(shí)驗(yàn)在一定測量環(huán)境下，比較不同勵(lì)磁頻率對流量測量結(jié)果影響。

        從表1可以看出，隨著勵(lì)磁頻率增加，測量誤差也在不斷增加。一定勵(lì)磁頻率下，流速在1m/s~ 2m/s范圍內(nèi)相比較高流速測量誤差小，更適合小流量測量。說明勵(lì)磁頻率在3Hz左右時(shí)，分層注水小流量注水測量精度高，性能相對穩(wěn)定。

 

4 總結(jié)

        本系統(tǒng)采用新型硬件電路及信號處理算法，有效提高了流量測量精度。在相對低的勵(lì)磁頻率下，提高了測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了分層注水小流量實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測量，而且電磁流量計(jì)性能穩(wěn)定、成本較低，在油田分層注水方面具有重要的實(shí)用價(jià)值。