1、 摘 要 在油井开采过程中，需要对油井的温度、压力、动液面等参数进行不定期测量以监控采油过程，其中动液面是一个重要的参数。传统的动液面测量方法由人工操作、人工信号判读。其数据计算整理工作繁琐，误差大、自动化程度低、效率低。本文分析了传统动液面测量并与新型的动液面测量系统进行对比，研究了动液面测量的详细步骤。并 以 STC89C52 单片机为核心 设计 超声波测距的硬件电路和软件 来模拟动液面检测系统 。 首先设计了系统的整体方案，整个电路采用模块化设计，包括 控制模块、数据采集模块、显示等模块等，软件 由主程序、预置子程序、发射 子程序、接收子程序、显示子程序等组成。最后对系统进行调试，实现了
2、测距的功能。 关键字： 动液面； STC89C52；油井； 测距 Abstract In the process of oil exploitation， the well needs irregular detection of temperature, pressure, working level and other parameters to monitor a production process The working level is an important parameter Traditional working level measurement by the manua
3、l operation and artificial signal interpretation. Data collation and calculation are complicated with big error, low degree of automation and low efficiency. This paper analyzes the traditional working level measurement compared to the new measurement system, and studies the working level measuremen
4、t detailed steps. The hardware and software of the ultrasonic range is designed based on STC89C52 to simulate the working level detection system. First, the overall scheme of the system is designed with module design method, including control module, data acquisition module, display module etc. The
5、software consists of main program, preset subroutine, launched subroutine, receive subroutine. display subroutine and so on. Finally, debugging the system and the system implements the functions of ranging. Key words: Working level； STC89C52； Oil well； Distance measurement I 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题的
6、来源及意义 .1 1.2 国内外研究现状 .2 1.3 研究内容 .3 第 2 章 动液面测量基础 . 4 2.1 液位测量方法 .4 2.2 数字仪表 .5 2.3 动液面测量系统及研究内容 .6 2.4 超声波测距模拟动液面检测系统 .8 2.5 本章小结 .9 第 3 章 系统硬件设计 . 10 3.1 控制器模块设计 . 10 3.2 显示模块设计 . 14 3.3 A/D 转换模块设计 . 16 3.4 报警电路模块设计 . 17 3.5 系统总电路图 . 18 3.6 本章小结 . 19 第 4 章 系统的应用软件设计 . 20 4.1 STC89C52 单片机调试及开发工具 .
7、20 4.2 主程序流程 . 20 4.3 数码管显示驱动程序 . 21 4.4 中断程序 . 22 4.5 定时器初始化子程序 . 22 4.6 A/D 转换程序 . 23 4.7 本章小结 . 23 II 第 5 章 系统调试 . 24 5.1 安装 keil 软件 . 24 5.2 程序调试 . 29 5.3 调试成果 . 33 5.4 本章小结 . 34 结 论 . 35 参考文献 . 36 致 谢 . 37 附 录 . 38 东北石油大学本科生毕业设计（论文） 1 第 1章 绪论 1.1课题的来源及意义 油田在开采初期，油井主要依靠原始的地层能量，利用原始地层压力进行自喷开采。在开采
8、过程中，地层能量逐渐减低，油井必须依靠人工开采的方式将原油从地层举升至地面。在利用人工举升方式进行生产的过程中，需要了解油井的参数，来分析判断油井的工作情况，其中动液面深度是一个非常重要的参数。 油井动液面一般采用根据声波反射原理的回声仪测量。以往使用的回声仪都是将微音器得到的回声波信号经过放大、滤波之后打在纸带上，然后进 行人工分析。这种方法会由于指针的灵敏性和外界的干扰造成分辨率低、不易辨识等问题。随着电子技术，特别是计算机技术的发展，可以设计一定的电路，将微音器得到的回声波信号经过放大、滤波之后经过模 /数转换成为数字化信号，记录和存储在计算机上来进行分析和解释。对测量动液面反射声波的数
9、字化有着很多的优点。第一，经过模 /数转换的数字化，信号的分辨率得到了提高，不再受到纸带分辨率差的限制。第二，计算机可以利用回声波数据进行自动、实时处理得到油井动液面深度。第三，计算机可以经过编程实现无人值守操作，自动对油井动液面深度进行测量 ，提高了安全性和工作效率。 油井动液面深度从井口到数千米不等，油井的井身轨迹并不是严格地竖直，会出现弯曲，从而使声波传播过程中受到影响。随生产的进行，油井压力和温度都会发生变化，井中的各种流体、固体随着温度和压力的变化而有状态和性质的变化，因此油井的油套环空中的状态是复杂的，复杂的情况容易使动液面的测量出现一些干扰。除去油井的井身轨迹对动液面测试的影响，
10、油套环空中影响动液面测量的因素可以分为两类，一类是油套环空通道形状变化的影响，如：死油帽子、稠油、泡沫油、结蜡、油管柱变径和井身轨迹等因素的影响。另一类是噪 音的影响，如：井下潜油电机转动、抽油杆运动造成机械振动产生的噪声的影响等 1 。 环空中出现的死油对声波法动液面测试影响严重。由于重力分异，在泵吸入口以上充满了密度小的原油，当环空中的动液面较高时，动液面距离产出油层位置较远，温度降低，当温度降低到原油的凝固点以下时，原油会凝固，形成一个死油帽子，用声波法测油井动液面时，这个死油帽子会反射声波，造成真实的动液面无法辨识。 目前国内液位测量系统的生产采用引进加仿制的方法来开发。近些年来，国内
11、有许多家公司和科研机构陆续推出了自行研发的动液面测量仪器，其精度也日东北石油大学本科毕业设计 (论文 ) 2 益 提高。而进口的动液面测量系统功能齐全，精度也相对较高，但是其价格比较昂贵，而且维修起来也不是十分方便，对于小型用户来说并不是理想的选择，国内自行研究生产的液位测量系统价格相对便宜，但精度相对不高，且功能单一。 现在的动液面测量方式一般分为两类，接触式测量仪表与非接触式测量仪表。接触式测量仪表由于其敏感元件与被测液体直接接触，而且多数存在传动部件，因此在使用过程中，或多或少的存在一些精度较低、维护开销大或使用寿命较短的弊病。而非接触式测量仪表其敏感元件不与被测液体直接接触，而且一般不
12、存在可动部件，测量精度高且 在使用过程中对维护的要求比较低，特别是可以适应一些相对恶劣的环境的测量。因此非接触式的动液面测量系统是动液面测量方面的必然发展趋势 2 。 1.2国内外研究现状 传统的动液面测量方法均是由人工操作发声设备发射声波，通过分析所得回波曲线，确定节箍波数目以及液面回波的位置，将其代入计算公式中得到动液面值。显然，这种测量方法是比较落后的，并且测量误差大、效率低 3 。 如何能使螺杆泵稳定工作？这是国内外一些学者正在研究的问题，而动液面的测量就是研究的一个重要方面，其目的就是要提高采油率。目前，在这方面也取得了一定 的成果。 有几家公司已经做出了自己的产品，包括井岗山仪表厂
13、、江汉石油管理仪表厂等。其中，井岗山仪表厂生产了 ZJY-1 型液面自动监测仪以及 CJ 型回声仪。ZJY-1 型液面自动监测仪可用于抽油井环形空间液面和套压，按一定的时间间隔程序进行定时自动监测，为抽油井进行不稳定试井提供基础数据。其液面测深范围为 10 2000m，该测量系统体积大，比较重。 CJ 型系列产品有： CJ-1 型、 CJ-2型、 CJ-3 型三种。 CJ-1 型与 CJ-2 型只是一处仪表（井口装置即声响发生器）不同而已， CJ-1 型配备声弹击发式， CJ-2 型配备 气枪式；而 CJ-3 型的仪表小型化，仪表结构与 CJ-1 型不同而原理相同。 CJ-1 型的最大测井深度
14、为 3000m， CJ-2 型和CJ-3 型的最大测井深度为 2500m。此系列产品是以美国生产的 D-6B2 型回声仪为样机仿制而成，其结构原理、功能及操作方法等与 D-6B2 型回声仪相同。这类产品由记录笔记录节箍波及液面波，不能直接显示液位值。江汉石油管理仪表厂推出 SH3 型回声仪，其可测量深度为 1500 2000m。该产品采用声弹发生装置，由记录仪和井口装置组成，通过记录曲线上的节箍波数目计算液位深度，自动化程度低，误差大。 国内生产的这些产品价格相对国外要低，但都存在自身的缺点，测量精度不如进口设备，且不能实现闭环控制 4 。 国外生产的动液面测量系统与国内相比，技术比较成熟，误
15、差小，但是价格偏高且不便于维修。 东北石油大学本科毕业设计 (论文 ) 3 1.3 研究内容 （ 1）动液面测试系统总体方案研究与设计。根据目前国内油田使用的动液面测试系统存在的缺点进行分析，提出总体的设计方案。 （ 2）动液面测试系统的硬件设计。选择型号为 STC89C52 的单片机为电路的核心，硬件电路包括电源电路、信号输入和滤波电路、 CPU、数码管显示模块以及 TTL 转 RS232 电路等， 主要实现声波发射、数据采集、数据处理、界面显示及远程通讯等功能。 （ 3）动液面测试系统的软件设计。设计软件整体框架，存储油井测量数据。采用数码管显示结果，通过判定所得动液面值的异常情况，选择合
16、理的工作制度，实现闭环控制。按照设计思路完成程序的编写。 （ 4）通过采样数据验证数据处理程序的可行性。 东北石油大学本科毕业设计 (论文 ) 4 第 2章 动液面测量基础 2.1 液位测量方法 液位属于物位中的一种，是指密封容器（池子）或开口容器（池子）中液位的高低。液位测量就是通过检测液面两侧物质的特有性质，或者 是一些相同的物理参数（例如电阻、电容、电感、差压以及声速和光能等）在液面两侧所发生的变化，从而确定液位的方法。在现实生活中，测量液位是比较常见的。针对不同情况和用途，仅传统的液位测量方法就有 20 多种。从大类上可将其归为两类，即连续测量和位式测量。在石油行业一般使用连续测量 5
17、 。 2.1.1 动液面测量方法 油田上用于动液面测量的方法主要有浮筒法、压力计探测法和回声法三种。 浮筒法利用浮筒测量动液面深度，因其受到自身重量和体积的限制，只适合在环空井和敞开井中使用。浮筒法操作简单、方便，但在测量时井中的环 形空间不能有压力。压力计测量法通过压力数据计算动液面值，在所有油井中都能够使用，并且测量结果比浮筒法准确。但这种测量方法存在停点选择的问题，测量工期长，操作比较麻烦且对操作人员的技术水平要求很高。回声法测量液面操作简单、方便，成本较低，且不需要把测量仪器放到油井中，适合抽油井在不停产的情况下进行测量。因此，本课题选用回声法测量动液面深度 6 。 2.1.2 声波
18、声波在气体介质传播过程中，遇到障碍物会发生反射，检测出声波在介质中的传播速度，以及反射波从障碍物处到声源处所经过的时间，便可计算出声源和障碍物间的 距离。这就是液位测量中回声法的测量原理 7 。 按照不同频率可将声波分为次声波（ 020Hz）、音频信号（ 2020KHz）、超声波（ 20KHz1GHz）、甚超声波（ 1GHz10THz）。 超声波在传播过程中衰减较小，遇障碍物时发生反射的信号较强，且发射和接收设备简单，因而不断应用于各个领域，如军事、医疗、容器、储油罐等。目前，超声波技术发展迅速，超声波不仅能够实现定点和连续液位测量 ,而且提供遥测或遥控所需信号很方便。但传播介质的物理性质（浓
19、度、温度、压力等）会影响超声波的传播速度。因此，如果是短距离测 量（ 100 米以内），可用超声波信东北石油大学本科毕业设计 (论文 ) 5 号源，但在这个测量范围外便很难检测到回波。油井动液面值均大于超声波的可测量距离，此外，油井井况非常复杂，故超声波液位系统不适合油井动液面的测量。 与一般的声波、光波和无线电波等相比较，次声波的传播距离要远得多。例如，当次声波的频率小于 1Hz 时，其传播距离可达到几千至上万千米。次声波的穿透力很强，不管是大气、海水、土壤，还是坚固的钢筋水泥建筑物，都不能阻挡其通过。可见，次声波具有传播远、穿透力强的特点。次声波的在介质中的传播速度与音频信号相同，不同之处
20、在于次声波频率较音频信 号低，只有极少一部分被介质吸收，即便在复杂的油井井况中，次声波的衰减也是较弱的。基于以上的特点，次声波适合用于油井动液面测量 8 。 2.2 数字仪表 随着电测技术、计算机技术、通讯技术的飞速发展，对测量设备和测量技术也提出了新要求，数字化测量就是近 20 多年来发展起来的新技术。利用数字化技术不仅可以对各种参数进行测量，而且可以通过接口技术与计算机配合实现自动化测量和生产过程的自动控制，数字测量仪表的应用也越来越广泛。 数字化测量技术的基本内容是指连续的被测物理量转换成相应的量子化了的断续量，即将模拟量自 动的转化成数字量，然后予以数字编码，进行传输、存储、显示、打印
21、（即用仪器仪表以数字形式显示和打印测量结果）。 各种物理量从理论上都存在着这种处理的可能性，但最方便、最直接、最容易实现的还是电量，即直流电压和频率，易于实现数字化。其它物理量则可通过中间手段，如传感技术、转换技术将其转换为直流电压和频率后再对其进行数字化测量。 相对于其它仪表，数字化测量仪表具有测量精度高、速度快、读数方便，并可以实现自动化测量和将测量结果以数码形式进行传输等特点。随着计算机的发展，利用 GPIB 或 RS-232C 等通用接口，数字化 测量仪表已实现自动化、程序化。 由于微处理器的普遍应用，现代数字测量仪表已经从技术和应用上完成了它的普及阶段，正向新的阶段发展，其发展趋势有
22、以下几个方面： （ 1）向精密测量领域发展并实现程控操作。 装有微处理器的测量装置，具有高的稳定性和准确性，这是精密测量领域所期望的。同时，测量过程编排、功能和量程的选择、测量结果的显示均可通过键盘及 LCD 实现。 （ 2）可实现动态测量。 在测量过程中，它可以自动进行数据处理，输出被测动态过程的各个参数值，动态测量在电测领域中正在高速发展。 东北石油大学本科毕业设计 (论文 ) 6 （ 3）数字化测量技术与计算机配合 可以构成十分复杂的数字化自动测试系统。 2.3 动液面测量系统及研究内容 2.3.1 油井动液面的测量系统 动态液面测量系统主要由 3 个部分组成，分别是声波发生装置、声波接
23、收器和波形处理装置等。图 2-1 所示为油井动液面测量示意图。 图 2-1 油井动液面测量示意图 由图 2-1 可见，两根管段间由油管节箍连接在一起，每根管段长度一定且为已知，整根油管由上百根管段连接而成。测量时，控制声波发声装置发射声波，产生一个起始脉冲。声波通过油管与套管间空气介质向井下传播，在传播过程中，每遇到一个油管节箍就会反射一个回波 ，组成节箍波信号。由于两个油管节箍间距基本相等，则所得的节箍波信号是一个周期信号，且每个周期范围内，节箍波信号的幅度最大且只有一个。当声波到达液面时，节箍波信号已经衰减为很小，此时接收到的一个较强的回波就是液面回波信号。由于传统的测量方法存在自动化程度低、效率低及工作量大等缺点，现在动液面测量系统的发展趋势是：采用微处理器（单片机）控制发声装置发射声波，由传声器接收回波信号，并将其转化为电信号，经放大滤波、采样、 A/D 转换及信号处理后直接的得到动液面值，达到自动测量油井动液面值的目的 9 。
