摘 要：油田生产中对单井流量的计量是采油工作重要的环节。本文介绍了一种新型的单井流量计量装置，该装置由一次仪表和二次仪表组成，实现了单井流量的自动计量、数据存储，应用证明该装置达到了现场应用要求。
1 引言
油井产量的计量是油田生产的一个重要环节。由于三相流计量技术还未得到普遍应用，目前，油田计量站仍普遍采用分离器技术，其原理是将油井产出物首先进行两相分离， 然后通过玻璃管液位计的液位进行人工看表计时、手工换算，对产液量和产气量分别进行计算来实现计量。该方法不可避免地存在着人为误差，劳动强度大等问题。针对这些问题，我们研制开发了一种多功能单井流量计量装置，改进了目前普遍采用的人工看表计时、手工换算的计量方法，消除了人为误差，降低了劳动强度，实现了数字化抄表。
2 装置组成
该装置由一次仪表和二次仪表两部分组成。一次仪表主要由磁翻转液位计组成;二次仪表主要由液位变送器和主机组成，主机包括430单片机、定制液晶显示器、时钟及存储器、功能按键、蜂鸣器、TM卡座、电池、防爆外壳等。二次仪表如图1所示
2.1 工作原理
根据连通的液体内部压强处处相等的原理，分离器内的液位变化引起浮子筒内浮子的升降，液位变送器将浮子的位置变化转换为电信号送到二次仪表，由二次仪表完成计算计 量、显示和存储回放等功能。主要技术指标为：测量范围：≤900mm;误差：±1%;温度范围：0～+60℃;工作时间：两节5号电池供电，使用时间不少于1年;时间精度：误差小于4 分钟 /年。
2.2 结构与功能特点
用磁翻转液位计替换下原先的玻璃管液位计，将二次仪表的液位变送器，与磁翻转显示屏、浮子筒固定在一起，上下调整变送器的位置使测量起始点高于液位下限30～50mm [1]。安装及结构示意图如图2所示：
该装置具有安全可靠，消除了手动计量误差，计量准确，适合油田现场应用要求，其主要性能特点如下：
1、工作电流小于30uA，使用两节五号电池工作时间不少于 1年;
2、采用防爆仪表外壳，安全可靠;
4、现场灵活设定各种计量参数，专门为低产井和间歇井设计了特殊测量功能，降低工人劳动强度，提高劳动效率;
5、定制的字符液晶，功耗低、操作简单;
6、数据存储量大，每个记录包括记录号、井号、量油测气时间及日产量等，具备顺序查找功能和单井查询功能;掉电数据不丢失;
7、具有上下限和测量结束报警;
8、具有TM卡通讯接口，采用具有全球64位唯一序列号的不锈钢钮扣作为信息载体，能够经受住恶劣的环境，数据可保存十年以上;钥匙扣的形式携带方便;可存储120口井次的测量数据。实现数字抄表，达到了要求取全取准油井资料的目标。
3 关键技术
3.1 低功耗串行变送器的设计
目前工业上普遍采用的液位变送器都是24V供电、4～20mA或 0～5V输出，由于油田计量站要求防爆，外接供电的方式不仅布线麻烦，而且安装费时，采用电池供电就会方便得多，这就要求尽可能地节省功耗，为此我们专门设计了一种低功耗的串行变送器，其特点是：
采用级联的逻辑电路将多个并联的干簧管的位置信号转换为串行信号，由MCU 控制逻辑电路的供电和时序，这样就可以最大限度地减小电流消耗.
3.2 微功耗二次仪表
微功耗二次仪表设计选用美国TI公司超低功耗430系列带液晶驱动器的单片机MSP430F437。该系列单片机各个模块运行完全是独立的，定时器、I/O端口、A/D转换、看门狗、液晶显示器等都可以在主CPU休眠的状态下独立运行。
当需要主CPU工作时，任何一个模块都可以通过中断唤醒CPU，从而使系统以最低功耗运行。这一点是MSP430系列单片机最突出的优点，也是与其它单片机的最大区别。 为了充分利用 CPU低功耗性能，让CPU工作于突发状态。通常将CPU设定到LPM3低功耗工作模式下，每1/4秒中断一次，处理按键、液位检测、测量状态判断、计算、存储、通讯等工作，完成工作之后又进入LPM3休眠状态，如此工作使其始终以最低功耗运行。
定制微功耗字符型 LCD 模块 MSP430F4XX 系列片内具有段式液晶驱动模块，由于液晶本身并不主动发光，所以功耗很低，非常适合于单片机低功耗应用系统。为了显示尽可 能多的字段，采用4MUX 驱动方式，可显示最多 160字段，定制液晶示意图如图3所示：
由于①采用美国TI公司430系列带液晶驱动的单片机并工作于突发状态;②定制了低功耗LCD模块;③设计了低功耗串行变送器，因此整个系统的平均工作电流小于30uA。采用间歇工作方式，每1/4秒工作一次，其余时间处于低功耗休眠方式[2]，中断程序如下：
3.3 TM卡数据传输设计[3]
建设数字化油田，前提是基础数据要准确，然后增加数字化传输。为了达到“取全取准”油井资料的要求，并且考虑到可靠性和使用方便，采用不锈钢钮扣(Touch Memory 卡)作为信息载体，能够经受住恶劣的环境，数据可保存十年以上;钥匙扣的形式携带方便;具有2K字节存储容量，可存储120口井次的测量数据。每个记录包括记录号、井名、量 油测气时间及日产量等。在现场，TM卡内的数据通过读卡器被采集到计算机内，并进入管理数据库，另外，增添修改井名也是以TM卡为信息载体进行的。
4 应用及结论
4.1 改进完善过程
经过几年的不断改进完善，产品由一代发展到三代：
第一代:采用模块液晶，220V交流供电，因防爆要求需要铺设管线，施工麻烦。
第二代:定制字符液晶、电池供电，工作时间达到一年以上。
第三代:TM卡抄表、抄表器抄表、无线变送器。
其中无线变送器适用于分离器与操作流程距离较远、铺设管线安装麻烦的场合，将变送器部分做成无线发射，二次仪表无线接收。
为方便管理，新开发了手抄器配合TM卡进行量油数据的采集和入库。
在推广过程中，二次表的程序不断完善，可根据现场的不同情况，采用固定标高或者是人工设定的标高(按一下在下 10mm 开始，再按一下在下 10mm 停止)进行计量;根据 液位计安装的高度不同，二次表可以上装也可以下装，只需在仪表设置中修改相应的参数即可。
4.2 应用及结论
该装置已在胜利油田、河南南阳油田推广400余套，受到用户的普遍欢迎。目前，该装置已安全稳定有效地运行5年有余。它在油田基层的应用，进一步提高了广大采油工作人 员的素质，降低了他们的劳动强度，为现场管理提供了科学的手段，提高了单井措施的针对性。实现了单井流量的自动计量、数据存储，应用证明该装置达到了现场应用要求。
参考文献:
[1]张福学，传感器应用及其电路精选[M].北京:电子工业出版社，1991.
[2]沈建华，MSP430系列16位超低功耗单片机原理及应用[M].北京:清华大学出版社，2004.
[3]张刚,林萍等，TM卡技术原理及应用[J].自动化与仪器仪表，2001,(2):40～43.
作者简介:黄传常(1965-)，男，工程师，主要从事科技成果的研制和转化工作。
