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案例頻道1 引言
在油田的開發(fā)生產(chǎn)中，隨著井深的不斷增加，井下溫度也隨之不斷增加，當(dāng)井深達(dá)到5000m以上時，地層溫度在100攝氏度以上。原有的井下閥門控制系統(tǒng)的耐溫、功耗等指標(biāo)較低，不能滿足高溫，長時間工作的現(xiàn)場要求[1]。因此，研制一種能長時間工作于井下高溫環(huán)境中的智能閥門控制系統(tǒng)十分必要。
本文設(shè)計的井下智能閥門控制系統(tǒng)，利用單片機(jī)組成的計時與控制單元，配合多級封隔器，實(shí)現(xiàn)一次作業(yè)下井，完成測試管柱，配合地面計量和化驗(yàn)，進(jìn)行分層和輪番采油。該系統(tǒng)采用雙CPU控制，主機(jī)能在現(xiàn)場完成數(shù)據(jù)的錄入、處理和顯示功能，從機(jī)利用PIC單片機(jī)和硅振蕩器使系統(tǒng)低功耗工作在125攝氏度以下的高溫環(huán)境中，平均工作電流僅為0.2mA，使用10盎司電池供電，可連續(xù)工作1萬小時以上。
2 系統(tǒng)的工作原理
系統(tǒng)的基本工作原理是根據(jù)既定方案設(shè)計和測層需要，在地面對準(zhǔn)備下入井下不同深度目的層的智能閥門進(jìn)行多個開關(guān)時間設(shè)定，然后連同封隔器及防砂管柱一起下入井中。根據(jù)所設(shè)定的時間打開或關(guān)閉相應(yīng)的控制閥，自動切換目的層，再配合地面低壓測試儀器，定量讀取各層日產(chǎn)液量、油量、含水及動靜液面等數(shù)據(jù)。
本控制系統(tǒng)由以下兩個部分構(gòu)成：閥門時間設(shè)定器（下稱主機(jī)）和油井閥門控制器（下稱從機(jī)），系統(tǒng)框圖如圖1所示。主機(jī)設(shè)計為手持設(shè)備，可在地面對數(shù)個從機(jī)進(jìn)行多個時間設(shè)定，并對設(shè)定的時間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。從機(jī)將連同封隔器和防砂管柱一起下入井中，在主機(jī)設(shè)定的時間到后，與流量信號配合動作，驅(qū)動電機(jī)拖動相應(yīng)的油井閥門打開或關(guān)閉，并在電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時能夠自動切斷電源。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
3 閥門時間設(shè)定器的硬件設(shè)計
閥門時間設(shè)定器主要包括人機(jī)界面和通訊模塊，系統(tǒng)采用MCS-51系列中的AT89C52單片機(jī)作為控制核心，系統(tǒng)電路圖如圖2所示。系統(tǒng)共設(shè)計了5個按鍵：“加”鍵，“減”鍵，“移位”鍵，“確認(rèn)”鍵和“取消”鍵。顯示的主要時間數(shù)據(jù)包括“年、月、日、時、分”，數(shù)據(jù)量較大，因此選用192×64個顯示單元的LCD顯示器。單片機(jī)能夠直接訪問LCD顯示器，省去了單片機(jī)與LCD顯示器之間的液晶顯示控制器，降低系統(tǒng)成本。主機(jī)和從機(jī)單片機(jī)都帶有通用的異步串行口，因此利用串口通訊十分方便，本系統(tǒng)采用RS-232串口通訊，以半雙工的工作方式完成數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸。
圖2 閥門時間設(shè)定器硬件電路圖
4 油井閥門控制器的硬件設(shè)計
油井閥門控制器由電池供電，需長時間工作于井下125攝氏度以下的高溫環(huán)境中。基于上述要求，本系統(tǒng)采用PIC16F876A單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)油井閥門控制器的設(shè)計。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括時鐘控制信號、閥門電機(jī)驅(qū)動模塊、電機(jī)保護(hù)模塊和流量信號采集模塊。PIC16F876A是美國Microchip公司生產(chǎn)的一種28腳8位單片機(jī)，才采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，在3V工作電壓、32kHz時鐘頻率時的典型工作電流小于20μA，具有-40℃～125℃的寬工作溫度范圍[2]，自帶異步串行口等優(yōu)點(diǎn)，符合系統(tǒng)低功耗的設(shè)計要求。
時鐘控制信號由MAXIM公司生產(chǎn)的MAX7378CMOJ硅振蕩器提供。該芯片能夠?yàn)?V工作電壓的微控制器提供32.768kHz的主時鐘源，其典型工作電流為11μA [3]，能夠工作于-40℃ 至+125℃的溫度范圍，具有抗振動和EMI抑制等特性，使其對污濁或潮濕的工作環(huán)境不敏感，能夠滿足井下惡劣的環(huán)境要求。
閥門電機(jī)驅(qū)動模塊使用單片機(jī)的RA2和RA3引腳驅(qū)動三極管來控制繼電器J2和J1動作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，拖動閥門打開和關(guān)閉。當(dāng)電機(jī)拖動閥門到位后，電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，電機(jī)電流遠(yuǎn)大于額定電流，如不及時處理，將燒毀電機(jī)，因此，電機(jī)保護(hù)模塊不可或缺。該模塊采用硬件電路代替A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)電流信號的采樣，不但保護(hù)了電機(jī)，同時降低了電池供電的從機(jī)系統(tǒng)的功耗，延長了電池的可利用時間。當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時，電機(jī)電流增大到額定電流的幾倍，電阻電壓升高，通過阻容濾波器變?yōu)槠交碾妷盒盘枺c堵轉(zhuǎn)“門檻”電壓值相比較，比較器輸出高電平，送單片機(jī)控制電機(jī)斷電。電機(jī)無堵轉(zhuǎn)發(fā)生時，堵轉(zhuǎn)電壓低于“門檻”電壓，比較器處于掉電狀態(tài)，節(jié)省功耗。
圖3油井閥門控制器硬件電路圖
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)采用模塊化思想、應(yīng)用C語言完成主機(jī)AT89C52與從機(jī)PIC16F876A的軟件設(shè)計。
主機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)鍵盤掃描、LCD顯示、時間數(shù)據(jù)處理和串口通信等功能，系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。時間數(shù)據(jù)處理子程序能夠設(shè)定“當(dāng)前時間”和七個設(shè)定時間，并當(dāng)設(shè)定的時間數(shù)據(jù)不符合設(shè)計要求或通信失敗時，用戶能夠根據(jù)系統(tǒng)錯誤類型的提示，自行檢測并排除故障。
從機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)中斷計時功能，每秒鐘產(chǎn)生一次定時中斷，采用查詢方式檢測是否有堵轉(zhuǎn)或流量信號，若設(shè)定時間到，驅(qū)動智能閥門打開或關(guān)閉，系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。
圖4 主機(jī)程序流程圖
6 結(jié)束語
高溫井下智能閥門控制系統(tǒng)，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功耗低、耐高溫、現(xiàn)場安裝、調(diào)試方便，能長時間工作于125℃以下的高溫環(huán)境。現(xiàn)投入運(yùn)行穩(wěn)定，可滿足不同井況的工作要求。
參考文獻(xiàn)：
[1] 譚河清,陳踐發(fā),劉靜等.抽油井智能分層測試技術(shù)的研究[J].測井技術(shù).2003,27(4):334-337.
[2] 羅翼,張宏偉.PIC單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2005.115-120.
[3] MAX7378 data sheet.MAXIM company.2004.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號