基于PIC單片機的巖芯動態濾失率測試儀的研制

楊 璐，翁惠輝

(長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

基于PIC單片機的巖芯動態濾失率測試儀的研制

楊 璐，翁惠輝

(長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

為測量巖芯受到的鉆井液動態損害，優選出保護油層需要的鉆井液和完井液，設計出了基于PIC18F單片機的巖芯動態濾失率測試儀。該測試儀通過模擬井下高溫高壓和流體流速的環境來測量巖芯的動失水和評價鉆井液的優劣。實際應用表明，該儀器能實時顯示模擬的溫度、流量和壓力等試驗參數，并可實時顯示測試過程中的濾失曲線，具有操作簡便、準確高效的特點。

PIC單片機；動態濾失；測試儀

在鉆采作業過程中,鉆井液、水泥漿、完井液、射孔液等各種工作液的侵入不可避免地對油氣層造成一定程度的損害[1]。為了減少這種損害，筆者研制了基于PIC18F單片機的巖芯動態濾失速率測試儀，該儀器采用閉環控制系統，可在室內模擬井下的溫度、壓力和流體流速環境，從而模擬鉆井液對巖芯的動態污染，測量巖芯受到鉆井液的動態損害，為優選出保護油層需要的鉆井液和完井液提供依據[2]。

1 測試儀簡介

圖1 巖芯動態濾失率測試儀結構圖

巖芯動態濾失率測試儀主要由巖芯夾持器結構、工作液循環結構和溫度和圍壓監控結構組成(見圖1)。

1.1巖芯夾持器結構

巖芯夾持器是試驗裝置的核心部分，由耐溫耐壓耐腐蝕不銹鋼筒體、泥漿循環通道、夾持器和測量柱塞組成，其功能是用以固定夾持器巖芯創造模擬井下高溫、高壓條件及動態損害條件。

1.2工作液循環結構

工作液循環系統由循環泵、氣瓶、泥漿罐、流量計和變頻器組成。泥漿泵創造泥漿動態循環的動力條件。氣瓶提供壓力源，給泥漿罐加壓產生動、靜態壓差。流量計實時檢測工作液流量。變頻調速器用以控制泥漿循環流速以模擬鉆井作業過程中的泥漿返速。

1.3溫度和圍壓監控結構

溫度和圍壓監控系統由巖芯夾持器溫度控制單元、循環工作液溫度控制單元和高壓自動圍壓泵組成。溫度控制單元為夾持器、泥漿和工作液加溫。高壓自動圍壓泵提供夾持器圍壓以模擬井下高溫高壓環境。

2 系統硬件設計

鉆井液循環流動時的泥漿返速是需要控制的主要參量。在設計該測試系統時，為使流量穩定在設定值上，對流量的控制采用閉環控制的方法，其控制結構圖如2所示。

圖2 單片機控制硬件系統結構圖

用溫度傳感器、壓力傳感器和流量計來分別檢測溫度、壓力和流量信號。PIC18F458[3]內部帶有8通道10位ADC，將溫度、流量和壓力信號經過信號調理電路后輸入ADC端口，通過多路開關輪流選通進入A/D轉換器轉換成數字量[4]。PIC18F458單片機將壓力、流量和溫度數字信號經通訊模塊傳送到計算機，并接收計算機下傳的控制命令及溫度、流量和壓力設定值。溫度控制時，單片機將溫度傳感器檢測的溫度信號與溫度設定值相比較，經溫度控制算法產生控制輸出信號。控制信號經驅動電路控制繼電器通斷改變加熱絲加熱時間，以此實現對溫度的控制。夾持器圍壓控制時，單片機將壓力傳感器檢測的壓力信號與壓力設定值相比較，經壓力控制算法產生壓力控制輸出量，此時控制輸出量為脈沖信號，脈沖信號輸入步進電機驅動器驅動步進電機運轉，通過改變控制輸出脈沖頻率來控制步進電機轉速，以此實現對夾持器圍壓的控制。流量控制時，單片機將流量計檢測到的流量信號與流量設定值相比較，經流量控制算法產生流量控制信號，控制信號由DAC轉換輸出，轉換輸出的電壓信號輸入變頻器，通過改變加在三相異步電動機的電源頻率來改變電機的轉速實現對流量的控制[5]。

圖3 下位機軟件控制流程圖

3 系統軟件設計

測控系統軟件用上位機和下位機共同完成，上位機用VB語言編寫，主要作用是實現人機交互及與下位機的通訊，將流量的設定值傳至單片機，并實時顯示下位機上傳的流量采樣值。下位機用匯編語言編寫，在PIC單片機通用集成開發環境MPLAB IDE下完成，程序編寫采用了模塊化設計方法，這樣有利于程序代碼的優化，便于調試、維護和升級。同時，同類程序可以放入庫中以備后用。下位機控制程序流程圖如圖3所示。

4 系統實現

整個系統上位機界面如圖4所示。在數據監控界面中可以輸入試驗基本參數、進行試驗項目選擇，實時顯示模擬的溫度、流量和壓力等試驗參數，并可實時顯示測試過程中的濾失曲線，此外還能形象地看到整個系統的工作過程。

圖4 系統上位機界面圖

4 結 語

為測量巖芯受到的鉆井液動態損害并優選出保護油層需要的鉆井液和完井液，采用PIC18F458單片機設計了巖芯動態濾失率測試儀，該測試儀使用方便、準確高效，并可對歷史測量數據進行查詢保存，目前已在新疆、大港等油田使用，受到用戶好評。

[1]余維初.JHMD-Ⅰ新型智能高溫高壓動態損害失水儀的研制[J].鉆井液與完井液，2005,22 (1)：25-27.

[2] 余維初，李淑廉.評價鉆井液、完井液對油層損害深度的新方法——梯度分析法[J].石油鉆采工藝，1995(5)：33-35.

[3] 劉和平. PIC18Fxxx單片機原理及接口設計[M].北京：北京航空航天大學出版社,2004.

[4] 康華光.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社,1999.

[5] 方康玲.過程控制系統[M].武漢：武漢理工大學出版社,2002.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.01.038

TP368

A

1673-1409(2011)01-0109-03