分層注水測控系統(tǒng)井下電路設(shè)計(jì)

黃志龍

（西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710021）

為了滿足油田的實(shí)際需要，促使了分層注水工藝研究和配套工具不斷地改進(jìn)和優(yōu)化。 國內(nèi)研究了空心分注、油套分注等多種分層注水工藝，逐漸形成空心分注、橋式偏心分注、油套分注和偏心分注等主要的分注工藝技術(shù)[1-2]。 常規(guī)的偏心工藝應(yīng)用較成熟，橋式偏心分注技術(shù)是在偏心工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展的， 是目前油田分注技術(shù)的主體技術(shù)，能夠完成多級(jí)的分層注水，明顯的減少層與層之間的干擾，提高了測試精度和工作效率，但是仍然沒有擺脫水嘴工作量大、周期長的問題[3-4]。

針對目前分層注水工藝技術(shù)存在的不足，本文提出了分層注水測控系統(tǒng)的方案，并進(jìn)行了系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，便于擴(kuò)展與移植。

1 分層注水測控系統(tǒng)的方案

分層注水測控系統(tǒng)的方案原理圖如圖1 所示，該方案主要由地面控制系統(tǒng)、操作工具系統(tǒng)、井下測控系統(tǒng)三個(gè)部分構(gòu)成。在注水井正常分注狀態(tài)下，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，按照一定的時(shí)間間隔自動(dòng)記錄各層的注水量、壓力等參數(shù)，井下控制器可以根據(jù)注水量變化狀態(tài)定時(shí)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 在分層注水讀取井下測試數(shù)據(jù)工作狀態(tài)時(shí)，需要向井下伸入電纜并攜帶操作工具，通過操作工具在井下與智能配水器進(jìn)行無線通訊，可以讀取井下存儲(chǔ)器中的流量、壓力等數(shù)據(jù)，地面電腦可以顯示注水量曲線、注水層壓力變化曲線。

2 井下電路設(shè)計(jì)

井下電路主要完成壓力、溫度、流量信息的采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及對電機(jī)的控制。 單片機(jī)選用STC12C5A60S2，該芯片具有高速、低功耗及強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn)，可產(chǎn)生2 路的PWM，內(nèi)部含有復(fù)位電路和10 位的A/D。 井下電路原理圖如圖2 所示。

圖1 分層注水測控系統(tǒng)的方案原理圖

圖2 井下電路原理圖

2.1 信號(hào)采集電路

溫度數(shù)據(jù)通過溫度傳感器直接采集， 再進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后進(jìn)行處理；壓力數(shù)據(jù)采用壓力變送器進(jìn)行采集，其內(nèi)部集成有測量電路，輸出為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)；流量數(shù)據(jù)是通過差壓傳感器測得注水口的壓力差進(jìn)而標(biāo)定的。

2.1.1 溫度信號(hào)采集

根據(jù)井下工作空間狹小、工作溫度高等要求，選用DS18B20 進(jìn)行溫度測量，它是線式數(shù)字溫度傳感器，體積很小，測量溫度范圍為-55～125℃，可以編程選擇12 位的A/D 轉(zhuǎn)換精度，分辨率可以達(dá)0.0625℃，直接串行輸出數(shù)字量，可與單片機(jī)相連。由于DS18B20 內(nèi)部集成了A/D 模塊，簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)，因此電路應(yīng)用非常簡單。

2.1.2 壓力信號(hào)采集

考慮到開發(fā)周期的問題，直接采用壓力變送器來設(shè)計(jì)，它是由壓力傳感器、測量電路和過程連接三部分組成。根據(jù)井下壓強(qiáng)大、空間小的要求，選用CYB-21S 超小型壓力變送器，它的溫度使用范圍為0～125℃，加上精心設(shè)計(jì)的電子線路和一體化結(jié)構(gòu)，輸出為1～5V 標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，適合在油氣井等惡劣的環(huán)境中使用。

2.1.3 流量信號(hào)采集

本次采用孔板流量計(jì)，它是利用節(jié)流孔（孔板）的作用使孔板上下產(chǎn)生壓差，然后通過差壓計(jì)測量壓差來計(jì)算出流量。 根據(jù)對尺寸的要求， 選用HT20 硅壓阻式差壓傳感器， 它采用全316L 不銹鋼一體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品性能穩(wěn)定、可靠，耐高靜壓，性價(jià)比高。 根據(jù)實(shí)際情況HT20 的量程選擇為0～200KPa，為了實(shí)現(xiàn)高精度測量，同時(shí)考慮成本等原因限制，采用AD 8638 進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，然后將輸出信號(hào)經(jīng)過分辨率為16 位的AD976 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，最后將數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)處理。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

在井下需要對采集過來的溫度、壓力、流量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以供用戶日后查看。 本次采用2 片AT24C512 進(jìn)行擴(kuò)展，它的容量為64KB，是電擦除的存儲(chǔ)器，所以能夠存儲(chǔ)128KB。該芯片與單片機(jī)連接方便，只需要三根線，可以有效的減少I/O 口的占用。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

在井下電機(jī)的作用是調(diào)節(jié)水嘴大小， 進(jìn)而改變噴水口的截面積，實(shí)現(xiàn)注水量的調(diào)節(jié)。考慮到電機(jī)有足夠大的輸出轉(zhuǎn)矩和注水井管道內(nèi)部狹小的空間對電機(jī)的外形尺寸的限制，電機(jī)選用RE-max 21 電機(jī)，與減速箱GP22C 組合使用，最大瞬間轉(zhuǎn)矩為3Nm，標(biāo)稱功率為6w，額定電壓為 12V， 最高連續(xù)轉(zhuǎn)速為 5rpm。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是由STC12C5A60S2 和L298N 共同構(gòu)成，采用PWM 波控制電機(jī)，通過單片機(jī)的 P2.1 和 P2.2 口控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)測試

3.1 溫度信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)

溫度信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)是在室內(nèi)進(jìn)行的， 通過DS18B20 測量室內(nèi)的溫度，再利用LCD 1602 來顯示其溫度值，此過程包含了溫度傳感器的采集、A/D 轉(zhuǎn)換以及LCD 的顯示。溫度數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)如圖3 所示，此時(shí)顯示溫度是 19.5℃。

圖3 溫度信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

電路焊接調(diào)試好后，在室內(nèi)對直流電機(jī)做控制實(shí)驗(yàn)，通過控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)來實(shí)現(xiàn)水嘴的開合大小。 如圖4 所示，實(shí)驗(yàn)表明該電機(jī)可以驅(qū)動(dòng)和控制水嘴開合的大小。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)論

針對目前分層注水工藝技術(shù)存在的不足，本文提出了分層注水測控系統(tǒng)的方案，采用無線+電纜的方式實(shí)現(xiàn)井下與地面的信息傳輸，并設(shè)計(jì)了注水井井下的控制電路，實(shí)現(xiàn)流量、壓力、溫度信號(hào)的采集以及電機(jī)的控制，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證溫度信號(hào)采集和電機(jī)控制的正確性。

［1］高照敏,程時(shí)清,等.分注工藝技術(shù)在長慶油田的應(yīng)用與發(fā)展趨勢[J].石油石化節(jié)能,2011,11(3):19-21.

［2］劉永勝.注水井分層智能聯(lián)動(dòng)調(diào)配系統(tǒng)[J].石油儀器,2007,21(1):62-63.

［3］鄧剛,王琦,高哲.橋式偏心分層注水及測試新技術(shù)[J].油氣井測試,2002(03):23-27.

［4］徐廣天,米忠慶,張傳軍,孫宇飛.注水井高效測調(diào)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用[J].石油科技論壇,2010(06):123-127.