基于dsPIC33F芯片的智能注水測控系統設計

杜福云，王愛雙，李英松，韓子玞，周 歡，李 越

(中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，天津 300451)

0 引言

各油田儲存層具有不同的特征，薄夾層和薄隔層現象普遍存在，且存在埋藏深、層段長、低滲和低孔等現象，采用油藏細分注水技術能夠有效提高儲層動用程度。

注水開發能夠保持油層壓力，降低原油的遞減率，是實現油田開發長期高產和穩產最經濟、最有效的技術手段，如何提高注水井的分注率、調配率、合格率，實現注好水、注夠水、有效注水、完善注采關系也就成為海上油田穩產增產的關鍵技術。

測調聯動一體化智能注水技術是一種新型的高效分層注水技術，該技術利用井下單芯電纜既能供電又能通信的雙重功能，并結合傳感器、通信和控制等多種技術，實現智能井功能——井上觀測實時數據與調控井下注水量相結合[1]，使注水工藝向測調一體化智能方向發展。

本文研制了一種基于dsPIC33F控制芯片的智能注水測調控制系統[2]，將各層測控裝置及水嘴常置于井下固定層位，通過單芯電纜連接，實現在井口或遠程對目標層位的長期實時測控，達到精確分層注水的目的，能有效解決海上油田存在的技術問題。

1 工作原理

地面控制器與井下智能配水器以單芯電纜作為通信媒介實現雙向直流載波通信：用一根單芯鎧裝電纜將井下多個層位的測控裝置連接起來，既滿足了供電的要求，又以總線的方式實現了多路信號、指令的直流載波編碼高效傳輸。地面工作人員通過實時觀測各目標層位的內外壓力、流量、溫度等關鍵注水參數，結合單層配注要求，可選擇手動/自動控制模式調節電機轉向，控制水嘴開度，進而將注水量控制在需要的水平上，從而實現井下各層位的流量、注水壓力、地層壓力和溫度等參數的長期監測，進行分層流量調節[3]。系統結構原理及構成如圖1所示。

圖1 系統結構原理及構成

2 井下測控系統硬件設計

井下測控系統主要包括數據采集系統和井下中控系統，由井下電源模塊、控制模塊、數據采集模塊和電機控制模塊等組成，如圖2所示。

圖2 井下測控系統構成

井下測控系統主要完成以下功能：

a.DC/DC功能。通過井下電源模塊從電纜取電進行DC/DC電壓變換，為電機、測控電路、各類傳感器等提供不同的供電需求。

b.編解碼功能。與地面控制器編解碼功能對應，通過井下直流載波通信模塊的解碼電路接收地面的控制命令并解碼，中控系統通過編碼電路返回對應的數據給地面控制器。

c.測量功能。通過優化設計不同的傳感器及調理電路，進行A/D轉換，測量得到流量、溫度、注水壓力和地層壓力的實時數據，并通過單芯鎧裝電纜通信傳送給上位機顯示。

d.控制功能。井下中控系統通過電機調節水嘴開度，可隨時調控目標層位注水量的大小。如果需要人為改變分層注入量或進行其他設置時，可以由地面監控計算機通過地面控制器與井下測控系統進行雙向通信完成各種設置。可采用井下閉環控制、井上閉環控制、井上開環控制等靈活多樣的流量控制方式，同時具有限時控制、閾值控制和定時控制等功能。

2.1 井下電源模塊設計

井下的電源由井上可程控直流電源輸出提供，通過0～5 V控制信號來改變輸出電壓。根據單芯電纜材料、長度、井下溫度和受力等對單芯電纜的電特性進行分析，以及電流在電機不工作和工作狀態下的變化，設計井下電源需要考慮電纜上的壓降，保證井下電纜接入點電壓達到設計值(DC 70～85 V)。

井下電源模塊通過單芯電纜取電，經限幅、穩壓、限流和過壓保護等電路獲得30 V/5 V/3.3 V等電壓，并分別為載波模塊、芯片等供電，如圖3所示。

圖3 井下電源模塊

2.2 控制模塊設計

本設計采用的控制芯片是微芯公司的單片機 dsPIC33FJ128MC506A芯片。disPIC33F系列芯片采用16位(數據)的改進哈佛結構，具有增強指令集，其中包括對數字信號處理的強大支持；9個16位定時器，滿足編解碼電路軟件要求；8個 PWM通道，滿足電機控制要求；具有 UART1、UART2、SPI和I2C，提供多種數據通信方式，滿足采集模塊通信需求[4-5]，控制模塊原理設計如圖4所示。控制芯片主要用到UART1、UART2、I2C和PWM 4個模塊：UART1與井下載波模塊連接，接收井上發來的控制命令，并上傳井下采集的流量、注水壓力、地層壓力和溫度數據；UART2模塊與流量計短節通信獲取實時流量數據；I2C模塊與壓力傳感模塊連接獲取壓力、溫度數據；PWM模塊執行電機控制命令。

圖4 控制模塊原理

2.3 數據采集模塊設計

數據采集模塊包含測量模塊和通信模塊，測量模塊用于采集電路板溫度、注水壓力和地層壓力，通信模塊用于與流量計短節通信獲取流量數據。

在測量模塊設計中，采用的是TI公司的 ADS122C04芯片。該芯片的電流消耗低至315 μA，電壓輸入范圍2.3～5.5 V，工作溫度最高達150 ℃，具有1～128倍的可編程增益。另外，該芯片具有最多20位的有效分辨率，能同時采集2個差分或者4個單端輸入，具有雙匹配可編程電流源(10 μA～1.5 mA)，內部集成2.048 V基準電壓和精確振蕩器，還配置了內部溫度傳感器，I2C兼容接口，支持3種I2C總線速度模式(標準模式、快速模式和快速模式)，且可配置I2C地址[6]。測量電路如圖5所示。其中，A0和A1引腳用于設置I2C地址；SCL 和 SDA 引腳接上拉電阻后與單片機進行通信；AIN0和AIN1引腳用來測量內壓；AIN2和AIN3引腳用來測量外壓；REFP 和 REFN 引腳分別用來給內外壓力傳感器提供激勵電流。

圖5 壓力溫度測量電路原理

通信模塊采用TI 公司的SN65HVD11_HT芯片，與流量計短節通信獲取流量數據。

2.4 電機控制模塊

由于需要比較大的電流來驅動電機，所以單片機不能直接驅動電機。在直流電機控制中經常用到H橋電路作為驅動器的功率驅動電路, 這種驅動電路能使直流電機很好地實現正轉、正轉制動、反轉和反轉制動4種運行方式[7]。

單芯鎧裝電纜到達井下后電壓在80 V左右，經降壓電路將直流電壓降低到70 V左右以后，通過電機驅動電路獲得大電流驅動電機轉動。控制芯片通過控制RE0和RE1端子的電平對電機進行控制。上電伊始，RE0和RE1為低電平，對應電機電路關閉。在接收到正轉或是反轉指令以后，RE0或RE1端子跳變到高電平，電機開始旋轉[8-9]。

3 軟件設計

測調控制系統的軟件設計包括兩部分——地面控制器和井下通信短節的軟件設計，以實現井上和井下的雙向傳輸。井下通信短節采集流量、注水壓力、地層壓力、溫度以及電機行程等數據，通過單芯鎧裝電纜傳送到井上。地面工作人員通過上位機軟件數據監測界面實時觀測井下流量、注水壓力、地層壓力、溫度和水嘴開度等信息，結合配注要求可靈活使用井上開環控制、井上閉環控制、井下閉環控制等流量手動/自動控制方式進行調控，提高控制效果。

3.1 地面控制器軟件設計

地面控制器主要是上位機的設計，采用Labview語言進行編寫。主要包括系統初始化、參數設置、采集數據和波形顯示、通信編解碼軟件(井下采集數據與井上控制命令實時雙向傳輸)、數據存儲、歷史曲線和電機控制等功能。上位機軟件系統流程如圖6所示。

圖6 上位機軟件系統流程

3.2 井下通信短節軟件設計

井下通信短節的軟件設計主要是在主控芯片dsPIC33FJ128MC506A中進行程序的編寫，解碼地面控制命令，與流量計短節通信獲取流量數據，將井下采集的流量、注水壓力、地層壓力和溫度等數據上傳。井下通信短節的程序采用C語言進行編寫，主要包括初始化程序、解碼程序、串口接收/發送中斷程序、壓力溫度采集程序、電機自動控制和手動控制程序。

4 實驗

4.1 壓力、溫度傳感器測試

對壓力傳感器進行溫度修正后進行測試，在不同溫度下壓力由0 按照步長5 MPa上升至60 MPa，再由60 MPa按照步長5 MPa下降至0，測試數據如表1和表2所示。

表1 壓力、溫度測試實驗記錄1

表2 壓力、溫度測試實驗記錄2

分析測試結果數據，對比溫度傳感器與標準溫度計的示值誤差，示值誤差在±0.5 ℃的范圍內；對比壓力傳感器與標準壓力表的示值誤差，示值誤差在±0.1%FS的范圍內， 測量結果表明，溫度、壓力測量精度均比較高。

4.2 模擬井自動測調實驗測試

在實驗時，將配水器接入模擬井； 連接地面控制儀和井下通信短節、井下配水器。由于模擬井最大流量為240 m3/d，所以，本次測試的流量范圍0～240 m3/d。

在手/自動測調實驗中，通過上位機軟件開啟手/自動測調功能，通過上位機界面手/自動控制電機的正反轉及時間，每次手/自動調節后等待10 s左右，流量穩定后，根據流量計上傳流量實時數據前后對比，確定下次調節的方向、時間；直至流量分別手動調節至20 m3/d,50 m3/d,100 m3/d,200 m3/d,240 m3/d。對比流量計上傳實時數據與流量設定值的誤差，誤差在±5%FS的范圍內。

在流量測試中，通過上位機軟件調節，關閉水嘴，測量上、下中心管內流量。理論上,上、下中心管流量測量值一致，測量結果如表3所示。

表3 水嘴關閉時進出口流量對比

對比上、下中心管測量值與標準流量值，測量精度滿足始終保持在1%以內。

進水段對流量始終保持在240 m3/d，通過上位機調節水嘴大小，觀測下中心管測量值與注水管測量值，如表4所示。

表4 水嘴不同開度下流量對比

理論上注水管流量測量值與下中心管流量測量值(出口)之和與上中心管測量值(入口)相同，分析測量數據，測量誤差始終保持在1%之內，測量精度較高。

5 結束語

對基于dsPIC33F控制芯片的智能注水測調控制系統進行了研究，設計了基于dsPIC33FJ128MC506A控制芯片的井下測控系統，將各層測控裝置及水嘴常置于井下固定層位，通過單芯電纜連接，實現在井口或遠程對目標層位的長期實時測控，達到精確分層注水的目的，能很好地進行地面設備與井下測調儀器的通信，經實驗驗證，該系統控制精度、實時性和可靠性均能很好地滿足要求，提高了井下配注的準確性，為注水測調系統的高效率工作提供有力保障。