基于總線技術(shù)的井下流量采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計

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(1.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076;2.航天鈞和科技有限公司，北京 100076)

0 引言

多年來，為了滿足油田不同開發(fā)階段的技術(shù)需求，解決油田開發(fā)層間存在的矛盾，對油層進(jìn)行注水，保持各油層壓力，實現(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和改善油田開發(fā)效果[1]。隨著注水時間及注水量的延續(xù)，需要合理控制各層的注水量，防止高滲透層水竄，因此發(fā)展分層注水技術(shù)，實現(xiàn)有效注水，是高含水后期，特高含水期繼續(xù)提高水驅(qū)采收率的主攻方向之一[2-4]。

注水方式可以將油井作為一個整體進(jìn)行注水，即籠統(tǒng)注水，也可以對油井的各個產(chǎn)層進(jìn)行分層注水，達(dá)到分層開采的目的。傳統(tǒng)的籠統(tǒng)注水具有管柱結(jié)構(gòu)簡單、操作簡單的特點(diǎn)，但不能進(jìn)行分層注水，每層的注水量得不到控制，注水不均勻；分層注水采用封隔器和配水器等組合，精確控制各層的注水量，達(dá)到精細(xì)注水的目的[5-6]，越來越受到油田的青睞。

針對現(xiàn)階段籠統(tǒng)注水注水量測量及分層注水每層注水量測量需求，對注水過程中流量測量需求日益增強(qiáng)。目前國內(nèi)電磁流量計使用的較為廣泛，但電磁流量計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為此設(shè)計了基于文丘里流量計原理和485總線通信的井下流量采集傳輸系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，該系統(tǒng)包括地面系統(tǒng)和井下流量采集傳輸系統(tǒng)兩部份。地面系統(tǒng)包括測控計算機(jī)和地面測控箱，其中測控計算機(jī)負(fù)責(zé)采集指令下發(fā)、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)存儲、報表生成打印等；地面測控箱負(fù)責(zé)為井下流量采集傳輸系統(tǒng)提供電源、總線通信、過流保護(hù)等。井下流量采集傳輸系統(tǒng)包括電源變換單元、485總線通信單元、主控單元、AD采集單元、壓力傳感器和溫度傳感器等。電源變換單元作為井下流量采集傳輸系統(tǒng)的電源來源，為主控單元、通信單元、AD采集單元、壓力傳感器和溫度傳感器提供電源；通信單元負(fù)責(zé)主控單元與測控計算間485總線通信；主控單元負(fù)責(zé)接收測控計算機(jī)發(fā)來的指令、AD采集、瞬時流量計算、總流量計算、指令信息回復(fù)等；AD采集單元負(fù)責(zé)采集壓力傳感器和溫度傳感器數(shù)據(jù)等。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

使用過程中，井下流量采集傳輸系統(tǒng)隨油管下至井下幾千米需要測量流量對應(yīng)層處，通過鎧裝線纜與放置在井口的地面測控箱連接，測控計算機(jī)通過串口線纜與地面測控箱間連接，如圖2所示，鎧裝電纜為4芯，其中2芯為電源線纜，2芯為485總線通信線纜。

圖2 井下流量采集傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 485總線通信原理圖

井下流量采集傳輸系統(tǒng)中的電源單元將地面測控箱提供的高壓直流電轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的低壓直流電；主控單元實時通過AD采集單元實時采集壓差傳感器壓力、壓力傳感器壓力及溫度傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)文丘里計算公式、壓差傳感器壓力及溫度數(shù)據(jù)實時計算瞬時流量，并通過瞬時流量對時間進(jìn)行積分計算總流量。當(dāng)?shù)孛鏈y控計算機(jī)通過串口發(fā)送給地面測控箱并經(jīng)地面測控箱和鎧裝電纜以485總線方式下傳至井下流量采集傳輸系統(tǒng)中的主控單元時，主控單元將根據(jù)協(xié)議將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送，經(jīng)鎧裝電纜和地面測控箱到達(dá)測控計算機(jī)，測控計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼、顯示及存儲，并可提供報表生成打印服務(wù)。

當(dāng)多個井下流量采集傳輸系統(tǒng)一起下入同一口井使用時，共用一套地面系統(tǒng)，各井下流量采集傳輸系統(tǒng)間通過鎧裝電纜連接在一起，測控計算機(jī)通過軟件協(xié)議中指令命令符的不同區(qū)分不同流量采集傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，達(dá)到多級使用的目的。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計及算法描述

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1 電源變換單元

電源變換單元負(fù)責(zé)將地面提供的高壓直流電(+24 V～+72 V)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的低壓直流電(+5 V)，在設(shè)計時電源模塊的輸入端電源正負(fù)間串接5個3.3 μF/250 V電容和1個0.1 μF/250 V電容。

地面測控箱與井下流量采集傳輸系統(tǒng)間使用幾千米鎧裝電纜連接，為避免電源接反及瞬間斷電產(chǎn)生的高壓反電動勢燒壞電源模塊，在電源線纜進(jìn)入電源模塊前電源正負(fù)間反接一個1.5KE250A二極管，用以保護(hù)電源模塊。

2.1.2 485總線通信單元

RS- 485總線系統(tǒng)具有硬件設(shè)計簡單、控制方便、成本低廉、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、小區(qū)監(jiān)控、水情監(jiān)測、地震勘探等領(lǐng)域[7-9]。

485總線通信單元原理如圖3所示，485總線芯片采用Ti公司的SN65HVD1781-Q1芯片，該芯片具有總線管腳保護(hù)不下于±70 V、工作電壓從3.3 V～5 V、±16 KV HBM保護(hù)、功耗低等特點(diǎn)。

由于井下流量采集傳輸單元在井下工作，通過幾千米鎧裝電纜與地面測控箱間連接，因此在通信過程中干擾較大，為了抑制干擾，采取如下措施：

1)在485總線芯片的A腳和B腳分別串聯(lián)一個10歐姆電阻；

2)在總線上串接共模扼流圈；

3)總線的A線和B線分別對地進(jìn)行串接TVS管；

4)總線A線和B線分別對地進(jìn)行串接30 Pf電容；

5)總線A線和B線直接串接兩個60.4歐姆電阻，兩個電阻中間通過一個4.7 Pf電容對地連接；

6)485總線進(jìn)入電路板后，A線和B線間串聯(lián)一個1.5 KE11CA的TVS管，同時分別對地串接一個1.5 KER7.5CA的TVS管，避免因高壓電引入燒壞485總線通信單元。

由于與地面測控箱間連接的鎧裝電纜不僅提供485總線通信，還提供電源，為了盡可能的減弱干擾，鎧裝電纜中的2根485總線電纜進(jìn)行雙絞處理、提供電源的2根電纜也進(jìn)行雙絞處理。

2.1.3 主控單元

井下流量采集傳輸系統(tǒng)主控芯片采用MICROCHIP公司的PIC18F25K80芯片，該單片機(jī)工作電壓范圍：1.8 V 至 5.5 V、自帶片上 3.3 V穩(wěn)壓器、工作速度最高可達(dá) 64 MHz、最大64 KB的片上閃存程序存儲器、最少20年數(shù)據(jù)保存時間(典型值)、1024字節(jié)的數(shù)據(jù) EEPROM、3.6 KB的通用寄存器(SRAM)、3個內(nèi)部振蕩器、中斷優(yōu)先級、擴(kuò)展型看門狗定時器(WDT)，同時具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[10]。

具有5個 CCP/ECCP模塊、5 個8/16位定時器/計數(shù)器模塊、2個模擬比較器、可配置的參考時鐘輸出、最多4個外部中斷、3/4線 SPI(支持所有 4 種 SPI 模式)、I2CTM主/從模式、2個增強(qiáng)型可尋址 USART模塊、最多具有11路通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器、符合CAN 2.0B Active規(guī)范。

2.1.4 AD采集單元

ADC采集單元負(fù)責(zé)采集壓差傳感器輸出電壓、壓力傳感器輸出電壓、標(biāo)準(zhǔn)電壓值及溫度傳感器輸出電壓，其中壓差傳感器輸出電壓用于計算文丘里流量計兩端壓力差，根據(jù)壓差計算瞬時流量及總流量；壓力傳感器實時用于測量地層壓力；溫度傳感器用于測量井下溫度，同時根據(jù)溫度對壓差傳感器及壓力傳感器在井下實時進(jìn)行二次溫漂補(bǔ)償；標(biāo)準(zhǔn)電壓源為標(biāo)準(zhǔn)輸出2.5 V直流電壓，精度為±2 mV，AD采集單元實時采集該標(biāo)準(zhǔn)電壓，用于對采集的壓差傳感器輸出電壓、壓力傳感器輸出電壓和溫度傳感器輸出電壓進(jìn)行實時校準(zhǔn)，以提高電壓采集精度，從而提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度。

AD采集單元的ADC芯片選用TI公司的ADS8320芯片，該芯片為單通道16位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，具有功耗低、供電電壓范圍寬等特點(diǎn)，與主控芯片間采用SPI總線通信。

由于ADS8320芯片位單通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，為了滿足壓差傳感器輸出電壓、壓力傳感器輸出電壓、溫度傳感器輸出電壓及標(biāo)準(zhǔn)電壓4路模擬數(shù)據(jù)采集要求，在4路需采集電壓與ADC芯片間接入一個ADI公司的ADG604模擬開關(guān)，該開關(guān)具有供電電壓靈活、軌對軌等特點(diǎn)，完全滿足需求，通過主控芯片IO控制模擬開關(guān)通道選擇，操作簡單，如圖4所示。

圖4 模擬開關(guān)使用原理圖

由于需要主控芯片IO控制模擬開關(guān)通道選擇，主控芯片PIC18F25K80的IO腳輸出電壓為3.3 V，為了增加主控芯片IO的驅(qū)動能力，避免因主控芯片IO管腳驅(qū)動能力不足導(dǎo)致模擬開關(guān)通道選擇失敗問題，在主控芯片IO管腳后接入MICROCHIP公司的MCP1402芯片，該芯片實現(xiàn)將主控芯片IO管腳輸出的3.3 V電壓提高到5 V，增加驅(qū)動能力。

2.1.5 地面測控箱

地面測控箱實現(xiàn)為井下流量采集傳輸系統(tǒng)提供電源、總線通信、過流保護(hù)。

為了方便井場使用，測控箱選用交流220 V市電作為供電電源，在測控箱中集成交流220 V轉(zhuǎn)直流電源模塊，為滿足井下電源需求，測控箱中電源模塊選用直流輸出0～300 V可調(diào)電壓。

同時測控箱具備將485總線轉(zhuǎn)換為地面測控箱計算機(jī)的232總線通信，在測控箱中集成RS485-RS232通信轉(zhuǎn)換模塊。

2.1.6 文丘里流量計原理

文丘里流量計是一種節(jié)流流量計，節(jié)流流量計是利用節(jié)流裝置前后的壓差與平均流速和流量的關(guān)系，計算出流量的流量計[11-12]。

文丘里流量計利用文丘里效應(yīng)原理來測量流量，該效應(yīng)表現(xiàn)在受限流動在通過縮小的過流斷面時，流體出現(xiàn)流速增大的現(xiàn)象，其流速與過流斷面成反比。而由伯努利定律知流速的增大伴隨流體壓力的降低，形成壓差，即常見的文丘里現(xiàn)象[13]。通俗地講，這種效應(yīng)是指在高速流動的流體附近會產(chǎn)生低壓，從而產(chǎn)生吸附作用。利用這種效應(yīng)可以制作出文氏管。對于理想流體(氣體或者液體，其不可壓縮和不具有摩擦)，其壓力差通過伯努利方程獲得，由于本流量計用于測量注入水的流量，因此可利用伯努利方程來計算。

根據(jù)能力守恒定律，能量守恒定律——伯努力方程和流動連續(xù)性方程：

z2-z1= -L·cos(θ)

截面1和2上的流量，即文丘里的入口和出口的流量：

其中:d1和d2分別為截面1和截面2的直徑，m；V為體積流量，m3/s。

圖5 文丘里流量計

其中:ρ為流體的密度；μ為流體的動力粘度，對于水μ= 0.001 Pa·s。

對于水，其中取阻力系數(shù)：λ= 0.025；

由此可得瞬時流量：

其中:Δp單位為Pa；ρ單位kg/m3，對于水ρ= 1 000 kg/m3；L單位m；d1和d2單位m。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

井下流量采集傳輸系統(tǒng)程序由地面測控軟件和井下數(shù)據(jù)采集傳輸嵌入式軟件組成。

3.1 地面測控軟件

地面測控軟件安裝在測控計算機(jī)上使用，負(fù)責(zé)采集指令下發(fā)、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)存儲、報表生成打印等；

地面測控計算機(jī)與井下流量采集傳輸系統(tǒng)的主控單元間通過485總線通信，485為半雙工總線，因此地面測控計算機(jī)作為主機(jī)，井下系統(tǒng)中的主控單元為從機(jī)，地面測控計算機(jī)定時向下發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，并等待一定時間，如果此時間內(nèi)，井下系統(tǒng)主控單元沒有將數(shù)據(jù)反饋給測控計算機(jī)，測控計算機(jī)將認(rèn)為此幀無應(yīng)答，發(fā)送下一個指令；當(dāng)多個井下流量采集傳輸系統(tǒng)一起下入同一口井使用時，共用一套地面系統(tǒng)，各井下流量采集傳輸系統(tǒng)間通過鎧裝電纜連接在一起，因此為了滿足共用一套地面系統(tǒng)的問題，在地面測控軟件設(shè)置命令字來滿足對各個井下系統(tǒng)指令下發(fā)及井下系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳的區(qū)分，具體格式如下：

地面測控軟件發(fā)送指令格式如表1。

表1 地面測控軟件發(fā)送指令格式

井下系統(tǒng)主控單元回復(fù)格式表2。

表2 井下系統(tǒng)主控單元回復(fù)格式

其中地面測控軟件發(fā)送指令中：

主機(jī)命令字0xA0：代表該幀為地面測控計算機(jī)下發(fā)數(shù)據(jù)讀取指令；

從機(jī)命令字0xB1/0xB2/…./0xBn：代表地面測控計算機(jī)讀幾號井下系統(tǒng)中數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)長度：代表命令字后面將帶幾個字節(jié)有效數(shù)據(jù)；

校驗：主機(jī)命令字、從機(jī)命令字、數(shù)據(jù)長度以及數(shù)據(jù)的同或；

結(jié)束字0x0A：代表此幀數(shù)據(jù)結(jié)束。

其中井下系統(tǒng)主控單元回復(fù)格式中：

從機(jī)命令字0xB1/0xB2/…./0xBn：代表幾號井下系統(tǒng)向地面測控計算機(jī)回復(fù)數(shù)據(jù)；

主機(jī)命令字0xA0：代表是該幀數(shù)據(jù)為井下系統(tǒng)向地面測控計算機(jī)回復(fù)數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)長度：代表命令字后面將帶幾個字節(jié)有效數(shù)據(jù)；

校驗：主機(jī)命令字、從機(jī)命令字、數(shù)據(jù)長度以及數(shù)據(jù)的同或；

結(jié)束字0x0A：代表此幀數(shù)據(jù)結(jié)束。

經(jīng)過上述格式指令下發(fā)及數(shù)據(jù)回復(fù)確保指令下發(fā)、數(shù)據(jù)接收的準(zhǔn)確無誤，地面測控軟件包括指令定時發(fā)送、數(shù)據(jù)中斷接收、數(shù)據(jù)解析顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)打印，軟件流程圖如6所示。

圖6 地面軟件定時中斷、接收中斷及主程序流程圖

3.2 井下數(shù)據(jù)采集傳輸嵌入式軟件

井下數(shù)據(jù)采集傳輸軟件主要功能接收地面測控軟件發(fā)送的指令、回復(fù)數(shù)據(jù)、井下傳感器數(shù)據(jù)采集計算。要包括控制主程序、定時器中斷子程序和外部中斷子程序三部分。

控制主程序主要完成系統(tǒng)初始化、看門狗初始化、功能寄存器初始化、全局變量初始化、定時器及外部中斷初始化等；定時器中斷子程序主要完成清除看門狗、AD采集傳感器數(shù)據(jù)、壓力、溫度、流量等數(shù)據(jù)計算，主程序及定時器中斷流程圖如圖7所示。

圖7 主程序、定時器中斷流程圖

外部中斷子程序主要完成清除485中斷信號、指令接收、指令解析以及數(shù)據(jù)回復(fù)，該軟件外部中斷優(yōu)先級在程序中為最高優(yōu)先級，在接收到地面測控計算機(jī)發(fā)送的指令后，首先進(jìn)行指令解析和數(shù)據(jù)反饋外部中斷子程序流程圖如圖8所示。

圖8 外部中斷子程序流程圖

4 實驗及結(jié)果分析

為了驗證井下流量采集傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸及參數(shù)采集計算的可靠性及準(zhǔn)確性，進(jìn)行了地面試驗，試驗條件如下：

1)使用泵車進(jìn)行泵水流過井下流量采集系統(tǒng)；

2)井下流量采集傳輸系統(tǒng)與地面測控箱間使用4 000米4芯鎧裝電纜連接；

3)在泵車和井下流量采集傳輸系統(tǒng)間串接一個電磁流量計，用于檢驗設(shè)計的井下流量采集系統(tǒng)測量流量的準(zhǔn)確性；

4)測控箱供電電壓60 V；

圖9 井下流量采集傳輸系統(tǒng)地面試驗

由于井下流量采集傳輸系統(tǒng)采用文丘里原理進(jìn)行流量測量，即采用壓差及文丘里管尺寸進(jìn)行計算得到流量，由于其量程比較小，不同的流量范圍采用不同的結(jié)構(gòu)尺寸(D和d)，其中D和d尺寸見圖2中的標(biāo)注，不同的流量范圍與結(jié)構(gòu)尺寸之間關(guān)系如表3所示；管徑(D)20 mm，不同開孔尺寸(d)，其壓差與流量之間關(guān)系如圖10所示。

表3 結(jié)構(gòu)尺寸和流量間關(guān)系

圖10 壓差與流量之間關(guān)系

地面測控軟件間隔2秒向井下流量采集傳輸系統(tǒng)發(fā)送一次數(shù)據(jù)上傳指令，井下流采集傳輸系統(tǒng)接到指令后，將實時的壓差傳感器壓力數(shù)據(jù)、溫度、瞬時流量及總流量上傳至地面測控計算機(jī)。

分別使用泵車對設(shè)計的3臺井下流量采集傳輸系統(tǒng)進(jìn)行泵水計量試驗，其中泵車?yán)碚撆帕?、安裝的電磁流量計排量及井下流量采集傳輸系統(tǒng)測量的流量如表4所示。

表4 井下流量采集傳輸系統(tǒng)流量測量情況

水力泵車采用柱塞泵，其排量不精確，從上表2可以看出，井下流量采集傳輸系統(tǒng)測量的瞬時流量與外接的電磁流量計測量的瞬時流量一致，誤差不超過0.5%，滿足井下流量采集精度及數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

5 結(jié)論

本文結(jié)合井下流量采集傳輸?shù)囊螅瑢?85總線的井下流量采集傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)，編寫了嵌入式控制采集軟件和地面測控軟件。試驗結(jié)果表明：基于485總線的流量采集傳輸系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r將井下幾千米采集的流量等信息上傳至地面，同時流量采集精確，結(jié)構(gòu)簡單，具有集成度高、多級串接、單層使用成本低、使用方便等特點(diǎn)。

由于該系統(tǒng)采用壓差及文丘里管尺寸進(jìn)行計算得到流量，由于其量程比較小，不同的流量范圍采用不同的結(jié)構(gòu)尺寸，在工具入井使用前需要根據(jù)流量大小選用對應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸，如果流量與結(jié)構(gòu)尺寸不對應(yīng)或相差較大，影響流量采集精度，為了解決此問題，需要能夠?qū)崟r根據(jù)流量調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸以保證流量采集精度。

井下流量采集傳輸系統(tǒng)滿足油田注水井下對流量實時采集及上傳的需求，同時使用成本較低，滿足油田降本增效的需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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