基于dsPIC33F芯片的智能注水測控系統(tǒng)設(shè)計

杜福云，王愛雙，李英松，韓子玞，周 歡，李 越

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)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(xiàn)象普遍存在，且存在埋藏深、層段長、低滲和低孔等現(xiàn)象，采用油藏細分注水技術(shù)能夠有效提高儲層動用程度。

注水開發(fā)能夠保持油層壓力，降低原油的遞減率，是實現(xiàn)油田開發(fā)長期高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)最經(jīng)濟、最有效的技術(shù)手段，如何提高注水井的分注率、調(diào)配率、合格率，實現(xiàn)注好水、注夠水、有效注水、完善注采關(guān)系也就成為海上油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。

測調(diào)聯(lián)動一體化智能注水技術(shù)是一種新型的高效分層注水技術(shù)，該技術(shù)利用井下單芯電纜既能供電又能通信的雙重功能，并結(jié)合傳感器、通信和控制等多種技術(shù)，實現(xiàn)智能井功能——井上觀測實時數(shù)據(jù)與調(diào)控井下注水量相結(jié)合[1]，使注水工藝向測調(diào)一體化智能方向發(fā)展。

本文研制了一種基于dsPIC33F控制芯片的智能注水測調(diào)控制系統(tǒng)[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(xiàn)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(nèi)外壓力、流量、溫度等關(guān)鍵注水參數(shù)，結(jié)合單層配注要求，可選擇手動/自動控制模式調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)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(xiàn)井下各層位的流量、注水壓力、地層壓力和溫度等參數(shù)的長期監(jiān)測，進行分層流量調(diào)節(jié)[3]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理及構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理及構(gòu)成

2 井下測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

井下測控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和井下中控系統(tǒng)，由井下電源模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)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(tǒng)構(gòu)成

井下測控系統(tǒng)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(yīng)，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(tǒng)通過編碼電路返回對應(yīng)的數(shù)據(jù)給地面控制器。

c.測量功能。通過優(yōu)化設(shè)計不同的傳感器及調(diào)理電路，進行A/D轉(zhuǎn)換，測量得到流量、溫度、注水壓力和地層壓力的實時數(shù)據(jù)，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(tǒng)通過電機調(diào)節(jié)水嘴開度，可隨時調(diào)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(shè)置時，可以由地面監(jiān)控計算機通過地面控制器與井下測控系統(tǒng)進行雙向通信完成各種設(shè)置?？刹捎镁麻]環(huán)控制、井上閉環(huán)控制、井上開環(huán)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(shè)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(jù)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(tài)下的變化，設(shè)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(shè)計值(DC 70～85 V)。

井下電源模塊通過單芯電纜取電，經(jīng)限幅、穩(wěn)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(shè)計

本設(shè)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(shù)據(jù))的改進哈佛結(jié)構(gòu)，具有增強指令集，其中包括對數(shù)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(shù)據(jù)通信方式，滿足采集模塊通信需求[4-5]，控制模塊原理設(shè)計如圖4所示?？刂菩酒饕玫経ART1、UART2、I2C和PWM 4個模塊：UART1與井下載波模塊連接，接收井上發(fā)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(shù)據(jù)；UART2模塊與流量計短節(jié)通信獲取實時流量數(shù)據(jù)；I2C模塊與壓力傳感模塊連接獲取壓力、溫度數(shù)據(jù)；PWM模塊執(zhí)行電機控制命令。

圖4 控制模塊原理

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)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(jié)通信獲取流量數(shù)據(jù)。

在測量模塊設(shè)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(nèi)部集成2.048 V基準電壓和精確振蕩器，還配置了內(nèi)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(shè)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(nèi)壓；AIN2和AIN3引腳用來測量外壓；REFP 和 REFN 引腳分別用來給內(nèi)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(jié)通信獲取流量數(shù)據(jù)。

2.4 電機控制模塊

由于需要比較大的電流來驅(qū)動電機，所以單片機不能直接驅(qū)動電機。在直流電機控制中經(jīng)常用到H橋電路作為驅(qū)動器的功率驅(qū)動電路, 這種驅(qū)動電路能使直流電機很好地實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)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(jīng)降壓電路將直流電壓降低到70 V左右以后，通過電機驅(qū)動電路獲得大電流驅(qū)動電機轉(zhuǎn)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(yīng)電機電路關(guān)閉。在接收到正轉(zhuǎn)或是反轉(zhuǎn)指令以后，RE0或RE1端子跳變到高電平，電機開始旋轉(zhuǎn)[8-9]。

3 軟件設(shè)計

測調(diào)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括兩部分——地面控制器和井下通信短節(jié)的軟件設(shè)計，以實現(xiàn)井上和井下的雙向傳輸。井下通信短節(jié)采集流量、注水壓力、地層壓力、溫度以及電機行程等數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)監(jiān)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(jié)合配注要求可靈活使用井上開環(huán)控制、井上閉環(huán)控制、井下閉環(huán)控制等流量手動/自動控制方式進行調(diào)控，提高控制效果。

3.1 地面控制器軟件設(shè)計

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

圖6 上位機軟件系統(tǒng)流程

3.2 井下通信短節(jié)軟件設(shè)計

井下通信短節(jié)的軟件設(shè)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(jié)通信獲取流量數(shù)據(jù)，將井下采集的流量、注水壓力、地層壓力和溫度等數(shù)據(jù)上傳。井下通信短節(jié)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(fā)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(shù)據(jù)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(jié)果數(shù)據(jù)，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(nèi)；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(nèi)， 測量結(jié)果表明，溫度、壓力測量精度均比較高。

4.2 模擬井自動測調(diào)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(jié)、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(diào)實驗中，通過上位機軟件開啟手/自動測調(diào)功能，通過上位機界面手/自動控制電機的正反轉(zhuǎn)及時間，每次手/自動調(diào)節(jié)后等待10 s左右，流量穩(wěn)定后，根據(jù)流量計上傳流量實時數(shù)據(jù)前后對比，確定下次調(diào)節(jié)的方向、時間；直至流量分別手動調(diào)節(jié)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(shù)據(jù)與流量設(shè)定值的誤差，誤差在±5%FS的范圍內(nèi)。

在流量測試中，通過上位機軟件調(diào)節(jié)，關(guān)閉水嘴，測量上、下中心管內(nèi)流量。理論上,上、下中心管流量測量值一致，測量結(jié)果如表3所示。

表3 水嘴關(guān)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(nèi)。

進水段對流量始終保持在240 m3/d，通過上位機調(diào)節(jié)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(shù)據(jù)，測量誤差始終保持在1%之內(nèi)，測量精度較高。

5 結(jié)束語

對基于dsPIC33F控制芯片的智能注水測調(diào)控制系統(tǒng)進行了研究，設(shè)計了基于dsPIC33FJ128MC506A控制芯片的井下測控系統(tǒng)，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(xiàn)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(shè)備與井下測調(diào)儀器的通信，經(jīng)實驗驗證，該系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)的高效率工作提供有力保障。