油田智能分層注水井下控制系統(tǒng)設(shè)計

宋華軍，李 翼，杜志民，沈美麗

（1.中國石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院，山東 青島 266400；2.中國移動通信集團山東有限公司菏澤分公司，山東 菏澤 274000；3.青島理工大學(xué) 理學(xué)院，山東 青島 266525）

0 引 言

水驅(qū)油藏開發(fā)過程是一個動態(tài)變化過程，水驅(qū)油田進入高含水開發(fā)期后，需要對各種生產(chǎn)動態(tài)進行實時監(jiān)測并做出動態(tài)調(diào)整[1]。油田注水作為油田開發(fā)中重要的一環(huán)，是保持油層壓力、實現(xiàn)油田產(chǎn)量高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效手段[2]，決定著采油的產(chǎn)量和效率。

我國在20世紀(jì)60年代提出并開展了分層注水工藝研究[3]，經(jīng)歷了固定式分層注水技術(shù)、鋼絲投撈式分層注水技術(shù)、電纜側(cè)調(diào)試分層注水技術(shù)等優(yōu)化改進，已經(jīng)發(fā)展到第四代井下智能注水及地面智能控制技術(shù)時代[4]。但是，目前國內(nèi)很多油田尤其是小型油田仍使用第三代電纜側(cè)調(diào)式分層注水的方式，存在工作量大、精細(xì)注水效率低、調(diào)測周期長以及獲取注水設(shè)備信息滯后等問題。本文設(shè)計一種油田智能分層注水及遠程監(jiān)控系統(tǒng)，將各層測控裝置與閥門置于井下固定層位[5]，通過井上設(shè)備注水打壓產(chǎn)生的壓力波指令實現(xiàn)對目標(biāo)層位設(shè)備的遠程實時控制，達到精準(zhǔn)分層注水的目的，從而有效解決上述問題。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]，主要由壓力傳感器、智能注水控制板和直流電機等部分組成。工作時，各層壓力傳感器將當(dāng)前注水層的壓力信息（模擬信號）發(fā)送給注水控制板，注水控制板將此模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。如果此壓力信號中包含符合預(yù)定協(xié)議的壓力波信息，則注水板輸出驅(qū)動信號對電機進行控制（通過調(diào)整電機實際轉(zhuǎn)動圈數(shù)確定閥門開度大小）；井上控制板通過RS 485總線與井口端設(shè)備通信，將獲取的注水設(shè)備信息通過GPRS模塊發(fā)送給云服務(wù)器，云服務(wù)器對接收到的數(shù)據(jù)進行解析并保存到數(shù)據(jù)庫。遠程客戶端從云服務(wù)器下載指定設(shè)備的注水信息，在界面實時顯示和存儲實時數(shù)據(jù)，并可發(fā)送操作指令遠程控制注水設(shè)備。本文重點介紹油田智能分層注水井下控制系統(tǒng)的設(shè)計。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 井下控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

油田智能分層注水井下控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，由STM32核心控制模塊、電機驅(qū)動模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、抗噪電阻編碼器模塊、E2PROM模塊、電源模塊、直流電機和壓力傳感器等組成。

圖2 井下控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計圖

2.1 STM32核心控制模塊

STM32核心控制模塊電路圖如圖3所示。STM32核心控制模塊由STM32F103RCT6單片機和其他外圍電路組成，是整個注水板的核心，負(fù)責(zé)處理接收到的信息并對直流電機發(fā)送控制指令。該芯片是STM32系列中一款性價比極高的微處理器[7]，其內(nèi)核是ARM32位的Cortex_M3處理器，有著豐富的片上資源。STM32F103RCT6芯片最高擁有72 MHz的工作頻率，并且其內(nèi)部集成了8個定時器和多達9個通信接口，可以提供優(yōu)秀的計算性能和先進的中斷響應(yīng)，可滿足本文井下控制系統(tǒng)的需要，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

圖3 STM32核心控制模塊原理圖

2.2 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊的作用是輸出驅(qū)動信號控制直流電機轉(zhuǎn)動[8]，進而調(diào)整井下閥門開度，其原理圖如圖4所示。系統(tǒng)選取MC33887芯片作為電機驅(qū)動芯片，該芯片是一款單片H橋功率集成電路，具有負(fù)載電流反饋功能，工作電壓范圍為5～28 V，連續(xù)DC負(fù)載電流可達5.0 A，在PWM頻率高達10 kHz時，可對輸出負(fù)載進行脈寬調(diào)制，適用于閉環(huán)直流電機控制。

圖4 電機驅(qū)動模塊原理圖

ACPL-217-56AE是一款單通道光電耦合器，在單片機的輸出信號與驅(qū)動芯片的輸入信號間加裝光電耦合器的目的是減小電機噪聲的干擾，使控制信號輸入更加穩(wěn)定。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的作用是將井下壓力傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可以處理的數(shù)字信號，原理圖如圖5所示。本文所采用的AD7794是一款低功耗、低噪聲、高精度的24 /16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器[9]，已廣泛應(yīng)用于溫度測量和壓力測量等工業(yè)領(lǐng)域中。該轉(zhuǎn)換器采用2.7～5.25 V電源供電，額定溫度范圍為-40～125℃，可滿足在高溫高壓的井下環(huán)境中正常工作。

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊原理圖

2.4 抗噪電阻編碼器模塊

直流電機部分由直流電機、抗噪電阻編碼器和電機零觸點控制板組成。由于高溫和電機工作產(chǎn)生噪聲的影響，使用霍爾編碼器輸出脈沖信號測量電機轉(zhuǎn)軸角位移的效果不理想，故本文系統(tǒng)自主設(shè)計了一個抗噪電阻編碼器，其原理圖及實物圖如圖6所示。該編碼器的原理是通過測量串聯(lián)電路上各點電阻的電壓值確定電機的轉(zhuǎn)動角度，根據(jù)分壓公式，Pn點的電壓表示為：

圖6 電阻編碼器原理圖及實物圖

在實際工作過程中，電阻編碼器固定在電機尾部，在電機轉(zhuǎn)軸上引出一個觸點與電阻編碼器B面接觸，電機轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)過程中接觸到表面的電壓檢測點，單片機讀取當(dāng)前點的電壓值，進而判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度。在電阻編碼器上布置了8個電壓檢測點，既達到了抗噪聲穩(wěn)定輸出的目的，又能滿足檢測角位移的需要。

3 井下控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 壓力波通信協(xié)議

壓力波通信是通過地面設(shè)備注水打壓，按照壓力高低和持續(xù)時間的長短組成包含數(shù)據(jù)信息和時鐘信息的編碼信號[10]。設(shè)定單位時間長度為3 min，高壓持續(xù)時間3 min為1，低壓持續(xù)時間3 min為-1；高壓持續(xù)時間6 min為2，低壓持續(xù)時間6 min為-2，以此類推。如圖7所示：一次高壓和一次低壓的數(shù)據(jù)為1位，第1位表示配水器層位（如1，-1組合表示第一層；1，-2組合表示第二層）；第2，3位表示指令編號，第4位表示結(jié)束位，故從井口向井下發(fā)送指令，只需要開、關(guān)4次地面打壓設(shè)備即可完成。同時指令信號用兩位編碼可以降低注水板接收到錯誤信號的概率和編碼更多的開度指令，其最大優(yōu)點是：在節(jié)省時間的前提下，盡可能減少打壓的開關(guān)次數(shù)，可以在保證傳遞數(shù)據(jù)的同時，最大限度地為電池供電的配水器省電。

圖7 壓力波通信協(xié)議原理圖

3.2 系統(tǒng)軟件工作流程

井下注水板采用單片機自動控制原理[11]，分為兩種工作模式：通信模式和電機控制模式。通信模式是井下注水板接收地面設(shè)備通信，接收地面設(shè)備發(fā)送的壓力波信息；電機控制模式是單片機發(fā)送特定的指令驅(qū)動電機控制井下閥門旋轉(zhuǎn)到指定開度。系統(tǒng)軟件工作流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件工作流程

主程序在運行時，首先進行初始化，待初始化完成后，開始讀取壓力傳感器獲取的實時壓力數(shù)據(jù)，如果當(dāng)前的壓力值為高壓（大于8 MPa），則記錄高壓的持續(xù)時間；如果當(dāng)前的壓力值為低壓（小于2 MPa），則記錄低壓的持續(xù)時間。如此重復(fù)幾次，若這些壓力和時間組成的信息符合預(yù)設(shè)的壓力波通信協(xié)議，則進入電機控制模式，通過控制電機的轉(zhuǎn)動圈數(shù)和角度來調(diào)整相應(yīng)的井下閥門開度；如果不符合，則繼續(xù)讀取壓力數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測試

4.1 井下控制板實物圖

控制板實物圖如圖9所示，使用Altium Designer軟件設(shè)計完成。控制板尺寸為9 cm×2.5 cm，集成化程度較高，投放到井下后占用空間小。

圖9 控制板實物圖

4.2 電阻編碼器穩(wěn)定性測試

將霍爾編碼器在常溫和高溫下對比測試發(fā)現(xiàn)：常溫條件下，電機轉(zhuǎn)動一圈霍爾編碼器輸出的計數(shù)值大約為40 000個；而在125℃以上高溫條件，電機轉(zhuǎn)動一圈霍爾編碼器輸出的計數(shù)值與常溫相比相差很大。結(jié)果表明，霍爾傳感器的準(zhǔn)確性在高溫條件下所受影響較大，在電機轉(zhuǎn)動一圈計數(shù)值誤差太大的情況下，不適于在井下環(huán)境工作。

為了驗證本文設(shè)計的電阻編碼器的穩(wěn)定性，在125℃條件下進行5輪實驗，每輪實驗測試50個電壓檢測點，每隔2 min將觸點轉(zhuǎn)動到電壓檢測點測得的電壓值打印到串口調(diào)試助手，記錄每次打印的電壓值，將打印的數(shù)據(jù)與實際電壓值對比。結(jié)果如表1所示。表1中，在第1，4，5輪測試中50次輸出電壓全部正常，第2，3輪測試各有一次某個電壓檢測點無輸出，經(jīng)排查，是由于觸點轉(zhuǎn)動時和電壓檢測點的接觸不良導(dǎo)致，轉(zhuǎn)動到下一個電壓檢測點時繼續(xù)輸出正確的電壓。

表1 電阻編碼器穩(wěn)定性測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，電阻編碼器在高溫下仍舊能保持良好的穩(wěn)定性，且在實際應(yīng)用中設(shè)置8個電壓檢測點可以實現(xiàn)每45°測試一次電機實時位置，滿足控制井下閥門轉(zhuǎn)到指定開度的需求，故電阻編碼器更適用于井下注水系統(tǒng)。

4.3 系統(tǒng)耐高溫穩(wěn)定性測試

為保證系統(tǒng)在井下高溫正常工作，開展高溫條件下的穩(wěn)定性測試。在實驗室將高溫平臺溫度設(shè)置到125℃以上，搭建橋式電路模擬井下壓力波指令進行，系統(tǒng)連續(xù)工作96 h，發(fā)送指令120次，記錄接收到模擬壓力波指令電機執(zhí)行指令的準(zhǔn)確性。測試結(jié)果表明，經(jīng)過高溫環(huán)境下連續(xù)長時間的工作，智能注水設(shè)備依然正常工作并準(zhǔn)確解析指令控制電機轉(zhuǎn)動。結(jié)果表明所設(shè)計系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實時性和準(zhǔn)確性滿足實際生產(chǎn)需要的要求[12]。

5 結(jié) 語

本文針對現(xiàn)階段油田注水設(shè)備存在的工作量大、注水效率低、調(diào)測周期長等問題，設(shè)計了一種油田智能分層注水井下控制系統(tǒng)，并分別從硬件和軟件兩個方面介紹了整個系統(tǒng)的設(shè)計方案。最后在實驗室條件下通過測試驗證了該系統(tǒng)接收壓力波指令及控制等功能。結(jié)果表明，在高溫條件下長時間運行，此系統(tǒng)依然能保持良好的性能，達到了實際應(yīng)用中對穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性的要求。同時本文系統(tǒng)操作簡便，能夠有效減少工人勞動強度[3]。后續(xù)將重點對井下油藏數(shù)據(jù)進行分析，使油井開發(fā)進行智能決策，達到智慧開采油氣藏的目的。