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案例頻道1 引言
在油田的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中，隨著井深的不斷增加，井下溫度也隨之不斷增加，當(dāng)井深達(dá)到5000m以上時(shí)，地層溫度在100攝氏度以上。原有的井下閥門(mén)控制系統(tǒng)的耐溫、功耗等指標(biāo)較低，不能滿足高溫，長(zhǎng)時(shí)間工作的現(xiàn)場(chǎng)要求[1]。因此，研制一種能長(zhǎng)時(shí)間工作于井下高溫環(huán)境中的智能閥門(mén)控制系統(tǒng)十分必要。
本文設(shè)計(jì)的井下智能閥門(mén)控制系統(tǒng)，利用單片機(jī)組成的計(jì)時(shí)與控制單元，配合多級(jí)封隔器，實(shí)現(xiàn)一次作業(yè)下井，完成測(cè)試管柱，配合地面計(jì)量和化驗(yàn)，進(jìn)行分層和輪番采油。該系統(tǒng)采用雙CPU控制，主機(jī)能在現(xiàn)場(chǎng)完成數(shù)據(jù)的錄入、處理和顯示功能，從機(jī)利用PIC單片機(jī)和硅振蕩器使系統(tǒng)低功耗工作在125攝氏度以下的高溫環(huán)境中，平均工作電流僅為0.2mA，使用10盎司電池供電，可連續(xù)工作1萬(wàn)小時(shí)以上。
2 系統(tǒng)的工作原理
系統(tǒng)的基本工作原理是根據(jù)既定方案設(shè)計(jì)和測(cè)層需要，在地面對(duì)準(zhǔn)備下入井下不同深度目的層的智能閥門(mén)進(jìn)行多個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)間設(shè)定，然后連同封隔器及防砂管柱一起下入井中。根據(jù)所設(shè)定的時(shí)間打開(kāi)或關(guān)閉相應(yīng)的控制閥，自動(dòng)切換目的層，再配合地面低壓測(cè)試儀器，定量讀取各層日產(chǎn)液量、油量、含水及動(dòng)靜液面等數(shù)據(jù)。
本控制系統(tǒng)由以下兩個(gè)部分構(gòu)成：閥門(mén)時(shí)間設(shè)定器（下稱主機(jī)）和油井閥門(mén)控制器（下稱從機(jī)），系統(tǒng)框圖如圖1所示。主機(jī)設(shè)計(jì)為手持設(shè)備，可在地面對(duì)數(shù)個(gè)從機(jī)進(jìn)行多個(gè)時(shí)間設(shè)定，并對(duì)設(shè)定的時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。從機(jī)將連同封隔器和防砂管柱一起下入井中，在主機(jī)設(shè)定的時(shí)間到后，與流量信號(hào)配合動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)相應(yīng)的油井閥門(mén)打開(kāi)或關(guān)閉，并在電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)能夠自動(dòng)切斷電源。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
3 閥門(mén)時(shí)間設(shè)定器的硬件設(shè)計(jì)
閥門(mén)時(shí)間設(shè)定器主要包括人機(jī)界面和通訊模塊，系統(tǒng)采用MCS-51系列中的AT89C52單片機(jī)作為控制核心，系統(tǒng)電路圖如圖2所示。系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了5個(gè)按鍵：“加”鍵，“減”鍵，“移位”鍵，“確認(rèn)”鍵和“取消”鍵。顯示的主要時(shí)間數(shù)據(jù)包括“年、月、日、時(shí)、分”，數(shù)據(jù)量較大，因此選用192×64個(gè)顯示單元的LCD顯示器。單片機(jī)能夠直接訪問(wèn)LCD顯示器，省去了單片機(jī)與LCD顯示器之間的液晶顯示控制器，降低系統(tǒng)成本。主機(jī)和從機(jī)單片機(jī)都帶有通用的異步串行口，因此利用串口通訊十分方便，本系統(tǒng)采用RS-232串口通訊，以半雙工的工作方式完成數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸。
圖2 閥門(mén)時(shí)間設(shè)定器硬件電路圖
4 油井閥門(mén)控制器的硬件設(shè)計(jì)
油井閥門(mén)控制器由電池供電，需長(zhǎng)時(shí)間工作于井下125攝氏度以下的高溫環(huán)境中。基于上述要求，本系統(tǒng)采用PIC16F876A單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)油井閥門(mén)控制器的設(shè)計(jì)。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括時(shí)鐘控制信號(hào)、閥門(mén)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)保護(hù)模塊和流量信號(hào)采集模塊。PIC16F876A是美國(guó)Microchip公司生產(chǎn)的一種28腳8位單片機(jī)，才采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，在3V工作電壓、32kHz時(shí)鐘頻率時(shí)的典型工作電流小于20μA，具有-40℃～125℃的寬工作溫度范圍[2]，自帶異步串行口等優(yōu)點(diǎn)，符合系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)要求。
時(shí)鐘控制信號(hào)由MAXIM公司生產(chǎn)的MAX7378CMOJ硅振蕩器提供。該芯片能夠?yàn)?V工作電壓的微控制器提供32.768kHz的主時(shí)鐘源，其典型工作電流為11μA [3]，能夠工作于-40℃ 至+125℃的溫度范圍，具有抗振動(dòng)和EMI抑制等特性，使其對(duì)污濁或潮濕的工作環(huán)境不敏感，能夠滿足井下惡劣的環(huán)境要求。
閥門(mén)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用單片機(jī)的RA2和RA3引腳驅(qū)動(dòng)三極管來(lái)控制繼電器J2和J1動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，拖動(dòng)閥門(mén)打開(kāi)和關(guān)閉。當(dāng)電機(jī)拖動(dòng)閥門(mén)到位后，電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，電機(jī)電流遠(yuǎn)大于額定電流，如不及時(shí)處理，將燒毀電機(jī)，因此，電機(jī)保護(hù)模塊不可或缺。該模塊采用硬件電路代替A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)電流信號(hào)的采樣，不但保護(hù)了電機(jī)，同時(shí)降低了電池供電的從機(jī)系統(tǒng)的功耗，延長(zhǎng)了電池的可利用時(shí)間。當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)電流增大到額定電流的幾倍，電阻電壓升高，通過(guò)阻容濾波器變?yōu)槠交碾妷盒盘?hào)，與堵轉(zhuǎn)“門(mén)檻”電壓值相比較，比較器輸出高電平，送單片機(jī)控制電機(jī)斷電。電機(jī)無(wú)堵轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí)，堵轉(zhuǎn)電壓低于“門(mén)檻”電壓，比較器處于掉電狀態(tài)，節(jié)省功耗。
圖3油井閥門(mén)控制器硬件電路圖
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用模塊化思想、應(yīng)用C語(yǔ)言完成主機(jī)AT89C52與從機(jī)PIC16F876A的軟件設(shè)計(jì)。
主機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)鍵盤(pán)掃描、LCD顯示、時(shí)間數(shù)據(jù)處理和串口通信等功能，系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。時(shí)間數(shù)據(jù)處理子程序能夠設(shè)定“當(dāng)前時(shí)間”和七個(gè)設(shè)定時(shí)間，并當(dāng)設(shè)定的時(shí)間數(shù)據(jù)不符合設(shè)計(jì)要求或通信失敗時(shí)，用戶能夠根據(jù)系統(tǒng)錯(cuò)誤類(lèi)型的提示，自行檢測(cè)并排除故障。
從機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)中斷計(jì)時(shí)功能，每秒鐘產(chǎn)生一次定時(shí)中斷，采用查詢方式檢測(cè)是否有堵轉(zhuǎn)或流量信號(hào)，若設(shè)定時(shí)間到，驅(qū)動(dòng)智能閥門(mén)打開(kāi)或關(guān)閉，系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。
圖4 主機(jī)程序流程圖
6 結(jié)束語(yǔ)
高溫井下智能閥門(mén)控制系統(tǒng)，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低、耐高溫、現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試方便，能長(zhǎng)時(shí)間工作于125℃以下的高溫環(huán)境。現(xiàn)投入運(yùn)行穩(wěn)定，可滿足不同井況的工作要求。
參考文獻(xiàn)：
[1] 譚河清,陳?ài)`發(fā),劉靜等.抽油井智能分層測(cè)試技術(shù)的研究[J].測(cè)井技術(shù).2003,27(4):334-337.
[2] 羅翼,張宏偉.PIC單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)典型應(yīng)用[M].北京:中國(guó)電力出版社,2005.115-120.
[3] MAX7378 data sheet.MAXIM company.2004.
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)