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案例頻道1 引言
在油田的開發生產中，隨著井深的不斷增加，井下溫度也隨之不斷增加，當井深達到5000m以上時，地層溫度在100攝氏度以上。原有的井下閥門控制系統的耐溫、功耗等指標較低，不能滿足高溫，長時間工作的現場要求[1]。因此，研制一種能長時間工作于井下高溫環境中的智能閥門控制系統十分必要。
本文設計的井下智能閥門控制系統，利用單片機組成的計時與控制單元，配合多級封隔器，實現一次作業下井，完成測試管柱，配合地面計量和化驗，進行分層和輪番采油。該系統采用雙CPU控制，主機能在現場完成數據的錄入、處理和顯示功能，從機利用PIC單片機和硅振蕩器使系統低功耗工作在125攝氏度以下的高溫環境中，平均工作電流僅為0.2mA，使用10盎司電池供電，可連續工作1萬小時以上。
2 系統的工作原理
系統的基本工作原理是根據既定方案設計和測層需要，在地面對準備下入井下不同深度目的層的智能閥門進行多個開關時間設定，然后連同封隔器及防砂管柱一起下入井中。根據所設定的時間打開或關閉相應的控制閥，自動切換目的層，再配合地面低壓測試儀器，定量讀取各層日產液量、油量、含水及動靜液面等數據。
本控制系統由以下兩個部分構成：閥門時間設定器（下稱主機）和油井閥門控制器（下稱從機），系統框圖如圖1所示。主機設計為手持設備，可在地面對數個從機進行多個時間設定，并對設定的時間數據進行處理和顯示。從機將連同封隔器和防砂管柱一起下入井中，在主機設定的時間到后，與流量信號配合動作，驅動電機拖動相應的油井閥門打開或關閉，并在電機發生堵轉時能夠自動切斷電源。
圖1 系統結構框圖
3 閥門時間設定器的硬件設計
閥門時間設定器主要包括人機界面和通訊模塊，系統采用MCS-51系列中的AT89C52單片機作為控制核心，系統電路圖如圖2所示。系統共設計了5個按鍵：“加”鍵，“減”鍵，“移位”鍵，“確認”鍵和“取消”鍵。顯示的主要時間數據包括“年、月、日、時、分”，數據量較大，因此選用192×64個顯示單元的LCD顯示器。單片機能夠直接訪問LCD顯示器，省去了單片機與LCD顯示器之間的液晶顯示控制器，降低系統成本。主機和從機單片機都帶有通用的異步串行口，因此利用串口通訊十分方便，本系統采用RS-232串口通訊，以半雙工的工作方式完成數據和控制指令的傳輸。
圖2 閥門時間設定器硬件電路圖
4 油井閥門控制器的硬件設計
油井閥門控制器由電池供電，需長時間工作于井下125攝氏度以下的高溫環境中。基于上述要求，本系統采用PIC16F876A單片機為核心實現油井閥門控制器的設計。硬件結構如圖3所示，主要包括時鐘控制信號、閥門電機驅動模塊、電機保護模塊和流量信號采集模塊。PIC16F876A是美國Microchip公司生產的一種28腳8位單片機，才采用哈佛總線結構，在3V工作電壓、32kHz時鐘頻率時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點，符合系統低功耗的設計要求。
時鐘控制信號由MAXIM公司生產的MAX7378CMOJ硅振蕩器提供。該芯片能夠為3V工作電壓的微控制器提供32.768kHz的主時鐘源，其典型工作電流為11μA [3]，能夠工作于-40℃ 至+125℃的溫度范圍，具有抗振動和EMI抑制等特性，使其對污濁或潮濕的工作環境不敏感，能夠滿足井下惡劣的環境要求。
閥門電機驅動模塊使用單片機的RA2和RA3引腳驅動三極管來控制繼電器J2和J1動作，進而實現電機的正轉和反轉，拖動閥門打開和關閉。當電機拖動閥門到位后，電機發生堵轉，電機電流遠大于額定電流，如不及時處理，將燒毀電機，因此，電機保護模塊不可或缺。該模塊采用硬件電路代替A/D轉換器實現堵轉電流信號的采樣，不但保護了電機，同時降低了電池供電的從機系統的功耗，延長了電池的可利用時間。當電機堵轉時，電機電流增大到額定電流的幾倍，電阻電壓升高，通過阻容濾波器變為平滑的電壓信號，與堵轉“門檻”電壓值相比較，比較器輸出高電平，送單片機控制電機斷電。電機無堵轉發生時，堵轉電壓低于“門檻”電壓，比較器處于掉電狀態，節省功耗。
圖3油井閥門控制器硬件電路圖
5 系統軟件設計
本系統采用模塊化思想、應用C語言完成主機AT89C52與從機PIC16F876A的軟件設計。
主機程序實現鍵盤掃描、LCD顯示、時間數據處理和串口通信等功能，系統程序流程圖如圖4所示。時間數據處理子程序能夠設定“當前時間”和七個設定時間，并當設定的時間數據不符合設計要求或通信失敗時，用戶能夠根據系統錯誤類型的提示，自行檢測并排除故障。
從機程序實現中斷計時功能，每秒鐘產生一次定時中斷，采用查詢方式檢測是否有堵轉或流量信號，若設定時間到，驅動智能閥門打開或關閉，系統程序流程圖如圖5所示。
圖4 主機程序流程圖
6 結束語
高溫井下智能閥門控制系統，利用單片機實現自動控制，系統結構簡單，功耗低、耐高溫、現場安裝、調試方便，能長時間工作于125℃以下的高溫環境。現投入運行穩定，可滿足不同井況的工作要求。
參考文獻：
[1] 譚河清,陳踐發,劉靜等.抽油井智能分層測試技術的研究[J].測井技術.2003,27(4):334-337.
[2] 羅翼,張宏偉.PIC單片機應用系統開發典型應用[M].北京:中國電力出版社,2005.115-120.
[3] MAX7378 data sheet.MAXIM company.2004.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號