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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)
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)。
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
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。
2.1.1 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。
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。
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
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
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>
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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