在油井的開發(fā)生產(chǎn)中，隨著井深的不斷增加，對井下閥門的控制也更加困難，其主要問題是井下溫度較高(當(dāng)井下深度5000m以上時，其溫度可達(dá)100℃以上)。另外，地面對井下閥門的供電及相應(yīng)的控制也更難實(shí)現(xiàn)。因此，研制一種采用電池供電，并能較長時間按設(shè)定的要求獨(dú)立工作于井下高溫環(huán)境中的智能閥門控制系統(tǒng)十分必要。

 

本文設(shè)計的井下智能閥門控制系統(tǒng)，采用由單片機(jī)組成的計時與控制單元，配合多級封隔器，實(shí)現(xiàn)一次作業(yè)下井，配合地下計量和化驗(yàn)，按設(shè)定時間(也可根據(jù)需要使某些設(shè)定時間失效)進(jìn)行分層和輪番采油。系統(tǒng)采用雙CPU控制，主機(jī)能在現(xiàn)場完成數(shù)據(jù)錄入、處理和顯示。從機(jī)選用PIC單片機(jī)和硅振蕩器，使系統(tǒng)可在125℃高溫環(huán)境中長期工作。井下控制系統(tǒng)的平均工作電流小于0.2mA，使用10盎司的電池供電，可連續(xù)工作1萬小時。

 

系統(tǒng)工作原理

 

系統(tǒng)的基本工作原理是根據(jù)用戶對油井測層的需要，在地面對準(zhǔn)備下入井下不同深度目的層的各智能閥門進(jìn)行多個開關(guān)時間設(shè)定，然后連同封隔器及防砂管一齊下入井中。各智能閥根據(jù)所設(shè)定的時間打開或關(guān)閉相應(yīng)的控制閥，(也可根據(jù)外界條件，使某次所設(shè)定的關(guān)閥失效)，自動切換目的層，再配合地面測試儀器，定量讀取有關(guān)數(shù)據(jù)。

 

 

 

 

 

 

圖1：系統(tǒng)原理框圖

 

系統(tǒng)主要有兩部分組成：閥門動作時間設(shè)定器(下稱主機(jī))和井下閥門控制器(下稱從機(jī))，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。主機(jī)設(shè)計為帶有液晶顯示的手持設(shè)備，可在地面對各從機(jī)進(jìn)行多個時間設(shè)定，對設(shè)定的時間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，并能對設(shè)定時間的正確與否做出判定。從機(jī)下到井下后，可根據(jù)所設(shè)定的時間，并與有關(guān)流量儀器配合動作，驅(qū)動電機(jī)拖動相應(yīng)的閥門打開或關(guān)閉。

 

主機(jī)部分的硬件電路設(shè)計

 

主機(jī)主要包括人機(jī)界面和通訊模塊，采用AT89C52單片機(jī)作為控制核心，其電路如圖2所示。系統(tǒng)共設(shè)計了5個按鍵：“加”鍵、“減”鍵、“右移”鍵、“確定”鍵和“取消”鍵。操作人員可通過該組按鍵，依據(jù)日歷的方式完成多組時間的設(shè)定和確認(rèn)。顯示的時間數(shù)據(jù)包括“年、月、日、時、分”，數(shù)據(jù)量較大。因此選用192×64個顯示單元的LCD顯示器。單片機(jī)能夠直接訪問LCD顯示器，省去了單片機(jī)于LCD之間的液晶顯示控制器，降低了系統(tǒng)成本。主機(jī)與叢機(jī)之間采用RS-232串口通訊，完成數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸。

 

 

 

 

 

 

圖2：主機(jī)硬件電路圖

 

從機(jī)部分的硬件電路設(shè)計

 

從機(jī)由電池供電，需要長時間獨(dú)立工作于井下125℃以下的高溫環(huán)境中。因而耐高溫、低功耗、高可靠性是從機(jī)設(shè)計中首要考慮的問題。本系統(tǒng)采用PIC16F876A單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)油井閥門控制器，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。從機(jī)主要包括：時鐘控制信號、工作電流控制器、閥門電機(jī)驅(qū)動器、流量信號采集器。PIC16F876A是美國Microchip公司生產(chǎn)的一種28腳8位單片機(jī)，采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，在3V工作電壓、32KHZ時鐘頻率時，典型工作電流小于20uA，工作溫度范圍為-40℃～+125℃，自帶異步串行口，符合系統(tǒng)低功耗和高工作溫度的要求。

 

 

 

 

 

 

圖3：從機(jī)硬件電路圖

 

時鐘控制信號由MAXIM公司生產(chǎn)的Max7378CMOJ硅振蕩器提供。該芯片能夠?yàn)?V工作電源的微控器提供32.768KHZ的主時鐘脈沖，其典型的工作電流為11 uA。工作溫度為-40℃～+125℃，具有抗振動和EMI抑制等特性，使其對污濁和潮溫的工作環(huán)境不敏感，能工作于井下惡劣環(huán)境中，滿足所設(shè)定時間的時鐘要求。

 

工作電源控制器由BG1和BG2等組成，其主要作用是降低系統(tǒng)功耗。在從機(jī)工作的絕大部分時間內(nèi)，僅需時鐘工作即可。此時單片機(jī)②腳輸出低電平，工作電源控制器輸出電壓Vc為0V。這樣，從機(jī)中除時鐘外其它電路均不供電。只有當(dāng)所設(shè)定的各個時間到時，單片機(jī)的②腳才輸出10分鐘的高電平，此時，Vc電壓上升到10V左右，使各部分功能電路上電10分鐘，10分鐘內(nèi)足以完成開閥和關(guān)閥工作。此種設(shè)計方案可使從機(jī)在可靠工作條件下功耗有效減小。

 

閥門電機(jī)驅(qū)動器由BG4、BG5、J1、J2和IC2C等組成。為所設(shè)定的某個開閥時間到時，單片機(jī)④腳或⑤腳輸出高電平驅(qū)動驅(qū)動電壓正轉(zhuǎn)(或反轉(zhuǎn))，完成開閥(或關(guān)閥)功能。當(dāng)電機(jī)正常拖動閥門行進(jìn)時，電機(jī)電流小于其額定值，IC2C輸出低電平，不影響驅(qū)動工作。當(dāng)電機(jī)拖動閥門到位后，驅(qū)動電機(jī)堵轉(zhuǎn)，此時電機(jī)電流大于其額定值，IC2C輸出高電平，單片機(jī)檢測到此高電平后 ，延時7秒鐘后停止驅(qū)動器工作，從而完成一次關(guān)閥(或開閥工作)。

 

流量信號采集器由霍爾傳感器IC3、IC2A、IC2B及安裝在閥門控制器附近油管中的可旋轉(zhuǎn)葉片(葉 片上裝有磁鐵)等組成。其作用是結(jié)合井上的抽油作業(yè)?？墒鼓炒卧O(shè)定的關(guān)閥時間失效，即可根據(jù)需要改變預(yù)先設(shè)定的關(guān)閥時間。當(dāng)某次設(shè)定的關(guān)閥時間到時，井上的抽油正在工作，井下的油管中有液體流動。當(dāng)

 

有磁鐵的旋轉(zhuǎn)葉片轉(zhuǎn)動，霍爾傳感器檢測到此信號后，使IC2B輸出高電平，單片機(jī)檢測到此高電平后，使關(guān)閥控制正常進(jìn)行。如果根據(jù)井上的情況，不想讓某次設(shè)定的關(guān)閥時間工作，則井上作業(yè)在該設(shè)定時間到之前暫時停止抽油系統(tǒng)工作，這樣井下油管中無液體流動。葉片停止轉(zhuǎn)動，經(jīng)霍爾檢測，使IC2C輸出低電平。單片機(jī)檢測到此低電平時，停止此次關(guān)閥控制，使系統(tǒng)仍處于開閥狀態(tài)。

 

系統(tǒng)軟件設(shè)計

 

 

 

 

 

 

圖4：系統(tǒng)程序流程圖

 

 

 

 

 

 

圖5：定時中斷程序流程圖

 

本系統(tǒng)采用模塊化思想，應(yīng)用C語言完成主機(jī)AT89C52與從機(jī)PIC16F876A的軟件設(shè)計。

 

主機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)鍵盤掃描、LCD顯示、時間數(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。時間數(shù)據(jù)處理子程序能夠設(shè)定“當(dāng)前時間”和七個設(shè)定時間，并當(dāng)設(shè)定的時間數(shù)據(jù)不符合設(shè)計要求火通信失敗時，用戶能夠根據(jù)系統(tǒng)錯誤類型的提示，自行檢

 

測并排除故障。

 

從機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)中斷計時功能，每秒鐘產(chǎn)生一次定時中斷，采用查詢方式檢測是否有堵轉(zhuǎn)或流量信號，若設(shè)定時間到，驅(qū)動智能閥門打開或關(guān)閉，系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

 

高溫井下智能閥門控制系統(tǒng)，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功耗低、耐高溫、現(xiàn)場安裝、調(diào)試方便，能長時間工作于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。