基于PIC单片机的岩芯动态滤失率测试仪的研制

2011-11-18翁惠辉

长江大学学报(自科版) 2011年1期

关键词：工作液测试仪设定值

杨璐，翁惠辉

(长江大学电子信息学院，湖北荆州 434023)

基于PIC单片机的岩芯动态滤失率测试仪的研制

杨璐，翁惠辉

(长江大学电子信息学院，湖北荆州 434023)

为测量岩芯受到的钻井液动态损害，优选出保护油层需要的钻井液和完井液，设计出了基于PIC18F单片机的岩芯动态滤失率测试仪。该测试仪通过模拟井下高温高压和流体流速的环境来测量岩芯的动失水和评价钻井液的优劣。实际应用表明，该仪器能实时显示模拟的温度、流量和压力等试验参数，并可实时显示测试过程中的滤失曲线，具有操作简便、准确高效的特点。

PIC单片机；动态滤失；测试仪

在钻采作业过程中,钻井液、水泥浆、完井液、射孔液等各种工作液的侵入不可避免地对油气层造成一定程度的损害[1]。为了减少这种损害，笔者研制了基于PIC18F单片机的岩芯动态滤失速率测试仪，该仪器采用闭环控制系统，可在室内模拟井下的温度、压力和流体流速环境，从而模拟钻井液对岩芯的动态污染，测量岩芯受到钻井液的动态损害，为优选出保护油层需要的钻井液和完井液提供依据[2]。

1 测试仪简介

图1 岩芯动态滤失率测试仪结构图

岩芯动态滤失率测试仪主要由岩芯夹持器结构、工作液循环结构和温度和围压监控结构组成(见图1)。

1.1岩芯夹持器结构

岩芯夹持器是试验装置的核心部分，由耐温耐压耐腐蚀不锈钢筒体、泥浆循环通道、夹持器和测量柱塞组成，其功能是用以固定夹持器岩芯创造模拟井下高温、高压条件及动态损害条件。

1.2工作液循环结构

工作液循环系统由循环泵、气瓶、泥浆罐、流量计和变频器组成。泥浆泵创造泥浆动态循环的动力条件。气瓶提供压力源，给泥浆罐加压产生动、静态压差。流量计实时检测工作液流量。变频调速器用以控制泥浆循环流速以模拟钻井作业过程中的泥浆返速。

1.3温度和围压监控结构

温度和围压监控系统由岩芯夹持器温度控制单元、循环工作液温度控制单元和高压自动围压泵组成。温度控制单元为夹持器、泥浆和工作液加温。高压自动围压泵提供夹持器围压以模拟井下高温高压环境。

2 系统硬件设计

钻井液循环流动时的泥浆返速是需要控制的主要参量。在设计该测试系统时，为使流量稳定在设定值上，对流量的控制采用闭环控制的方法，其控制结构图如2所示。

图2 单片机控制硬件系统结构图

用温度传感器、压力传感器和流量计来分别检测温度、压力和流量信号。PIC18F458[3]内部带有8通道10位ADC，将温度、流量和压力信号经过信号调理电路后输入ADC端口，通过多路开关轮流选通进入A/D转换器转换成数字量[4]。PIC18F458单片机将压力、流量和温度数字信号经通讯模块传送到计算机，并接收计算机下传的控制命令及温度、流量和压力设定值。温度控制时，单片机将温度传感器检测的温度信号与温度设定值相比较，经温度控制算法产生控制输出信号。控制信号经驱动电路控制继电器通断改变加热丝加热时间，以此实现对温度的控制。夹持器围压控制时，单片机将压力传感器检测的压力信号与压力设定值相比较，经压力控制算法产生压力控制输出量，此时控制输出量为脉冲信号，脉冲信号输入步进电机驱动器驱动步进电机运转，通过改变控制输出脉冲频率来控制步进电机转速，以此实现对夹持器围压的控制。流量控制时，单片机将流量计检测到的流量信号与流量设定值相比较，经流量控制算法产生流量控制信号，控制信号由DAC转换输出，转换输出的电压信号输入变频器，通过改变加在三相异步电动机的电源频率来改变电机的转速实现对流量的控制[5]。

图3 下位机软件控制流程图

3 系统软件设计

测控系统软件用上位机和下位机共同完成，上位机用VB语言编写，主要作用是实现人机交互及与下位机的通讯，将流量的设定值传至单片机，并实时显示下位机上传的流量采样值。下位机用汇编语言编写，在PIC单片机通用集成开发环境MPLAB IDE下完成，程序编写采用了模块化设计方法，这样有利于程序代码的优化，便于调试、维护和升级。同时，同类程序可以放入库中以备后用。下位机控制程序流程图如图3所示。