基于dsPIC33F芯片的智能注水测控系统设计

杜福云，王爱双，李英松，韩子玞，周 欢，李 越

(中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300451)

0 引言

各油田储存层具有不同的特征，薄夹层和薄隔层现象普遍存在，且存在埋藏深、层段长、低渗和低孔等现象，采用油藏细分注水技术能够有效提高储层动用程度。

注水开发能够保持油层压力，降低原油的递减率，是实现油田开发长期高产和稳产最经济、最有效的技术手段，如何提高注水井的分注率、调配率、合格率，实现注好水、注够水、有效注水、完善注采关系也就成为海上油田稳产增产的关键技术。

测调联动一体化智能注水技术是一种新型的高效分层注水技术，该技术利用井下单芯电缆既能供电又能通信的双重功能，并结合传感器、通信和控制等多种技术，实现智能井功能——井上观测实时数据与调控井下注水量相结合[1]，使注水工艺向测调一体化智能方向发展。

本文研制了一种基于dsPIC33F控制芯片的智能注水测调控制系统[2]，将各层测控装置及水嘴常置于井下固定层位，通过单芯电缆连接，实现在井口或远程对目标层位的长期实时测控，达到精确分层注水的目的，能有效解决海上油田存在的技术问题。

1 工作原理

地面控制器与井下智能配水器以单芯电缆作为通信媒介实现双向直流载波通信：用一根单芯铠装电缆将井下多个层位的测控装置连接起来，既满足了供电的要求，又以总线的方式实现了多路信号、指令的直流载波编码高效传输。地面工作人员通过实时观测各目标层位的内外压力、流量、温度等关键注水参数，结合单层配注要求，可选择手动/自动控制模式调节电机转向，控制水嘴开度，进而将注水量控制在需要的水平上，从而实现井下各层位的流量、注水压力、地层压力和温度等参数的长期监测，进行分层流量调节[3]。系统结构原理及构成如图1所示。

图1 系统结构原理及构成

2 井下测控系统硬件设计

井下测控系统主要包括数据采集系统和井下中控系统，由井下电源模块、控制模块、数据采集模块和电机控制模块等组成，如图2所示。

图2 井下测控系统构成

井下测控系统主要完成以下功能：

a.DC/DC功能。通过井下电源模块从电缆取电进行DC/DC电压变换，为电机、测控电路、各类传感器等提供不同的供电需求。

b.编解码功能。与地面控制器编解码功能对应，通过井下直流载波通信模块的解码电路接收地面的控制命令并解码，中控系统通过编码电路返回对应的数据给地面控制器。

c.测量功能。通过优化设计不同的传感器及调理电路，进行A/D转换，测量得到流量、温度、注水压力和地层压力的实时数据，并通过单芯铠装电缆通信传送给上位机显示。

d.控制功能。井下中控系统通过电机调节水嘴开度，可随时调控目标层位注水量的大小。如果需要人为改变分层注入量或进行其他设置时，可以由地面监控计算机通过地面控制器与井下测控系统进行双向通信完成各种设置。可采用井下闭环控制、井上闭环控制、井上开环控制等灵活多样的流量控制方式，同时具有限时控制、阈值控制和定时控制等功能。

2.1 井下电源模块设计

井下的电源由井上可程控直流电源输出提供，通过0～5 V控制信号来改变输出电压。根据单芯电缆材料、长度、井下温度和受力等对单芯电缆的电特性进行分析，以及电流在电机不工作和工作状态下的变化，设计井下电源需要考虑电缆上的压降，保证井下电缆接入点电压达到设计值(DC 70～85 V)。

井下电源模块通过单芯电缆取电，经限幅、稳压、限流和过压保护等电路获得30 V/5 V/3.3 V等电压，并分别为载波模块、芯片等供电，如图3所示。

图3 井下电源模块

2.2 控制模块设计

本设计采用的控制芯片是微芯公司的单片机 dsPIC33FJ128MC506A芯片。disPIC33F系列芯片采用16位(数据)的改进哈佛结构，具有增强指令集，其中包括对数字信号处理的强大支持；9个16位定时器，满足编解码电路软件要求；8个 PWM通道，满足电机控制要求；具有 UART1、UART2、SPI和I2C，提供多种数据通信方式，满足采集模块通信需求[4-5]，控制模块原理设计如图4所示。控制芯片主要用到UART1、UART2、I2C和PWM 4个模块：UART1与井下载波模块连接，接收井上发来的控制命令，并上传井下采集的流量、注水压力、地层压力和温度数据；UART2模块与流量计短节通信获取实时流量数据；I2C模块与压力传感模块连接获取压力、温度数据；PWM模块执行电机控制命令。

图4 控制模块原理

2.3 数据采集模块设计

数据采集模块包含测量模块和通信模块，测量模块用于采集电路板温度、注水压力和地层压力，通信模块用于与流量计短节通信获取流量数据。

在测量模块设计中，采用的是TI公司的 ADS122C04芯片。该芯片的电流消耗低至315 μA，电压输入范围2.3～5.5 V，工作温度最高达150 ℃，具有1～128倍的可编程增益。另外，该芯片具有最多20位的有效分辨率，能同时采集2个差分或者4个单端输入，具有双匹配可编程电流源(10 μA～1.5 mA)，内部集成2.048 V基准电压和精确振荡器，还配置了内部温度传感器，I2C兼容接口，支持3种I2C总线速度模式(标准模式、快速模式和快速模式)，且可配置I2C地址[6]。测量电路如图5所示。其中，A0和A1引脚用于设置I2C地址；SCL 和 SDA 引脚接上拉电阻后与单片机进行通信；AIN0和AIN1引脚用来测量内压；AIN2和AIN3引脚用来测量外压；REFP 和 REFN 引脚分别用来给内外压力传感器提供激励电流。

图5 压力温度测量电路原理

通信模块采用TI 公司的SN65HVD11_HT芯片，与流量计短节通信获取流量数据。

2.4 电机控制模块

由于需要比较大的电流来驱动电机，所以单片机不能直接驱动电机。在直流电机控制中经常用到H桥电路作为驱动器的功率驱动电路, 这种驱动电路能使直流电机很好地实现正转、正转制动、反转和反转制动4种运行方式[7]。

单芯铠装电缆到达井下后电压在80 V左右，经降压电路将直流电压降低到70 V左右以后，通过电机驱动电路获得大电流驱动电机转动。控制芯片通过控制RE0和RE1端子的电平对电机进行控制。上电伊始，RE0和RE1为低电平，对应电机电路关闭。在接收到正转或是反转指令以后，RE0或RE1端子跳变到高电平，电机开始旋转[8-9]。

3 软件设计

测调控制系统的软件设计包括两部分——地面控制器和井下通信短节的软件设计，以实现井上和井下的双向传输。井下通信短节采集流量、注水压力、地层压力、温度以及电机行程等数据，通过单芯铠装电缆传送到井上。地面工作人员通过上位机软件数据监测界面实时观测井下流量、注水压力、地层压力、温度和水嘴开度等信息，结合配注要求可灵活使用井上开环控制、井上闭环控制、井下闭环控制等流量手动/自动控制方式进行调控，提高控制效果。

3.1 地面控制器软件设计

地面控制器主要是上位机的设计，采用Labview语言进行编写。主要包括系统初始化、参数设置、采集数据和波形显示、通信编解码软件(井下采集数据与井上控制命令实时双向传输)、数据存储、历史曲线和电机控制等功能。上位机软件系统流程如图6所示。

图6 上位机软件系统流程

3.2 井下通信短节软件设计

井下通信短节的软件设计主要是在主控芯片dsPIC33FJ128MC506A中进行程序的编写，解码地面控制命令，与流量计短节通信获取流量数据，将井下采集的流量、注水压力、地层压力和温度等数据上传。井下通信短节的程序采用C语言进行编写，主要包括初始化程序、解码程序、串口接收/发送中断程序、压力温度采集程序、电机自动控制和手动控制程序。

4 实验

4.1 压力、温度传感器测试

对压力传感器进行温度修正后进行测试，在不同温度下压力由0 按照步长5 MPa上升至60 MPa，再由60 MPa按照步长5 MPa下降至0，测试数据如表1和表2所示。

表1 压力、温度测试实验记录1

表2 压力、温度测试实验记录2

分析测试结果数据，对比温度传感器与标准温度计的示值误差，示值误差在±0.5 ℃的范围内；对比压力传感器与标准压力表的示值误差，示值误差在±0.1%FS的范围内， 测量结果表明，温度、压力测量精度均比较高。

4.2 模拟井自动测调实验测试

在实验时，将配水器接入模拟井； 连接地面控制仪和井下通信短节、井下配水器。由于模拟井最大流量为240 m3/d，所以，本次测试的流量范围0～240 m3/d。

在手/自动测调实验中，通过上位机软件开启手/自动测调功能，通过上位机界面手/自动控制电机的正反转及时间，每次手/自动调节后等待10 s左右，流量稳定后，根据流量计上传流量实时数据前后对比，确定下次调节的方向、时间；直至流量分别手动调节至20 m3/d,50 m3/d,100 m3/d,200 m3/d,240 m3/d。对比流量计上传实时数据与流量设定值的误差，误差在±5%FS的范围内。

在流量测试中，通过上位机软件调节，关闭水嘴，测量上、下中心管内流量。理论上,上、下中心管流量测量值一致，测量结果如表3所示。

表3 水嘴关闭时进出口流量对比

对比上、下中心管测量值与标准流量值，测量精度满足始终保持在1%以内。

进水段对流量始终保持在240 m3/d，通过上位机调节水嘴大小，观测下中心管测量值与注水管测量值，如表4所示。

表4 水嘴不同开度下流量对比

理论上注水管流量测量值与下中心管流量测量值(出口)之和与上中心管测量值(入口)相同，分析测量数据，测量误差始终保持在1%之内，测量精度较高。

5 结束语

对基于dsPIC33F控制芯片的智能注水测调控制系统进行了研究，设计了基于dsPIC33FJ128MC506A控制芯片的井下测控系统，将各层测控装置及水嘴常置于井下固定层位，通过单芯电缆连接，实现在井口或远程对目标层位的长期实时测控，达到精确分层注水的目的，能很好地进行地面设备与井下测调仪器的通信，经实验验证，该系统控制精度、实时性和可靠性均能很好地满足要求，提高了井下配注的准确性，为注水测调系统的高效率工作提供有力保障。