楊 璐，翁惠輝

(長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

基于PIC單片機(jī)的巖芯動(dòng)態(tài)濾失率測(cè)試儀的研制

楊 璐，翁惠輝

(長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

為測(cè)量巖芯受到的鉆井液動(dòng)態(tài)損害，優(yōu)選出保護(hù)油層需要的鉆井液和完井液，設(shè)計(jì)出了基于PIC18F單片機(jī)的巖芯動(dòng)態(tài)濾失率測(cè)試儀。該測(cè)試儀通過(guò)模擬井下高溫高壓和流體流速的環(huán)境來(lái)測(cè)量巖芯的動(dòng)失水和評(píng)價(jià)鉆井液的優(yōu)劣。實(shí)際應(yīng)用表明，該儀器能實(shí)時(shí)顯示模擬的溫度、流量和壓力等試驗(yàn)參數(shù)，并可實(shí)時(shí)顯示測(cè)試過(guò)程中的濾失曲線，具有操作簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確高效的特點(diǎn)。

PIC單片機(jī)；動(dòng)態(tài)濾失；測(cè)試儀

在鉆采作業(yè)過(guò)程中,鉆井液、水泥漿、完井液、射孔液等各種工作液的侵入不可避免地對(duì)油氣層造成一定程度的損害[1]。為了減少這種損害，筆者研制了基于PIC18F單片機(jī)的巖芯動(dòng)態(tài)濾失速率測(cè)試儀，該儀器采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，可在室內(nèi)模擬井下的溫度、壓力和流體流速環(huán)境，從而模擬鉆井液對(duì)巖芯的動(dòng)態(tài)污染，測(cè)量巖芯受到鉆井液的動(dòng)態(tài)損害，為優(yōu)選出保護(hù)油層需要的鉆井液和完井液提供依據(jù)[2]。

1 測(cè)試儀簡(jiǎn)介

圖1 巖芯動(dòng)態(tài)濾失率測(cè)試儀結(jié)構(gòu)圖

巖芯動(dòng)態(tài)濾失率測(cè)試儀主要由巖芯夾持器結(jié)構(gòu)、工作液循環(huán)結(jié)構(gòu)和溫度和圍壓監(jiān)控結(jié)構(gòu)組成(見(jiàn)圖1)。

1.1巖芯夾持器結(jié)構(gòu)

巖芯夾持器是試驗(yàn)裝置的核心部分，由耐溫耐壓耐腐蝕不銹鋼筒體、泥漿循環(huán)通道、夾持器和測(cè)量柱塞組成，其功能是用以固定夾持器巖芯創(chuàng)造模擬井下高溫、高壓條件及動(dòng)態(tài)損害條件。

1.2工作液循環(huán)結(jié)構(gòu)

工作液循環(huán)系統(tǒng)由循環(huán)泵、氣瓶、泥漿罐、流量計(jì)和變頻器組成。泥漿泵創(chuàng)造泥漿動(dòng)態(tài)循環(huán)的動(dòng)力條件。氣瓶提供壓力源，給泥漿罐加壓產(chǎn)生動(dòng)、靜態(tài)壓差。流量計(jì)實(shí)時(shí)檢測(cè)工作液流量。變頻調(diào)速器用以控制泥漿循環(huán)流速以模擬鉆井作業(yè)過(guò)程中的泥漿返速。

1.3溫度和圍壓監(jiān)控結(jié)構(gòu)

溫度和圍壓監(jiān)控系統(tǒng)由巖芯夾持器溫度控制單元、循環(huán)工作液溫度控制單元和高壓自動(dòng)圍壓泵組成。溫度控制單元為夾持器、泥漿和工作液加溫。高壓自動(dòng)圍壓泵提供夾持器圍壓以模擬井下高溫高壓環(huán)境。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

鉆井液循環(huán)流動(dòng)時(shí)的泥漿返速是需要控制的主要參量。在設(shè)計(jì)該測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，為使流量穩(wěn)定在設(shè)定值上，對(duì)流量的控制采用閉環(huán)控制的方法，其控制結(jié)構(gòu)圖如2所示。

圖2 單片機(jī)控制硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

用溫度傳感器、壓力傳感器和流量計(jì)來(lái)分別檢測(cè)溫度、壓力和流量信號(hào)。PIC18F458[3]內(nèi)部帶有8通道10位ADC，將溫度、流量和壓力信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后輸入ADC端口，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)輪流選通進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量[4]。PIC18F458單片機(jī)將壓力、流量和溫度數(shù)字信號(hào)經(jīng)通訊模塊傳送到計(jì)算機(jī)，并接收計(jì)算機(jī)下傳的控制命令及溫度、流量和壓力設(shè)定值。溫度控制時(shí)，單片機(jī)將溫度傳感器檢測(cè)的溫度信號(hào)與溫度設(shè)定值相比較，經(jīng)溫度控制算法產(chǎn)生控制輸出信號(hào)?？刂菩盘?hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制繼電器通斷改變加熱絲加熱時(shí)間，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。夾持器圍壓控制時(shí)，單片機(jī)將壓力傳感器檢測(cè)的壓力信號(hào)與壓力設(shè)定值相比較，經(jīng)壓力控制算法產(chǎn)生壓力控制輸出量，此時(shí)控制輸出量為脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)輸入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)改變控制輸出脈沖頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)夾持器圍壓的控制。流量控制時(shí)，單片機(jī)將流量計(jì)檢測(cè)到的流量信號(hào)與流量設(shè)定值相比較，經(jīng)流量控制算法產(chǎn)生流量控制信號(hào)，控制信號(hào)由DAC轉(zhuǎn)換輸出，轉(zhuǎn)換輸出的電壓信號(hào)輸入變頻器，通過(guò)改變加在三相異步電動(dòng)機(jī)的電源頻率來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制[5]。

圖3 下位機(jī)軟件控制流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)軟件用上位機(jī)和下位機(jī)共同完成，上位機(jī)用VB語(yǔ)言編寫(xiě)，主要作用是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及與下位機(jī)的通訊，將流量的設(shè)定值傳至單片機(jī)，并實(shí)時(shí)顯示下位機(jī)上傳的流量采樣值。下位機(jī)用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，在PIC單片機(jī)通用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境MPLAB IDE下完成，程序編寫(xiě)采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，這樣有利于程序代碼的優(yōu)化，便于調(diào)試、維護(hù)和升級(jí)。同時(shí)，同類程序可以放入庫(kù)中以備后用。下位機(jī)控制程序流程圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)上位機(jī)界面如圖4所示。在數(shù)據(jù)監(jiān)控界面中可以輸入試驗(yàn)基本參數(shù)、進(jìn)行試驗(yàn)項(xiàng)目選擇，實(shí)時(shí)顯示模擬的溫度、流量和壓力等試驗(yàn)參數(shù)，并可實(shí)時(shí)顯示測(cè)試過(guò)程中的濾失曲線，此外還能形象地看到整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程。

圖4 系統(tǒng)上位機(jī)界面圖

4 結(jié) 語(yǔ)

為測(cè)量巖芯受到的鉆井液動(dòng)態(tài)損害并優(yōu)選出保護(hù)油層需要的鉆井液和完井液，采用PIC18F458單片機(jī)設(shè)計(jì)了巖芯動(dòng)態(tài)濾失率測(cè)試儀，該測(cè)試儀使用方便、準(zhǔn)確高效，并可對(duì)歷史測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢保存，目前已在新疆、大港等油田使用，受到用戶好評(píng)。

[1]余維初.JHMD-Ⅰ新型智能高溫高壓動(dòng)態(tài)損害失水儀的研制[J].鉆井液與完井液，2005,22 (1)：25-27.

[2] 余維初，李淑廉.評(píng)價(jià)鉆井液、完井液對(duì)油層損害深度的新方法——梯度分析法[J].石油鉆采工藝，1995(5)：33-35.

[3] 劉和平. PIC18Fxxx單片機(jī)原理及接口設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[4] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社,1999.

[5] 方康玲.過(guò)程控制系統(tǒng)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2002.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.01.038

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1673-1409(2011)01-0109-03