分層注水測控系統井下電路設計

黃志龍

【摘 要】目前石油注水井分注工藝無法避免投撈偏心注水器的作業風險，無法實現實時監測與控制，為了提高分注水平，開展了注水技術研究，提出分層注水測控系統的方案，設計了分層注水測控系統井下的控制電路，采用模塊化設計方法，便于擴展與移植。

【關鍵詞】注水井；分層注水；智能控制

（Xian Technological University， Xian Shaanxi 710021， China）

【Abstract】The oil to separate water injection technology current status is inevitable for eccentric injector salvage operation risk，Also unable to accomplish real-time monitoring and control.TO enhance injection level，was carried out by water injection technology research put forward the measure and control system in the layered water injection scheme，injection measurement and control system is designed downhole control circuit， the method of modular design， easy to expand and transplant.

【Key words】Injection well；Seperate layer water injection；Intelligent control

為了滿足油田的實際需要，促使了分層注水工藝研究和配套工具不斷地改進和優化。國內研究了空心分注、油套分注等多種分層注水工藝，逐漸形成空心分注、橋式偏心分注、油套分注和偏心分注等主要的分注工藝技術[1-2]。常規的偏心工藝應用較成熟，橋式偏心分注技術是在偏心工藝的基礎上發展的，是目前油田分注技術的主體技術，能夠完成多級的分層注水，明顯的減少層與層之間的干擾，提高了測試精度和工作效率，但是仍然沒有擺脫水嘴工作量大、周期長的問題[3-4]。

針對目前分層注水工藝技術存在的不足，本文提出了分層注水測控系統的方案，并進行了系統的電路設計，采用模塊化設計方法，便于擴展與移植。

1 分層注水測控系統的方案

分層注水測控系統的方案原理圖如圖1所示，該方案主要由地面控制系統、操作工具系統、井下測控系統三個部分構成。在注水井正常分注狀態下，根據系統設計參數，按照一定的時間間隔自動記錄各層的注水量、壓力等參數，井下控制器可以根據注水量變化狀態定時自動進行調節。在分層注水讀取井下測試數據工作狀態時，需要向井下伸入電纜并攜帶操作工具，通過操作工具在井下與智能配水器進行無線通訊，可以讀取井下存儲器中的流量、壓力等數據，地面電腦可以顯示注水量曲線、注水層壓力變化曲線。

2 井下電路設計

井下電路主要完成壓力、溫度、流量信息的采集、數據存儲以及對電機的控制。單片機選用STC12C5A60S2，該芯片具有高速、低功耗及強抗干擾的特點，可產生2路的PWM，內部含有復位電路和10位的A/D。井下電路原理圖如圖2所示。

2.1 信號采集電路

溫度數據通過溫度傳感器直接采集，再進行A/D轉換后進行處理；壓力數據采用壓力變送器進行采集，其內部集成有測量電路，輸出為標準的電信號；流量數據是通過差壓傳感器測得注水口的壓力差進而標定的。

2.1.1 溫度信號采集

根據井下工作空間狹小、工作溫度高等要求，選用DS18B20進行溫度測量，它是線式數字溫度傳感器，體積很小，測量溫度范圍為-55～125℃，可以編程選擇12位的A/D轉換精度，分辨率可以達0.0625℃，直接串行輸出數字量，可與單片機相連。由于DS18B20內部集成了A/D模塊，簡化了外圍電路的設計，因此電路應用非常簡單。

2.1.2 壓力信號采集

考慮到開發周期的問題，直接采用壓力變送器來設計，它是由壓力傳感器、測量電路和過程連接三部分組成。根據井下壓強大、空間小的要求，選用CYB-21S超小型壓力變送器，它的溫度使用范圍為0～125℃，加上精心設計的電子線路和一體化結構，輸出為1～5V標準電壓信號，適合在油氣井等惡劣的環境中使用。

2.1.3 流量信號采集

本次采用孔板流量計，它是利用節流孔（孔板）的作用使孔板上下產生壓差，然后通過差壓計測量壓差來計算出流量。根據對尺寸的要求，選用HT20硅壓阻式差壓傳感器，它采用全316L不銹鋼一體結構，產品性能穩定、可靠，耐高靜壓，性價比高。根據實際情況HT20的量程選擇為0～200KPa，為了實現高精度測量，同時考慮成本等原因限制，采用AD 8638進行信號調理，然后將輸出信號經過分辨率為16位的AD976進行A/D轉換，最后將數字信號送入單片機處理。

2.2 數據存儲電路

在井下需要對采集過來的溫度、壓力、流量數據進行存儲，以供用戶日后查看。本次采用2片AT24C512進行擴展，它的容量為64KB，是電擦除的存儲器，所以能夠存儲128KB。該芯片與單片機連接方便，只需要三根線，可以有效的減少I/O口的占用。

2.3 電機驅動電路

在井下電機的作用是調節水嘴大小，進而改變噴水口的截面積，實現注水量的調節。考慮到電機有足夠大的輸出轉矩和注水井管道內部狹小的空間對電機的外形尺寸的限制，電機選用RE-max 21電機，與減速箱GP22C組合使用，最大瞬間轉矩為3Nm，標稱功率為6w，額定電壓為12V，最高連續轉速為5rpm。電機驅動電路是由STC12C5A60S2和 L298N共同構成，采用PWM波控制電機，通過單片機的 P2.1和P2.2口控制電機的正反轉。

3 實驗測試

3.1 溫度信號采集實驗

溫度信號采集實驗是在室內進行的，通過DS18B20測量室內的溫度，再利用LCD 1602來顯示其溫度值，此過程包含了溫度傳感器的采集、A/D轉換以及LCD的顯示。溫度數據采集實驗如圖3所示，此時顯示溫度是19.5℃。

3.2 電機驅動實驗

電路焊接調試好后，在室內對直流電機做控制實驗，通過控制電機旋轉的圈數來實現水嘴的開合大小。如圖4所示，實驗表明該電機可以驅動和控制水嘴開合的大小。

4 結論

針對目前分層注水工藝技術存在的不足，本文提出了分層注水測控系統的方案，采用無線+電纜的方式實現井下與地面的信息傳輸，并設計了注水井井下的控制電路，實現流量、壓力、溫度信號的采集以及電機的控制，最后通過實驗驗證溫度信號采集和電機控制的正確性。

【參考文獻】

[1]高照敏，程時清，等.分注工藝技術在長慶油田的應用與發展趨勢[J].石油石化節能，2011，11（3）：19-21.

[2]劉永勝.注水井分層智能聯動調配系統[J].石油儀器，2007，21（1）：62-63.

[3]鄧剛，王琦，高哲.橋式偏心分層注水及測試新技術[J].油氣井測試，2002（03）：23-27.

[4]徐廣天，米忠慶，張傳軍，孫宇飛.注水井高效測調技術的開發與應用[J].石油科技論壇，2010（06）：123-127.

[責任編輯：湯靜]

【摘 要】目前石油注水井分注工藝無法避免投撈偏心注水器的作業風險，無法實現實時監測與控制，為了提高分注水平，開展了注水技術研究，提出分層注水測控系統的方案，設計了分層注水測控系統井下的控制電路，采用模塊化設計方法，便于擴展與移植。

【關鍵詞】注水井；分層注水；智能控制

（Xian Technological University， Xian Shaanxi 710021， China）

【Abstract】The oil to separate water injection technology current status is inevitable for eccentric injector salvage operation risk，Also unable to accomplish real-time monitoring and control.TO enhance injection level，was carried out by water injection technology research put forward the measure and control system in the layered water injection scheme，injection measurement and control system is designed downhole control circuit， the method of modular design， easy to expand and transplant.

【Key words】Injection well；Seperate layer water injection；Intelligent control

為了滿足油田的實際需要，促使了分層注水工藝研究和配套工具不斷地改進和優化。國內研究了空心分注、油套分注等多種分層注水工藝，逐漸形成空心分注、橋式偏心分注、油套分注和偏心分注等主要的分注工藝技術[1-2]。常規的偏心工藝應用較成熟，橋式偏心分注技術是在偏心工藝的基礎上發展的，是目前油田分注技術的主體技術，能夠完成多級的分層注水，明顯的減少層與層之間的干擾，提高了測試精度和工作效率，但是仍然沒有擺脫水嘴工作量大、周期長的問題[3-4]。

針對目前分層注水工藝技術存在的不足，本文提出了分層注水測控系統的方案，并進行了系統的電路設計，采用模塊化設計方法，便于擴展與移植。

1 分層注水測控系統的方案

分層注水測控系統的方案原理圖如圖1所示，該方案主要由地面控制系統、操作工具系統、井下測控系統三個部分構成。在注水井正常分注狀態下，根據系統設計參數，按照一定的時間間隔自動記錄各層的注水量、壓力等參數，井下控制器可以根據注水量變化狀態定時自動進行調節。在分層注水讀取井下測試數據工作狀態時，需要向井下伸入電纜并攜帶操作工具，通過操作工具在井下與智能配水器進行無線通訊，可以讀取井下存儲器中的流量、壓力等數據，地面電腦可以顯示注水量曲線、注水層壓力變化曲線。

2 井下電路設計

井下電路主要完成壓力、溫度、流量信息的采集、數據存儲以及對電機的控制。單片機選用STC12C5A60S2，該芯片具有高速、低功耗及強抗干擾的特點，可產生2路的PWM，內部含有復位電路和10位的A/D。井下電路原理圖如圖2所示。

2.1 信號采集電路

溫度數據通過溫度傳感器直接采集，再進行A/D轉換后進行處理；壓力數據采用壓力變送器進行采集，其內部集成有測量電路，輸出為標準的電信號；流量數據是通過差壓傳感器測得注水口的壓力差進而標定的。

2.1.1 溫度信號采集

根據井下工作空間狹小、工作溫度高等要求，選用DS18B20進行溫度測量，它是線式數字溫度傳感器，體積很小，測量溫度范圍為-55～125℃，可以編程選擇12位的A/D轉換精度，分辨率可以達0.0625℃，直接串行輸出數字量，可與單片機相連。由于DS18B20內部集成了A/D模塊，簡化了外圍電路的設計，因此電路應用非常簡單。

2.1.2 壓力信號采集

考慮到開發周期的問題，直接采用壓力變送器來設計，它是由壓力傳感器、測量電路和過程連接三部分組成。根據井下壓強大、空間小的要求，選用CYB-21S超小型壓力變送器，它的溫度使用范圍為0～125℃，加上精心設計的電子線路和一體化結構，輸出為1～5V標準電壓信號，適合在油氣井等惡劣的環境中使用。

2.1.3 流量信號采集

本次采用孔板流量計，它是利用節流孔（孔板）的作用使孔板上下產生壓差，然后通過差壓計測量壓差來計算出流量。根據對尺寸的要求，選用HT20硅壓阻式差壓傳感器，它采用全316L不銹鋼一體結構，產品性能穩定、可靠，耐高靜壓，性價比高。根據實際情況HT20的量程選擇為0～200KPa，為了實現高精度測量，同時考慮成本等原因限制，采用AD 8638進行信號調理，然后將輸出信號經過分辨率為16位的AD976進行A/D轉換，最后將數字信號送入單片機處理。

2.2 數據存儲電路

在井下需要對采集過來的溫度、壓力、流量數據進行存儲，以供用戶日后查看。本次采用2片AT24C512進行擴展，它的容量為64KB，是電擦除的存儲器，所以能夠存儲128KB。該芯片與單片機連接方便，只需要三根線，可以有效的減少I/O口的占用。

2.3 電機驅動電路

在井下電機的作用是調節水嘴大小，進而改變噴水口的截面積，實現注水量的調節。考慮到電機有足夠大的輸出轉矩和注水井管道內部狹小的空間對電機的外形尺寸的限制，電機選用RE-max 21電機，與減速箱GP22C組合使用，最大瞬間轉矩為3Nm，標稱功率為6w，額定電壓為12V，最高連續轉速為5rpm。電機驅動電路是由STC12C5A60S2和 L298N共同構成，采用PWM波控制電機，通過單片機的 P2.1和P2.2口控制電機的正反轉。

3 實驗測試

3.1 溫度信號采集實驗

溫度信號采集實驗是在室內進行的，通過DS18B20測量室內的溫度，再利用LCD 1602來顯示其溫度值，此過程包含了溫度傳感器的采集、A/D轉換以及LCD的顯示。溫度數據采集實驗如圖3所示，此時顯示溫度是19.5℃。

3.2 電機驅動實驗

電路焊接調試好后，在室內對直流電機做控制實驗，通過控制電機旋轉的圈數來實現水嘴的開合大小。如圖4所示，實驗表明該電機可以驅動和控制水嘴開合的大小。

4 結論

針對目前分層注水工藝技術存在的不足，本文提出了分層注水測控系統的方案，采用無線+電纜的方式實現井下與地面的信息傳輸，并設計了注水井井下的控制電路，實現流量、壓力、溫度信號的采集以及電機的控制，最后通過實驗驗證溫度信號采集和電機控制的正確性。

【參考文獻】

[1]高照敏，程時清，等.分注工藝技術在長慶油田的應用與發展趨勢[J].石油石化節能，2011，11（3）：19-21.

[2]劉永勝.注水井分層智能聯動調配系統[J].石油儀器，2007，21（1）：62-63.

[3]鄧剛，王琦，高哲.橋式偏心分層注水及測試新技術[J].油氣井測試，2002（03）：23-27.

[4]徐廣天，米忠慶，張傳軍，孫宇飛.注水井高效測調技術的開發與應用[J].石油科技論壇，2010（06）：123-127.

[責任編輯：湯靜]

【摘 要】目前石油注水井分注工藝無法避免投撈偏心注水器的作業風險，無法實現實時監測與控制，為了提高分注水平，開展了注水技術研究，提出分層注水測控系統的方案，設計了分層注水測控系統井下的控制電路，采用模塊化設計方法，便于擴展與移植。

【關鍵詞】注水井；分層注水；智能控制

（Xian Technological University， Xian Shaanxi 710021， China）

【Abstract】The oil to separate water injection technology current status is inevitable for eccentric injector salvage operation risk，Also unable to accomplish real-time monitoring and control.TO enhance injection level，was carried out by water injection technology research put forward the measure and control system in the layered water injection scheme，injection measurement and control system is designed downhole control circuit， the method of modular design， easy to expand and transplant.

【Key words】Injection well；Seperate layer water injection；Intelligent control

為了滿足油田的實際需要，促使了分層注水工藝研究和配套工具不斷地改進和優化。國內研究了空心分注、油套分注等多種分層注水工藝，逐漸形成空心分注、橋式偏心分注、油套分注和偏心分注等主要的分注工藝技術[1-2]。常規的偏心工藝應用較成熟，橋式偏心分注技術是在偏心工藝的基礎上發展的，是目前油田分注技術的主體技術，能夠完成多級的分層注水，明顯的減少層與層之間的干擾，提高了測試精度和工作效率，但是仍然沒有擺脫水嘴工作量大、周期長的問題[3-4]。

針對目前分層注水工藝技術存在的不足，本文提出了分層注水測控系統的方案，并進行了系統的電路設計，采用模塊化設計方法，便于擴展與移植。

1 分層注水測控系統的方案

分層注水測控系統的方案原理圖如圖1所示，該方案主要由地面控制系統、操作工具系統、井下測控系統三個部分構成。在注水井正常分注狀態下，根據系統設計參數，按照一定的時間間隔自動記錄各層的注水量、壓力等參數，井下控制器可以根據注水量變化狀態定時自動進行調節。在分層注水讀取井下測試數據工作狀態時，需要向井下伸入電纜并攜帶操作工具，通過操作工具在井下與智能配水器進行無線通訊，可以讀取井下存儲器中的流量、壓力等數據，地面電腦可以顯示注水量曲線、注水層壓力變化曲線。

2 井下電路設計

井下電路主要完成壓力、溫度、流量信息的采集、數據存儲以及對電機的控制。單片機選用STC12C5A60S2，該芯片具有高速、低功耗及強抗干擾的特點，可產生2路的PWM，內部含有復位電路和10位的A/D。井下電路原理圖如圖2所示。

2.1 信號采集電路

溫度數據通過溫度傳感器直接采集，再進行A/D轉換后進行處理；壓力數據采用壓力變送器進行采集，其內部集成有測量電路，輸出為標準的電信號；流量數據是通過差壓傳感器測得注水口的壓力差進而標定的。

2.1.1 溫度信號采集

根據井下工作空間狹小、工作溫度高等要求，選用DS18B20進行溫度測量，它是線式數字溫度傳感器，體積很小，測量溫度范圍為-55～125℃，可以編程選擇12位的A/D轉換精度，分辨率可以達0.0625℃，直接串行輸出數字量，可與單片機相連。由于DS18B20內部集成了A/D模塊，簡化了外圍電路的設計，因此電路應用非常簡單。

2.1.2 壓力信號采集

考慮到開發周期的問題，直接采用壓力變送器來設計，它是由壓力傳感器、測量電路和過程連接三部分組成。根據井下壓強大、空間小的要求，選用CYB-21S超小型壓力變送器，它的溫度使用范圍為0～125℃，加上精心設計的電子線路和一體化結構，輸出為1～5V標準電壓信號，適合在油氣井等惡劣的環境中使用。

2.1.3 流量信號采集

本次采用孔板流量計，它是利用節流孔（孔板）的作用使孔板上下產生壓差，然后通過差壓計測量壓差來計算出流量。根據對尺寸的要求，選用HT20硅壓阻式差壓傳感器，它采用全316L不銹鋼一體結構，產品性能穩定、可靠，耐高靜壓，性價比高。根據實際情況HT20的量程選擇為0～200KPa，為了實現高精度測量，同時考慮成本等原因限制，采用AD 8638進行信號調理，然后將輸出信號經過分辨率為16位的AD976進行A/D轉換，最后將數字信號送入單片機處理。

2.2 數據存儲電路

在井下需要對采集過來的溫度、壓力、流量數據進行存儲，以供用戶日后查看。本次采用2片AT24C512進行擴展，它的容量為64KB，是電擦除的存儲器，所以能夠存儲128KB。該芯片與單片機連接方便，只需要三根線，可以有效的減少I/O口的占用。

2.3 電機驅動電路

在井下電機的作用是調節水嘴大小，進而改變噴水口的截面積，實現注水量的調節。考慮到電機有足夠大的輸出轉矩和注水井管道內部狹小的空間對電機的外形尺寸的限制，電機選用RE-max 21電機，與減速箱GP22C組合使用，最大瞬間轉矩為3Nm，標稱功率為6w，額定電壓為12V，最高連續轉速為5rpm。電機驅動電路是由STC12C5A60S2和 L298N共同構成，采用PWM波控制電機，通過單片機的 P2.1和P2.2口控制電機的正反轉。

3 實驗測試

3.1 溫度信號采集實驗

溫度信號采集實驗是在室內進行的，通過DS18B20測量室內的溫度，再利用LCD 1602來顯示其溫度值，此過程包含了溫度傳感器的采集、A/D轉換以及LCD的顯示。溫度數據采集實驗如圖3所示，此時顯示溫度是19.5℃。

3.2 電機驅動實驗

電路焊接調試好后，在室內對直流電機做控制實驗，通過控制電機旋轉的圈數來實現水嘴的開合大小。如圖4所示，實驗表明該電機可以驅動和控制水嘴開合的大小。

4 結論

針對目前分層注水工藝技術存在的不足，本文提出了分層注水測控系統的方案，采用無線+電纜的方式實現井下與地面的信息傳輸，并設計了注水井井下的控制電路，實現流量、壓力、溫度信號的采集以及電機的控制，最后通過實驗驗證溫度信號采集和電機控制的正確性。

【參考文獻】

[1]高照敏，程時清，等.分注工藝技術在長慶油田的應用與發展趨勢[J].石油石化節能，2011，11（3）：19-21.

[2]劉永勝.注水井分層智能聯動調配系統[J].石油儀器，2007，21（1）：62-63.

[3]鄧剛，王琦，高哲.橋式偏心分層注水及測試新技術[J].油氣井測試，2002（03）：23-27.

[4]徐廣天，米忠慶，張傳軍，孫宇飛.注水井高效測調技術的開發與應用[J].石油科技論壇，2010（06）：123-127.

[責任編輯：湯靜]