電控存儲式注聚井分層粘度儀

劉 偉 周志全 劉志杰

(東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318)

電控存儲式注聚井分層粘度儀

劉 偉 周志全 劉志杰

(東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318)

在研究傳統旋轉法測量流體粘度的基礎上，結合我國目前注聚井井下聚合物溶液粘度無法測量的具體情況，提出了一種以單片機為控制核心的新式井下粘度儀設計方案，具體闡述了硬件電路設計和軟件程序設計。實驗結果表明：該儀器達到了要求的測量精度。

粘度儀 注聚井 單片機

隨著油田石油儲量的逐年減少，聚合物驅油技術現已成為我國各主力油田提高采收率的主要方法之一。其中聚合物驅油液的粘度是影響驅油效率的關鍵因素，可以認為聚合物驅油液粘度越高，采收率提高值就越高。但驅油液的粘度被提高到某一特定值后，提高采收率的能力會變差，此時若繼續提高驅油液的粘度將造成聚合物的浪費。因此驅油液的粘度要控制在一個合理的范圍內，才能達到最佳的驅油效果[1]。然而聚合物溶液的粘度很不穩定，注入到井下后會受到地層溫度、地層壓力及pH值等因素的影響，造成粘度損失，往往不能達到預期的驅油效果，嚴重影響采收率，所以對井下聚合物溶液粘度的監測至關重要。

此外，大慶油田等主力油田多為陸相沉積的砂體油田，屬于非均質多油層砂巖油藏，此類油田需要采取聚合物分層注入的技術來緩解層間矛盾[2]。隨著聚合物驅油的深入，油層縱向上層數多、層段長，非均質性強，層間干擾嚴重，使得井下注聚液粘度分層測試難度進一步加大。目前油田注聚井利用現有技術，只能重新從井下提取樣本到地面測量[3]。由于取樣過程操作程序繁雜且具有延遲性，使得測量準確性降低，效率降低，造成人力、物力的巨大浪費。為了進一步掌握注聚井的動靜態資料，完善聚合物驅油技術，需要開展注聚井井下分層粘度測試技術的研究。為此筆者開發研制了一種電控存儲式注聚井分層粘度儀。

1 測量原理

把某剛性物體沉入到液體中，并使兩者或者其中之一轉動時，物體會受到粘滯阻力作用，迫使物體的轉矩或轉速改變。因此通過轉矩或轉速可以間接測得液體的粘度[4]。鑒于扭矩傳感器的尺寸較大，很難從配注器測試孔進入且價格昂貴，筆者提出了一種新式旋轉法測粘度的方案，即通過測量恒定電壓下直流電機所消耗的電流間接反映轉矩進而計算粘度。

旋轉粘度計的基本結構如圖1所示。外筒半徑為Ra，將液體裝于外筒并使外筒固定；把半徑為Ri的可旋轉空心圓筒(內筒)浸入液體并使它與外筒同軸，進入深度為h。假設待測液體為牛頓流體，圓筒表面光滑無摩擦[5]。

圖1 旋轉粘度計的基本結構

當以角速度ω旋轉內筒時，待測液體在筒內的流動方式呈層流狀態。此時，在距離圓筒中心r處液體的旋轉角速度為ω，線速度為v，則在r+dr處液體的線速度為：

v+dv=(ω+dω)(r+dr)=rω+rdω+ωdr+drdω

(1)

式(1)中drdω項非常小，可以忽略，且v=rω，因此線速度增量為：

dv=rdω+ωdr

(2)

則速度梯度為：

(3)

在半徑r和r+dr處形成的兩液層之間的剪切應力為：

(4)

式中F——粘性力，N；

M——粘性力矩，N·m；

S——半徑為r的液體圓筒表面積，m2。

由牛頓粘性定律τ=ηγ可知：

(5)

對式(5)積分可得到粘度η：

(6)

(7)

由式(7)可以看出，高度h、半徑Ri和角速度ω均可以設定，因此只需測量出粘性力矩M。將式(7)進一步改寫成：

η=kM

(8)

其中，k為儀器系數。由于粘性力矩M與直流電機扭矩T大小相等，所以粘度η可以近似看成是直流電機扭矩的函數。

直流電機轉矩公式為：

T=CtΦI

(9)

式中Ct——電機常數；

I——電流；

Ф——電機氣隙磁通。

正常工作時氣隙磁通基本不變，認為Φ是常數。所以電機的轉矩與電流可以近似看成正比關系，進而將測量轉矩轉化為測量電機電流。通過標準粘度溶液對儀器進行標定，用實驗數據擬合出粘度曲線，最后將粘度代入粘溫轉化關系式(阿列紐斯關系式)：

η=AeB/t

(10)

式中A、B——流體常數；

t——絕對溫度。

實際測量時，只需把采集的電流、電壓和溫度值導入數據回放軟件即可得到修正后的粘度。

2 總體方案設計

首先由地面工作人員通過操作電纜投放車、地面控制箱、儀器定位投放打撈器及機械丟手等將粘度儀送達指定深度油層，通過電纜控制丟手定位支臂張開實現定位[6]。然后通過控制丟手內部電機旋轉使丟手連接套與粘度儀分離，將粘度儀留在井中，并將電纜和連接套收回，儀器井下投放定位過程結束。定時模塊開始工作，當到達預設時間時，粘度儀控制模塊輸出信號，控制留在井下的坐封電機正轉，通過傳動軸帶動推拉桿沿軸向運動，促使滑動外套運動壓縮皮碗，皮碗壓縮后封住上下封隔器上的測試孔，實現儀器的坐封。完成坐封后，單片機內部定時器工作，每隔5min發出一次信號，控制測量電機帶動旋轉探頭旋轉5min，同時電流檢測模塊開始工作，并把電流值存儲到存儲模塊中。測量結束時坐封電機反轉解封粘度儀，下入打撈器撈出粘度儀，提取數據并進行數據處理，實現粘度回放。

2.1各模塊硬件設計

粘度儀以STC12LE5616AD為控制核心，主要由電源模塊、定時模塊、電機驅動模塊、數據采集模塊、溫度采集模塊和數據存儲模塊共同組成，結構框圖如圖2所示。

圖2 粘度儀結構框圖

電源模塊由兩部分構成，分別為單片機系統和直流電機提供3.3V和12V電源。兩部分電源都采用額定電壓為3.3V的APR18650型磷酸鐵鋰動力電池組。該型號電池耐高溫性能好，工作溫度范圍寬(-20～75℃)；安全性高，對磷酸鐵鋰電池進行針刺或短路實驗，只有小部分樣品出現燃燒現象，但都沒有發生爆炸事件；壽命長，可以循環使用兩千次以上；容量大，價格低。用該電池組給粘度儀供電，可以支持儀器在井下連續工作數周。

定時模塊。由于油田井下環境對設備功耗的約束，增加時鐘控制電路可以使MCU在空閑時進入休眠模式。時鐘控制電路的核心控制芯片是CD4060，其工作原理是輸出高低電平信號來控制對MCU的供電與斷電，當輸出高電平時MCU得電工作，輸出低電平時MCU斷電進入休眠狀態從而降低靜態功耗，定時模塊的電路如圖3所示。

圖3 定時模塊電路

經過一定時間后，Q13引腳輸出高電平，使Q1三極管導通，此時MCU獲得3.3V直流電壓，進入工作模式。MCU首先判斷EEPROM地址0x00的內容與設定的坐封時間是否一致，如果一致則表示已經達到了坐封時間，此時MCU按照預定指令控制驅動電機正轉完成坐封。如果沒達到坐封時間，則向該地址數據加1。此后每隔同樣的時間反復進行，直到達到坐封時間。當完成坐封要求后，CD4060的Q6引腳輸出高電平，通過D6～D8邏輯關系使RST-4060輸出高電平觸發信號，將芯片CD4060進行復位操作，Q13恢復初始狀態，Q1三極管關閉，切斷MCU電源，使單片機進入掉電模式，此時MCU功耗小于0.1μA。此定時模塊的設計既保證了儀器的正常工作需求又降低了功耗，延長了儀器的井下工作時間。

電機驅動與電流采集模塊。電機的驅動是由單片機輸出指令信號，通過復合晶體管ULN2003控制繼電器的通斷實現的，電路如圖4所示。當MCU的P3.3引腳輸出高電平時經ULN2003變成低電平，繼電器的8引腳被拉低，繼電器引腳3、4和引腳5、6分別導通，電機得電開始帶動探頭旋轉。此時MCU通過高精度采樣電阻對電機電流進行采樣，并通過片內ADC對采樣值進行處理以實現對電機電流的檢測。

圖4 電機驅動與電流采集模塊電路

溫度檢測模塊。溫度檢測模塊選用單線式數字溫度傳感器芯片DS18B20,它能直接將溫度轉換為數字信號輸出且不需要任何外圍元件。該芯片具有獨特的單線接口方式，只需要一條數據總線就能實現與單片機的相互通信。測溫范圍大(-55～125℃),在-10～85℃范圍內時精確度為±0.5℃。DS18B20在抗干擾方面也很出色，能滿足惡劣工況下的現場溫度測量。該芯片應用CMOS工藝，功耗非常小，在待機時耗電量幾乎為零。

數據存儲與提取模塊。存儲模塊采用Ateml公司生產的串行EEPROM存儲芯片AT24C1024，容量為128KB，該芯片功耗低、體積小、允許工作電壓范圍寬，工作溫度范圍為-55～125℃，芯片內的資料可以在斷電情況下保存40年，可完成十萬次寫操作。AT24C1024與單片機的通信電路如圖5所示。根據采樣要求，每隔一段時間存入一組數據，按照8位串行的方式寫入EEPROM，數據按照“采樣溫度、采樣電壓、采樣電流”的順序寫入，數據存儲時根據數據采集的時間先后依次連續存放。讀取數據時以8位字節為一個數據單元，從首地址開始依次對數據進行分割，分割出來的數據為“采樣溫度、采樣電壓、采樣電流”，與存儲時的數據相對應。數據提取時通過杜邦線與自制的數據提取模塊相連，配合計算機上的數據回放軟件完成。由數據提取模塊讀取AT24C1024里的數據，通過RS232接口發送給計算機，由計算機接收并通過數據回放軟件對數據進行處理和解釋分析。

圖5 AT24C1024與單片機的通信電路

通信模塊。通信模塊主要完成儀器與計算機之間的通信，實現儀器內部程序的更新和儀器調試。考慮到儀器在井下工作時受尺寸和功耗的限制，所以通信模塊也選擇外接的方式。選用以CP2102為核心元件的USB轉TTL模塊，該模塊通過驅動程序將PC的USB口虛擬成COM口，PC與CP2102之間的數據通信通過USB口完成。單片機下載程序時，除電源外只需把模塊的單片機RXD和TXD管腳交叉相連即可，由模塊自動完成數據的收發。

2.2軟件設計

根據對注聚井不同層段驅油液的粘度、溫度實時測量的要求，采用模塊化程序設計，總體軟件設計流程如圖6所示。

圖6 軟件設計流程

系統初始化后進入軟件設計的關鍵環節，即儀器坐封環節，該環節中要控制坐封電機轉動，帶動推拉桿運動壓縮皮碗，實現待測層與上下兩層的隔離。由圖6可以看出，液體的粘度、溫度的測量是同步進行的，把實際測得的溫度、電壓及電流等參數存儲到存儲器中。最后通過控制電機反轉完成解封，測量結束。

3 數據回放

數據回放軟件為用戶提供了一個直觀的操作環境，用戶可以方便地使用本軟件實現與粘度儀的串行通信，同時可以通過端口設置選擇與下位機的通信模式，可以在操作界面中設置粘度計算中的相關參數，可以顯示測量數據。設置端口參數的界面如圖7所示。

圖7 端口設置界面

數據顯示界面主要用來顯示接收的數據(圖8)，包括電機電壓、電機電流、環境溫度和計算得到的聚合物溶液粘度。可以實現文本、Excel電子表格形式的數據輸出，測試數據能以曲線形式顯示和打印。

圖8 數據顯示界面

4 測量實驗與結果分析

在實驗室中，分別利用標準儀器和井下粘度儀對相同聚合物溶液粘度進行測量以檢測所設計儀器的準確性。

實驗條件為：用油田現場的污水配置聚合物溶液(由大慶油田提供)，濃度分別為3.0‰、2.4‰、1.8‰，測量溫度分別為30、40、50、60、70、80℃。圖9為用兩種儀器所測得的粘度曲線。其中實線部分為標準粘度計測量數據擬合的曲線，點劃線為筆者設計的井下粘度儀依據實驗數據點繪制的曲線。

圖9 粘度曲線

通過實際測量數據與標準儀器所測得的數據的比較表明，粘度誤差最大處相差3mPa·s，筆者所設計的儀器測得的粘度值在合理范圍內，達到了預先的設計要求。

5 結束語

針對我國目前注聚井井下聚合物溶液粘度無法直接測量的情況，提出了一種注聚井井下粘度儀的軟硬件設計方案。該儀器所測得的粘度值在合理范圍之內，滿足現場使用要求。解決了現有技術無法直接測量井底聚合物溶液粘度的難題，進一步完善了我國聚合物驅油技術，提高了采收率，節省了采油成本，具有廣闊的應用前景。

[1] 熊偉.二元復合驅新體系研究[D].青島:中國石油大學(華東),2006.

[2] 唐俊東.聚合物驅單管多層分質分壓注入技術[J].中國化工貿易,2013,(8):237.

[3] 李賀.聚合物溶液在管柱中的粘度變化研究[J].中國石油和化工標準與質量，2014，34(8)： 56.

[4] 時迎亮.高溫液態金屬粘度儀的研究與設計[D].濟南:山東大學,2007.

[5] 童剛,唐為義,袁有臣，等.一種新的液體粘度在線測量方法[J].化工自動化及儀表,2007,34(5):51～53.

[6] 劉偉,徐德奎,姜春雷.智能電控存儲式油井分層測壓儀研制[J].化工自動化及儀表，2011，38(5):540～542.

Electrically-controlledStorageViscosimeterforOil-stratifiedInjectionWells

LIU Wei, ZHOU Zhi-quan, LIU Zhi-jie

(SchoolofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

Basing on studying traditional rotation method’s working principle for fluid viscosity measurement and through having difficulty in measuring viscosity of the polymer solution in oil-stratified injection well considered, the design of a new MCU-cored underground viscosimeter was proposed; and the design of its hardware circuit and software program was described. The experimental results prove its measurement accuracy as required.

viscosimeter, injection well, MCU

2016-06-17(修改稿)

TH836

A

1000-3932(2016)08-0809-05