基于PIC單片機(jī)的找水系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

任志平,李 貅,黨 博

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,陜西 西安 710054；2.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710065)

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基于PIC單片機(jī)的找水系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

任志平1,2,李 貅1,黨 博2

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,陜西 西安 710054；2.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710065)

通過(guò)分析時(shí)間域電磁法(TEM)探測(cè)原理,簡(jiǎn)化了磁感應(yīng)線圈設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了以PIC單片機(jī)作為控制核心,集成了信號(hào)發(fā)生單元、接收處理單元和數(shù)據(jù)傳輸單元的檢測(cè)系統(tǒng),開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明:該系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)套管外部地層信息的探測(cè),準(zhǔn)確區(qū)分油水界面,有效徑向探測(cè)距離可以達(dá)到0.8 m,具有控制便捷、探測(cè)距離遠(yuǎn)、性能可靠、集成度高以及功耗低的特點(diǎn),為套后油層水淹監(jiān)測(cè)提供了新方法。

時(shí)間域電磁法; 外圍接口控制器; 找水

0 引 言

油、氣井中的產(chǎn)水層是客觀存在的[1,2],開(kāi)展封堵作業(yè)的前提是先要確定出水層的位置。目前國(guó)內(nèi)外找水測(cè)試采用的主要技術(shù)有中子壽命法、碳氧比測(cè)井、井中流體取樣法以及過(guò)套管電阻率法等。中子壽命檢測(cè)法通過(guò)研究地層對(duì)熱中子的宏觀特性,評(píng)價(jià)地層的可動(dòng)水含量[3],作業(yè)環(huán)境受地層礦化度影響較大,無(wú)法識(shí)別淡水水淹層。碳氧比測(cè)井通過(guò)發(fā)射高能快中子,分析其在地層中產(chǎn)生的伽馬射線能譜,計(jì)算地層中碳、氧元素的含量來(lái)比識(shí)別水淹層,但測(cè)試方法僅適用于孔隙度大于15 %的儲(chǔ)層區(qū)域[4,5]。井中流體取樣法封隔井下重點(diǎn)懷疑的出水段,分段測(cè)試流量進(jìn)而確定出水位置[6],該方法機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,找水周期長(zhǎng),無(wú)法精確預(yù)報(bào)套管外串水層的流體產(chǎn)量。電極系過(guò)套管電阻率測(cè)井[7,8]突破了金屬套管對(duì)地層電阻率測(cè)量的制約,但測(cè)試過(guò)程受套管銹蝕、水泥膠結(jié)質(zhì)量、電極系與套管壁產(chǎn)生的摩擦電勢(shì)以及熱電勢(shì)等多種因素的影響,信號(hào)處理難度較大,測(cè)井成本昂貴。

本文設(shè)計(jì)了一種便捷、小型化的非接觸生產(chǎn)井找水探測(cè)系統(tǒng),在外圍接口控制器(PIC)單片機(jī)控制下發(fā)射瞬變電磁信號(hào),利用瞬變電磁信號(hào)的時(shí)空特性,實(shí)現(xiàn)對(duì)套管外儲(chǔ)層特性的探測(cè),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、探測(cè)精度高、探測(cè)距離遠(yuǎn)、性能可靠、穩(wěn)定和操作方便的特點(diǎn),可有效探測(cè)層間竄水、套管損壞等引起的各種出水現(xiàn)象,為穩(wěn)油控水作業(yè)提供直接依據(jù)。

1 探測(cè)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)

系統(tǒng)探測(cè)主要通過(guò)測(cè)量地層電阻率,實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層特性的評(píng)價(jià)。由于原狀地層與水的電性差異達(dá)數(shù)十至數(shù)百倍,當(dāng)?shù)貙涌臻g充入水(含水),會(huì)導(dǎo)致電阻發(fā)生變化,含水與不含水圍巖地層所呈現(xiàn)的電性差異,構(gòu)成設(shè)計(jì)系統(tǒng)找水的重要依據(jù)。

探測(cè)系統(tǒng)采用時(shí)間域電磁方法(time domain electromagnetic methods,TEM),是一種建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的時(shí)間域人工源電磁探測(cè)方法[9],工作過(guò)程分為發(fā)射、電磁感應(yīng)和接收三個(gè)部分。當(dāng)發(fā)射回線中通以階躍電流I,發(fā)射電流突然由I下降為0時(shí),根據(jù)電磁感應(yīng)理論,發(fā)射回線中電流的突變必將在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)(通常稱(chēng)為一次場(chǎng))。一次場(chǎng)在傳播過(guò)程中,會(huì)在周?chē)橘|(zhì)內(nèi)部激發(fā)感應(yīng)渦流,由于感應(yīng)渦流隨時(shí)間變化,因而在其周?chē)之a(chǎn)生新的磁場(chǎng)(通常稱(chēng)為二次場(chǎng))。由于二次場(chǎng)來(lái)源于周?chē)橘|(zhì)內(nèi)的感應(yīng)電流,因此它包含與環(huán)境介質(zhì)有關(guān)的地電信息。在一次場(chǎng)脈沖間歇期間,利用接收回線觀測(cè),提取二次場(chǎng)信息,并進(jìn)行分析和處理,對(duì)導(dǎo)電介質(zhì)的相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行解釋,達(dá)到探測(cè)周?chē)貙犹匦缘哪康摹?/p>

2 探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)時(shí)間域電磁法測(cè)量的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于PIC單片機(jī)的找水探測(cè)系統(tǒng),系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 探測(cè)系統(tǒng)組成示意圖Fig 1 Schematic diagram of detection system

2.1 微控制單元

系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用Microchip公司的PIC16F877單片機(jī)作為系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集的核心,整個(gè)控制單元包括井下和地面兩個(gè)部分,其中井下控制單元通過(guò)SPI總線完成對(duì)磁探頭信號(hào)發(fā)生電路、磁探頭接收處理電路及傳輸電路等功能模塊的控制,地面控制單元實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的解調(diào),并通過(guò)RS—232串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。PIC16F877采用單字寬單周期指令、哈佛雙總線和RISC結(jié)構(gòu),全靜態(tài)CMOS設(shè)計(jì),抗干擾性能好,具有33個(gè)雙向I/O口,支持14個(gè)中斷源,降低了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度,支持I2C和SPI串行總線,可以靈活擴(kuò)展外圍器件,滿(mǎn)足了系統(tǒng)低功耗,低成本、穩(wěn)定性要求高的設(shè)計(jì)需求。

2.2 磁探頭

磁探頭是施加激勵(lì)場(chǎng),獲取接收信息的核心部件,傳感器線圈的性能好壞決定了整個(gè)系統(tǒng)的探測(cè)效果。與傳統(tǒng)的感應(yīng)測(cè)井不同,本系統(tǒng)引入時(shí)間域電磁技術(shù),接收信號(hào)的采集是在發(fā)射信號(hào)關(guān)斷后進(jìn)行,因而減少了一次場(chǎng)的直接耦合,不需要聚焦線圈,磁探頭的設(shè)計(jì)得到了簡(jiǎn)化。設(shè)計(jì)中磁探頭采用絕對(duì)式的繞制方法[10],激勵(lì)線圈采用0.38 mm的漆包線,纏繞在非鐵磁性材料的骨架上,線圈長(zhǎng)度200 mm,線圈匝數(shù)200匝,通入1 A電流時(shí),發(fā)射信號(hào)的關(guān)斷時(shí)間為0.8 ms。線徑0.18 mm的檢測(cè)線圈繞制在激勵(lì)線圈上面,檢測(cè)線圈的匝數(shù)為500匝,通過(guò)在檢測(cè)線圈的中部引一根導(dǎo)線接地,使得檢測(cè)線圈的上、下部分對(duì)稱(chēng)分布,通過(guò)對(duì)接收差分信號(hào)的處理,可有效減少噪聲干擾,提高檢測(cè)線圈的靈敏度。

2.3 信號(hào)發(fā)生單元

信號(hào)發(fā)生單元用于產(chǎn)生二次場(chǎng)的激發(fā)源信號(hào)。為了有效抑制觀察系統(tǒng)中的直流偏移和超低頻噪聲干擾,探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)采用周期性的雙極性方波,電路原理如圖2(a)所示。首先利用井下單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生兩列相同極性、占空比為1/4的脈沖方波,通過(guò)RB7和RC0的兩個(gè)引腳控制模擬開(kāi)關(guān)HI201的閉合與斷開(kāi),實(shí)現(xiàn)三極管開(kāi)關(guān)電路的導(dǎo)通,進(jìn)而產(chǎn)生雙極性方波激勵(lì)信號(hào),信號(hào)的脈沖寬度和脈沖間歇時(shí)間均為150 ms。

圖2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)Fig 2 Design of system circuit

2.4 信號(hào)接收單元

信號(hào)接收單元如圖2(b)所示,主要由前置放大電路、可變?cè)鲆娣糯箅娐?、積分電路和A/D采樣電路組成,實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的處理?？紤]到接收到的二次場(chǎng)信號(hào)較微弱,為了提高采樣精度,設(shè)計(jì)采用精密儀表放大器INA118搭建前置放大電路,在低頻放大同時(shí)對(duì)各種共模干擾進(jìn)行抑制,然后利用高速四路單刀單擲開(kāi)關(guān)ADG202ATQ與運(yùn)算放大器Op07組成可變?cè)鲆娣牌?由PIC單片機(jī)控制不同的放大倍數(shù),對(duì)早、中、晚不同時(shí)期的磁探頭接收信號(hào)進(jìn)行有效檢測(cè)。放大后的瞬變電磁信號(hào),接入積分電路進(jìn)行信號(hào)取樣,最后感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值電平通過(guò)ADI 公司16 位低功耗A/D 轉(zhuǎn)換芯片AD974 完成數(shù)據(jù)采集,并通過(guò)SPI數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳送至井下控制單元。

2.5 數(shù)據(jù)傳輸單元

受測(cè)井環(huán)境影響,井下采集到的電磁信號(hào)不適合直接在電纜上傳輸,設(shè)計(jì)了如圖2(c)所示數(shù)據(jù)傳輸單元,數(shù)據(jù)信息經(jīng)井下單片機(jī)編碼后通過(guò)非門(mén)加載到三級(jí)管的基極,對(duì)三極管的導(dǎo)通進(jìn)行控制,通過(guò)井下耦合變壓器將數(shù)據(jù)耦合在單芯電纜上,借助單芯電纜向井上傳輸,地面耦合變壓器把加載在單芯電纜上的信號(hào)耦合下來(lái),由于電纜上的分布電容會(huì)造成信號(hào)在上傳過(guò)程中的失真,所以先經(jīng)過(guò)由芯片OP27搭建的二階有源低通濾波電路處理后,再通過(guò)電壓比較器LM393將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),送地面單片機(jī)進(jìn)行解碼。

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)設(shè)計(jì)流程如圖3所示,借助地面控制單元把地面解調(diào)后的數(shù)據(jù)通過(guò)RS—232串口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。上位機(jī)軟件采用LabVIEW編寫(xiě),具有數(shù)據(jù)接收、實(shí)時(shí)顯示繪圖功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ),回放等功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的信號(hào)的后期分析處理。

圖3 上位機(jī)設(shè)計(jì)流程圖Fig 3 Design flow chart of upper PC

圖4 電阻率測(cè)井曲線Fig 4 Resistivity logging curve

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

XXX-4井完鉆開(kāi)采近30年,現(xiàn)有生產(chǎn)層段分別位于1 836～1 841 m,1 845～1 847 m處,測(cè)試前該井日產(chǎn)液38 t,日產(chǎn)油1.1 t,含水率高達(dá)97 %。采用本設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)該井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,徑向0.8 m處的生產(chǎn)層段的過(guò)套管電阻率測(cè)井曲線如圖5所示,圖中基準(zhǔn)線對(duì)應(yīng)該區(qū)域常規(guī)非儲(chǔ)層地層電阻率,可以看出:在1 833.8～1 836.3 m,1 838.7～1 841.7 m,1 845～1 846.8 m處的測(cè)井曲線出現(xiàn)異常,明顯偏靠基準(zhǔn)線的左側(cè),表明這些地方的介質(zhì)電阻率小于常規(guī)非儲(chǔ)層地層電阻率,高含水層特征明顯。結(jié)合測(cè)井資料判斷1 836～1 841 m的生產(chǎn)層段是一個(gè)高含水油層段,而1 845～1 847 m段由于存在套后水層竄槽形成了一個(gè)純水層段,這是造成測(cè)井含水率較高的主要原因。據(jù)此對(duì)1 845～1 847 m的生產(chǎn)層段進(jìn)行了卡封作業(yè),采取措施后該井日產(chǎn)液16 t,含水率降低為86 %,3個(gè)月累計(jì)增油102 t,增油效果明顯。探測(cè)方法的有效性、測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性得到了驗(yàn)證。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于時(shí)間域電磁法的套管外找水探測(cè)技術(shù),設(shè)計(jì)了探測(cè)系統(tǒng),測(cè)試結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以有效識(shí)別套管外部水層信息。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有助于了解生產(chǎn)井套后儲(chǔ)層的分布情況,對(duì)完善儲(chǔ)層信息評(píng)價(jià),減小油井探測(cè)成本,促進(jìn)我國(guó)油田經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。

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Design of water detection system based on PIC MCU*

REN Zhi-ping1,2, LI Xiu1, DANG Bo2

(1.School of Geology Engineering and Geomatics,Chang’an University,Xi’an 710054,China;2.School of Electronic Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China)

Based on analysis of the principle of time domain electromagnetic method(TEM),the design of the magnetic induction coil is simplified.Using PIC microcontroller as control core,the system integrates signal generation unit,receiving and processing unit and a data transmission unit.Field test results show that the system can effectively detect the casing external formation information,accurately distinguish the oil-water interface and the effective radial detection distance can reach 0.8 m.The system has many advantages such as convenient control,long detection distance,reliable performance,high integration and low power consumption.It provides a new method for the water flooding monitoring.

time domain electromagnetic methods(TEM); peripheral interface controller(PIC); water detection

2016—08—08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (41174160)；國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2011ZX05026)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究聯(lián)合資助項(xiàng)目(2013JQ5010)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0073—03

P 631

A

1000—9787(2016)10—0073—03

任志平(1980-),男,山西永濟(jì)人,博士研究生,講師,主要從事地球物理勘探方法和探測(cè)技術(shù)研究。