[導讀] 在油井的開發(fā)生產中，隨著井深的不斷增加，對井下閥門的控制也更加困難，其主要問題是井下溫度較高(當井下深度5000m以上時，其溫度可達100℃以上)。
在油井的開發(fā)生產中，隨著井深的不斷增加，對井下閥門的控制也更加困難，其主要問題是井下溫度較高(當井下深度5000m以上時，其溫度可達100℃以上)。另外，地面對井下閥門的供電及相應的控制也更難實現。因此，研制一種采用電池供電，并能較長時間按設定的要求獨立工作于井下高溫環(huán)境中的智能閥門控制系統(tǒng)十分必要。
本文設計的井下智能閥門控制系統(tǒng)，采用由單片機組成的計時與控制單元，配合多級封隔器，實現一次作業(yè)下井，配合地下計量和化驗，按設定時間(也可根據需要使某些設定時間失效)進行分層和輪番采油。系統(tǒng)采用雙CPU控制，主機能在現場完成數據錄入、處理和顯示。從機選用PIC單片機和硅振蕩器，使系統(tǒng)可在125℃高溫環(huán)境中長期工作。井下控制系統(tǒng)的平均工作電流小于0.2mA，使用10盎司的電池供電，可連續(xù)工作1萬小時。
系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)的基本工作原理是根據用戶對油井測層的需要，在地面對準備下入井下不同深度目的層的各智能閥門進行多個開關時間設定，然后連同封隔器及防砂管一齊下入井中。各智能閥根據所設定的時間打開或關閉相應的控制閥，(也可根據外界條件，使某次所設定的關閥失效)，自動切換目的層，再配合地面測試儀器，定量讀取有關數據。
圖1：系統(tǒng)原理框圖
系統(tǒng)主要有兩部分組成：閥門動作時間設定器(下稱主機)和井下閥門控制器(下稱從機)，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。主機設計為帶有液晶顯示的手持設備，可在地面對各從機進行多個時間設定，對設定的時間數據進行處理和顯示，并能對設定時間的正確與否做出判定。從機下到井下后，可根據所設定的時間，并與有關流量儀器配合動作，驅動電機拖動相應的閥門打開或關閉。
主機部分的硬件電路設計
主機主要包括人機界面和通訊模塊，采用AT89C52單片機作為控制核心，其電路如圖2所示。系統(tǒng)共設計了5個按鍵：“加”鍵、“減”鍵、“右移”鍵、“確定”鍵和“取消”鍵。操作人員可通過該組按鍵，依據日歷的方式完成多組時間的設定和確認。顯示的時間數據包括“年、月、日、時、分”，數據量較大。因此選用192×64個顯示單元的LCD顯示器。單片機能夠直接訪問LCD顯示器，省去了單片機于LCD之間的液晶顯示控制器，降低了系統(tǒng)成本。主機與叢機之間采用RS-232串口通訊，完成數據和控制指令的傳輸。
圖2：主機硬件電路圖
從機部分的硬件電路設計
從機由電池供電，需要長時間獨立工作于井下125℃以下的高溫環(huán)境中。因而耐高溫、低功耗、高可靠性是從機設計中首要考慮的問題。本系統(tǒng)采用PIC16F876A單片機為核心，實現油井閥門控制器，其硬件結構如圖3所示。從機主要包括：時鐘控制信號、工作電流控制器、閥門電機驅動器、流量信號采集器。PIC16F876A是美國Microchip公司生產的一種28腳8位單片機，采用哈佛總線結構，在3V工作電壓、32KHZ時鐘頻率時，典型工作電流小于20uA，工作溫度范圍為-40℃～+125℃，自帶異步串行口，符合系統(tǒng)低功耗和高工作溫度的要求。
圖3：從機硬件電路圖
時鐘控制信號由MAXIM公司生產的Max7378CMOJ硅振蕩器提供。該芯片能夠為3V工作電源的微控器提供32.768KHZ的主時鐘脈沖，其典型的工作電流為11 uA。工作溫度為-40℃～+125℃，具有抗振動和EMI抑制等特性，使其對污濁和潮溫的工作環(huán)境不敏感，能工作于井下惡劣環(huán)境中，滿足所設定時間的時鐘要求。
工作電源控制器由BG1和BG2等組成，其主要作用是降低系統(tǒng)功耗。在從機工作的絕大部分時間內，僅需時鐘工作即可。此時單片機②腳輸出低電平，工作電源控制器輸出電壓Vc為0V。這樣，從機中除時鐘外其它電路均不供電。只有當所設定的各個時間到時，單片機的②腳才輸出10分鐘的高電平，此時，Vc電壓上升到10V左右，使各部分功能電路上電10分鐘，10分鐘內足以完成開閥和關閥工作。此種設計方案可使從機在可靠工作條件下功耗有效減小。
閥門電機驅動器由BG4、BG5、J1、J2和IC2C等組成。為所設定的某個開閥時間到時，單片機④腳或⑤腳輸出高電平驅動驅動電壓正轉(或反轉)，完成開閥(或關閥)功能。當電機正常拖動閥門行進時，電機電流小于其額定值，IC2C輸出低電平，不影響驅動工作。當電機拖動閥門到位后，驅動電機堵轉，此時電機電流大于其額定值，IC2C輸出高電平，單片機檢測到此高電平后 ，延時7秒鐘后停止驅動器工作，從而完成一次關閥(或開閥工作)。
流量信號采集器由霍爾傳感器IC3、IC2A、IC2B及安裝在閥門控制器附近油管中的可旋轉葉片(葉 片上裝有磁鐵)等組成。其作用是結合井上的抽油作業(yè)。可使某次設定的關閥時間失效，即可根據需要改變預先設定的關閥時間。當某次設定的關閥時間到時，井上的抽油正在工作，井下的油管中有液體流動。當
有磁鐵的旋轉葉片轉動，霍爾傳感器檢測到此信號后，使IC2B輸出高電平，單片機檢測到此高電平后，使關閥控制正常進行。如果根據井上的情況，不想讓某次設定的關閥時間工作，則井上作業(yè)在該設定時間到之前暫時停止抽油系統(tǒng)工作，這樣井下油管中無液體流動。葉片停止轉動，經霍爾檢測，使IC2C輸出低電平。單片機檢測到此低電平時，停止此次關閥控制，使系統(tǒng)仍處于開閥狀態(tài)。
系統(tǒng)軟件設計
圖4：系統(tǒng)程序流程圖
圖5：定時中斷程序流程圖
本系統(tǒng)采用模塊化思想，應用C語言完成主機AT89C52與從機PIC16F876A的軟件設計。
主機程序實現鍵盤掃描、LCD顯示、時間數據處理和串口通信等功能，系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。時間數據處理子程序能夠設定“當前時間”和七個設定時間，并當設定的時間數據不符合設計要求火通信失敗時，用戶能夠根據系統(tǒng)錯誤類型的提示，自行檢
測并排除故障。
從機程序實現中斷計時功能，每秒鐘產生一次定時中斷，采用查詢方式檢測是否有堵轉或流量信號，若設定時間到，驅動智能閥門打開或關閉，系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。
高溫井下智能閥門控制系統(tǒng)，利用單片機實現自動控制，系統(tǒng)結構簡單，功耗低、耐高溫、現場安裝、調試方便，能長時間工作于125℃以下的高溫環(huán)境。現投入運行穩(wěn)定，可滿足不同井況的工作要求。