基于PIC单片机的找水系统设计*

任志平,李 貅,党 博

(1.长安大学 地质工程与测绘学院,陕西 西安 710054；2.西安石油大学 电子工程学院,陕西 西安 710065)



基于PIC单片机的找水系统设计*

任志平1,2,李 貅1,党 博2

(1.长安大学 地质工程与测绘学院,陕西 西安 710054；2.西安石油大学 电子工程学院,陕西 西安 710065)

通过分析时间域电磁法(TEM)探测原理,简化了磁感应线圈设计,设计了以PIC单片机作为控制核心,集成了信号发生单元、接收处理单元和数据传输单元的检测系统,开展了现场测试。测试结果表明:该系统可有效实现对套管外部地层信息的探测,准确区分油水界面,有效径向探测距离可以达到0.8 m,具有控制便捷、探测距离远、性能可靠、集成度高以及功耗低的特点,为套后油层水淹监测提供了新方法。

时间域电磁法; 外围接口控制器; 找水

0 引 言

油、气井中的产水层是客观存在的[1,2],开展封堵作业的前提是先要确定出水层的位置。目前国内外找水测试采用的主要技术有中子寿命法、碳氧比测井、井中流体取样法以及过套管电阻率法等。中子寿命检测法通过研究地层对热中子的宏观特性,评价地层的可动水含量[3],作业环境受地层矿化度影响较大,无法识别淡水水淹层。碳氧比测井通过发射高能快中子,分析其在地层中产生的伽马射线能谱,计算地层中碳、氧元素的含量来比识别水淹层,但测试方法仅适用于孔隙度大于15 %的储层区域[4,5]。井中流体取样法封隔井下重点怀疑的出水段,分段测试流量进而确定出水位置[6],该方法机械结构复杂,找水周期长,无法精确预报套管外串水层的流体产量。电极系过套管电阻率测井[7,8]突破了金属套管对地层电阻率测量的制约,但测试过程受套管锈蚀、水泥胶结质量、电极系与套管壁产生的摩擦电势以及热电势等多种因素的影响,信号处理难度较大,测井成本昂贵。

本文设计了一种便捷、小型化的非接触生产井找水探测系统,在外围接口控制器(PIC)单片机控制下发射瞬变电磁信号,利用瞬变电磁信号的时空特性,实现对套管外储层特性的探测,具有结构简单、探测精度高、探测距离远、性能可靠、稳定和操作方便的特点,可有效探测层间窜水、套管损坏等引起的各种出水现象,为稳油控水作业提供直接依据。

1 探测系统的理论基础

系统探测主要通过测量地层电阻率,实现对储层特性的评价。由于原状地层与水的电性差异达数十至数百倍,当地层空间充入水(含水),会导致电阻发生变化,含水与不含水围岩地层所呈现的电性差异,构成设计系统找水的重要依据。

探测系统采用时间域电磁方法(time domain electromagnetic methods,TEM),是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法[9],工作过程分为发射、电磁感应和接收三个部分。当发射回线中通以阶跃电流I,发射电流突然由I下降为0时,根据电磁感应理论,发射回线中电流的突变必将在其周围产生磁场(通常称为一次场)。一次场在传播过程中,会在周围介质内部激发感应涡流,由于感应涡流随时间变化,因而在其周围又产生新的磁场(通常称为二次场)。由于二次场来源于周围介质内的感应电流,因此它包含与环境介质有关的地电信息。在一次场脉冲间歇期间,利用接收回线观测,提取二次场信息,并进行分析和处理,对导电介质的相关物理参数进行解释,达到探测周围地层特性的目的。

2 探测系统设计

根据时间域电磁法测量的特点,设计了基于PIC单片机的找水探测系统,系统组成如图1所示。

图1 探测系统组成示意图Fig 1 Schematic diagram of detection system

2.1 微控制单元

系统设计选用Microchip公司的PIC16F877单片机作为系统控制和数据采集的核心,整个控制单元包括井下和地面两个部分,其中井下控制单元通过SPI总线完成对磁探头信号发生电路、磁探头接收处理电路及传输电路等功能模块的控制,地面控制单元实现传输数据的解调,并通过RS—232串口与上位机进行通信。PIC16F877采用单字宽单周期指令、哈佛双总线和RISC结构,全静态CMOS设计,抗干扰性能好,具有33个双向I/O口,支持14个中断源,降低了控制系统的设计难度,支持I2C和SPI串行总线,可以灵活扩展外围器件,满足了系统低功耗,低成本、稳定性要求高的设计需求。

2.2 磁探头

磁探头是施加激励场,获取接收信息的核心部件,传感器线圈的性能好坏决定了整个系统的探测效果。与传统的感应测井不同,本系统引入时间域电磁技术,接收信号的采集是在发射信号关断后进行,因而减少了一次场的直接耦合,不需要聚焦线圈,磁探头的设计得到了简化。设计中磁探头采用绝对式的绕制方法[10],激励线圈采用0.38 mm的漆包线,缠绕在非铁磁性材料的骨架上,线圈长度200 mm,线圈匝数200匝,通入1 A电流时,发射信号的关断时间为0.8 ms。线径0.18 mm的检测线圈绕制在激励线圈上面,检测线圈的匝数为500匝,通过在检测线圈的中部引一根导线接地,使得检测线圈的上、下部分对称分布,通过对接收差分信号的处理,可有效减少噪声干扰,提高检测线圈的灵敏度。

2.3 信号发生单元

信号发生单元用于产生二次场的激发源信号。为了有效抑制观察系统中的直流偏移和超低频噪声干扰,探测系统的发射信号采用周期性的双极性方波,电路原理如图2(a)所示。首先利用井下单片机的定时器产生两列相同极性、占空比为1/4的脉冲方波,通过RB7和RC0的两个引脚控制模拟开关HI201的闭合与断开,实现三极管开关电路的导通,进而产生双极性方波激励信号,信号的脉冲宽度和脉冲间歇时间均为150 ms。

图2 系统电路设计Fig 2 Design of system circuit

2.4 信号接收单元

信号接收单元如图2(b)所示,主要由前置放大电路、可变增益放大电路、积分电路和A/D采样电路组成,实现对接收信号的处理。考虑到接收到的二次场信号较微弱,为了提高采样精度,设计采用精密仪表放大器INA118搭建前置放大电路,在低频放大同时对各种共模干扰进行抑制,然后利用高速四路单刀单掷开关ADG202ATQ与运算放大器Op07组成可变增益放器,由PIC单片机控制不同的放大倍数,对早、中、晚不同时期的磁探头接收信号进行有效检测。放大后的瞬变电磁信号,接入积分电路进行信号取样,最后感应电动势的有效值电平通过ADI 公司16 位低功耗A/D 转换芯片AD974 完成数据采集,并通过SPI数据总线将数据传送至井下控制单元。

2.5 数据传输单元

受测井环境影响,井下采集到的电磁信号不适合直接在电缆上传输,设计了如图2(c)所示数据传输单元,数据信息经井下单片机编码后通过非门加载到三级管的基极,对三极管的导通进行控制,通过井下耦合变压器将数据耦合在单芯电缆上,借助单芯电缆向井上传输,地面耦合变压器把加载在单芯电缆上的信号耦合下来,由于电缆上的分布电容会造成信号在上传过程中的失真,所以先经过由芯片OP27搭建的二阶有源低通滤波电路处理后,再通过电压比较器LM393将模拟信号转换为数字信号,送地面单片机进行解码。

3 上位机设计

上位机设计流程如图3所示,借助地面控制单元把地面解调后的数据通过RS—232串口传输到计算机上进行数据处理。上位机软件采用LabVIEW编写,具有数据接收、实时显示绘图功能、数据存储,回放等功能,实现对采集到的信号的后期分析处理。

图3 上位机设计流程图Fig 3 Design flow chart of upper PC

图4 电阻率测井曲线Fig 4 Resistivity logging curve

4 现场试验

XXX-4井完钻开采近30年,现有生产层段分别位于1 836～1 841 m,1 845～1 847 m处,测试前该井日产液38 t,日产油1.1 t,含水率高达97 %。采用本设计系统对该井进行了现场测试,径向0.8 m处的生产层段的过套管电阻率测井曲线如图5所示,图中基准线对应该区域常规非储层地层电阻率,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处的测井曲线出现异常,明显偏靠基准线的左侧,表明这些地方的介质电阻率小于常规非储层地层电阻率,高含水层特征明显。结合测井资料判断1 836～1 841 m的生产层段是一个高含水油层段,而1 845～1 847 m段由于存在套后水层窜槽形成了一个纯水层段,这是造成测井含水率较高的主要原因。据此对1 845～1 847 m的生产层段进行了卡封作业,采取措施后该井日产液16 t,含水率降低为86 %,3个月累计增油102 t,增油效果明显。探测方法的有效性、测量系统的准确性、稳定性得到了验证。

5 结束语

本文研究了基于时间域电磁法的套管外找水探测技术,设计了探测系统,测试结果表明：该设计系统可以有效识别套管外部水层信息。设计的系统有助于了解生产井套后储层的分布情况,对完善储层信息评价,减小油井探测成本,促进我国油田经济的可持续发展具有现实意义。

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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

国家自然科学基金资助项目 (41174160)；国家科技重大专项项目(2011ZX05026)；陕西省自然科学基础研究联合资助项目(2013JQ5010)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0073—03

P 631

A

1000—9787(2016)10—0073—03

任志平(1980-),男,山西永济人,博士研究生,讲师,主要从事地球物理勘探方法和探测技术研究。