劉 偉 周志全 劉志杰

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

電控存儲(chǔ)式注聚井分層粘度儀

劉 偉 周志全 劉志杰

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

在研究傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)法測(cè)量流體粘度的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)目前注聚井井下聚合物溶液粘度無(wú)法測(cè)量的具體情況，提出了一種以單片機(jī)為控制核心的新式井下粘度儀設(shè)計(jì)方案，具體闡述了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該儀器達(dá)到了要求的測(cè)量精度。

粘度儀 注聚井 單片機(jī)

隨著油田石油儲(chǔ)量的逐年減少，聚合物驅(qū)油技術(shù)現(xiàn)已成為我國(guó)各主力油田提高采收率的主要方法之一。其中聚合物驅(qū)油液的粘度是影響驅(qū)油效率的關(guān)鍵因素，可以認(rèn)為聚合物驅(qū)油液粘度越高，采收率提高值就越高。但驅(qū)油液的粘度被提高到某一特定值后，提高采收率的能力會(huì)變差，此時(shí)若繼續(xù)提高驅(qū)油液的粘度將造成聚合物的浪費(fèi)。因此驅(qū)油液的粘度要控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，才能達(dá)到最佳的驅(qū)油效果[1]。然而聚合物溶液的粘度很不穩(wěn)定，注入到井下后會(huì)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(dá)到預(yù)期的驅(qū)油效果，嚴(yán)重影響采收率，所以對(duì)井下聚合物溶液粘度的監(jiān)測(cè)至關(guān)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(zhì)多油層砂巖油藏，此類(lèi)油田需要采取聚合物分層注入的技術(shù)來(lái)緩解層間矛盾[2]。隨著聚合物驅(qū)油的深入，油層縱向上層數(shù)多、層段長(zhǎng)，非均質(zhì)性強(qiáng)，層間干擾嚴(yán)重，使得井下注聚液粘度分層測(cè)試難度進(jìn)一步加大。目前油田注聚井利用現(xiàn)有技術(shù)，只能重新從井下提取樣本到地面測(cè)量[3]。由于取樣過(guò)程操作程序繁雜且具有延遲性，使得測(cè)量準(zhǔn)確性降低，效率降低，造成人力、物力的巨大浪費(fèi)。為了進(jìn)一步掌握注聚井的動(dòng)靜態(tài)資料，完善聚合物驅(qū)油技術(shù)，需要開(kāi)展注聚井井下分層粘度測(cè)試技術(shù)的研究。為此筆者開(kāi)發(fā)研制了一種電控存儲(chǔ)式注聚井分層粘度儀。

1 測(cè)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(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，物體會(huì)受到粘滯阻力作用，迫使物體的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速改變。因此通過(guò)轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速可以間接測(cè)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(cè)試孔進(jìn)入且價(jià)格昂貴，筆者提出了一種新式旋轉(zhuǎn)法測(cè)粘度的方案，即通過(guò)測(cè)量恒定電壓下直流電機(jī)所消耗的電流間接反映轉(zhuǎn)矩進(jìn)而計(jì)算粘度。

旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)空心圓筒(內(nèi)筒)浸入液體并使它與外筒同軸，進(jìn)入深度為h。假設(shè)待測(cè)液體為牛頓流體，圓筒表面光滑無(wú)摩擦[5]。

圖1 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)

當(dāng)以角速度ω旋轉(zhuǎn)內(nèi)筒時(shí)，待測(cè)液體在筒內(nèi)的流動(dòng)方式呈層流狀態(tài)。此時(shí)，在距離圓筒中心r處液體的旋轉(zhuǎn)角速度為ω，線(xiàn)速度為v，則在r+dr處液體的線(xiàn)速度為：

v+dv=(ω+dω)(r+dr)=rω+rdω+ωdr+drdω

(1)

式(1)中drdω項(xiàng)非常小，可以忽略，且v=rω，因此線(xiàn)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(yīng)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(duì)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(shè)定，因此只需測(cè)量出粘性力矩M。將式(7)進(jìn)一步改寫(xiě)成：

η=kM

(8)

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

直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式為：

T=CtΦI

(9)

式中Ct——電機(jī)常數(shù)；

I——電流；

Ф——電機(jī)氣隙磁通。

正常工作時(shí)氣隙磁通基本不變，認(rèn)為Φ是常數(shù)。所以電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流可以近似看成正比關(guān)系，進(jìn)而將測(cè)量轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為測(cè)量電機(jī)電流。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)粘度溶液對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出粘度曲線(xiàn)，最后將粘度代入粘溫轉(zhuǎn)化關(guān)系式(阿列紐斯關(guān)系式)：

η=AeB/t

(10)

式中A、B——流體常數(shù)；

t——絕對(duì)溫度。

實(shí)際測(cè)量時(shí)，只需把采集的電流、電壓和溫度值導(dǎo)入數(shù)據(jù)回放軟件即可得到修正后的粘度。

2 總體方案設(shè)計(jì)

首先由地面工作人員通過(guò)操作電纜投放車(chē)、地面控制箱、儀器定位投放打撈器及機(jī)械丟手等將粘度儀送達(dá)指定深度油層，通過(guò)電纜控制丟手定位支臂張開(kāi)實(shí)現(xiàn)定位[6]。然后通過(guò)控制丟手內(nèi)部電機(jī)旋轉(zhuǎn)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(guò)程結(jié)束。定時(shí)模塊開(kāi)始工作，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)時(shí)間時(shí)，粘度儀控制模塊輸出信號(hào)，控制留在井下的坐封電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)推拉桿沿軸向運(yùn)動(dòng)，促使滑動(dòng)外套運(yùn)動(dòng)壓縮皮碗，皮碗壓縮后封住上下封隔器上的測(cè)試孔，實(shí)現(xiàn)儀器的坐封。完成坐封后，單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器工作，每隔5min發(fā)出一次信號(hào)，控制測(cè)量電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)探頭旋轉(zhuǎn)5min，同時(shí)電流檢測(cè)模塊開(kāi)始工作，并把電流值存儲(chǔ)到存儲(chǔ)模塊中。測(cè)量結(jié)束時(shí)坐封電機(jī)反轉(zhuǎn)解封粘度儀，下入打撈器撈出粘度儀，提取數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)粘度回放。

2.1各模塊硬件設(shè)計(jì)

粘度儀以STC12LE5616AD為控制核心，主要由電源模塊、定時(shí)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、溫度采集模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊共同組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 粘度儀結(jié)構(gòu)框圖

電源模塊由兩部分構(gòu)成，分別為單片機(jī)系統(tǒng)和直流電機(jī)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(dòng)力電池組。該型號(hào)電池耐高溫性能好，工作溫度范圍寬(-20～75℃)；安全性高，對(duì)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行針刺或短路實(shí)驗(yàn)，只有小部分樣品出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，但都沒(méi)有發(fā)生爆炸事件；壽命長(zhǎng)，可以循環(huán)使用兩千次以上；容量大，價(jià)格低。用該電池組給粘度儀供電，可以支持儀器在井下連續(xù)工作數(shù)周。

定時(shí)模塊。由于油田井下環(huán)境對(duì)設(shè)備功耗的約束，增加時(shí)鐘控制電路可以使MCU在空閑時(shí)進(jìn)入休眠模式。時(shí)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(hào)來(lái)控制對(duì)MCU的供電與斷電，當(dāng)輸出高電平時(shí)MCU得電工作，輸出低電平時(shí)MCU斷電進(jìn)入休眠狀態(tài)從而降低靜態(tài)功耗，定時(shí)模塊的電路如圖3所示。

圖3 定時(shí)模塊電路

經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，Q13引腳輸出高電平，使Q1三極管導(dǎo)通，此時(shí)MCU獲得3.3V直流電壓，進(jìn)入工作模式。MCU首先判斷EEPROM地址0x00的內(nèi)容與設(shè)定的坐封時(shí)間是否一致，如果一致則表示已經(jīng)達(dá)到了坐封時(shí)間，此時(shí)MCU按照預(yù)定指令控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)完成坐封。如果沒(méi)達(dá)到坐封時(shí)間，則向該地址數(shù)據(jù)加1。此后每隔同樣的時(shí)間反復(fù)進(jìn)行，直到達(dá)到坐封時(shí)間。當(dāng)完成坐封要求后，CD4060的Q6引腳輸出高電平，通過(guò)D6～D8邏輯關(guān)系使RST-4060輸出高電平觸發(fā)信號(hào)，將芯片CD4060進(jìn)行復(fù)位操作，Q13恢復(fù)初始狀態(tài)，Q1三極管關(guān)閉，切斷MCU電源，使單片機(jī)進(jìn)入掉電模式，此時(shí)MCU功耗小于0.1μA。此定時(shí)模塊的設(shè)計(jì)既保證了儀器的正常工作需求又降低了功耗，延長(zhǎng)了儀器的井下工作時(shí)間。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)與電流采集模塊。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是由單片機(jī)輸出指令信號(hào)，通過(guò)復(fù)合晶體管ULN2003控制繼電器的通斷實(shí)現(xiàn)的，電路如圖4所示。當(dāng)MCU的P3.3引腳輸出高電平時(shí)經(jīng)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(dǎo)通，電機(jī)得電開(kāi)始帶動(dòng)探頭旋轉(zhuǎn)。此時(shí)MCU通過(guò)高精度采樣電阻對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行采樣，并通過(guò)片內(nèi)ADC對(duì)采樣值進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電流的檢測(cè)。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)與電流采集模塊電路

溫度檢測(cè)模塊。溫度檢測(cè)模塊選用單線(xiàn)式數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20,它能直接將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出且不需要任何外圍元件。該芯片具有獨(dú)特的單線(xiàn)接口方式，只需要一條數(shù)據(jù)總線(xiàn)就能實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的相互通信。測(cè)溫范圍大(-55～125℃),在-10～85℃范圍內(nèi)時(shí)精確度為±0.5℃。DS18B20在抗干擾方面也很出色，能滿(mǎn)足惡劣工況下的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。該芯片應(yīng)用CMOS工藝，功耗非常小，在待機(jī)時(shí)耗電量幾乎為零。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與提取模塊。存儲(chǔ)模塊采用Ateml公司生產(chǎn)的串行EEPROM存儲(chǔ)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(nèi)的資料可以在斷電情況下保存40年，可完成十萬(wàn)次寫(xiě)操作。AT24C1024與單片機(jī)的通信電路如圖5所示。根據(jù)采樣要求，每隔一段時(shí)間存入一組數(shù)據(jù)，按照8位串行的方式寫(xiě)入EEPROM，數(shù)據(jù)按照“采樣溫度、采樣電壓、采樣電流”的順序?qū)懭?，?shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)采集的時(shí)間先后依次連續(xù)存放。讀取數(shù)據(jù)時(shí)以8位字節(jié)為一個(gè)數(shù)據(jù)單元，從首地址開(kāi)始依次對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，分割出來(lái)的數(shù)據(jù)為“采樣溫度、采樣電壓、采樣電流”，與存儲(chǔ)時(shí)的數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。數(shù)據(jù)提取時(shí)通過(guò)杜邦線(xiàn)與自制的數(shù)據(jù)提取模塊相連，配合計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)回放軟件完成。由數(shù)據(jù)提取模塊讀取AT24C1024里的數(shù)據(jù)，通過(guò)RS232接口發(fā)送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)接收并通過(guò)數(shù)據(jù)回放軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解釋分析。

圖5 AT24C1024與單片機(jī)的通信電路

通信模塊。通信模塊主要完成儀器與計(jì)算機(jī)之間的通信，實(shí)現(xiàn)儀器內(nèi)部程序的更新和儀器調(diào)試?？紤]到儀器在井下工作時(shí)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(zhuǎn)TTL模塊，該模塊通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序?qū)C的USB口虛擬成COM口，PC與CP2102之間的數(shù)據(jù)通信通過(guò)USB口完成。單片機(jī)下載程序時(shí)，除電源外只需把模塊的單片機(jī)RXD和TXD管腳交叉相連即可，由模塊自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。

2.2軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)注聚井不同層段驅(qū)油液的粘度、溫度實(shí)時(shí)測(cè)量的要求，采用模塊化程序設(shè)計(jì)，總體軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)初始化后進(jìn)入軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即儀器坐封環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)中要控制坐封電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)推拉桿運(yùn)動(dòng)壓縮皮碗，實(shí)現(xiàn)待測(cè)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(cè)量是同步進(jìn)行的，把實(shí)際測(cè)得的溫度、電壓及電流等參數(shù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。最后通過(guò)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)完成解封，測(cè)量結(jié)束。

3 數(shù)據(jù)回放

數(shù)據(jù)回放軟件為用戶(hù)提供了一個(gè)直觀的操作環(huán)境，用戶(hù)可以方便地使用本軟件實(shí)現(xiàn)與粘度儀的串行通信，同時(shí)可以通過(guò)端口設(shè)置選擇與下位機(jī)的通信模式，可以在操作界面中設(shè)置粘度計(jì)算中的相關(guān)參數(shù)，可以顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。設(shè)置端口參數(shù)的界面如圖7所示。

圖7 端口設(shè)置界面

數(shù)據(jù)顯示界面主要用來(lái)顯示接收的數(shù)據(jù)(圖8)，包括電機(jī)電壓、電機(jī)電流、環(huán)境溫度和計(jì)算得到的聚合物溶液粘度?？梢詫?shí)現(xiàn)文本、Excel電子表格形式的數(shù)據(jù)輸出，測(cè)試數(shù)據(jù)能以曲線(xiàn)形式顯示和打印。

圖8 數(shù)據(jù)顯示界面

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室中，分別利用標(biāo)準(zhǔn)儀器和井下粘度儀對(duì)相同聚合物溶液粘度進(jìn)行測(cè)量以檢測(cè)所設(shè)計(jì)儀器的準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)條件為：用油田現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量溫度分別為30、40、50、60、70、80℃。圖9為用兩種儀器所測(cè)得的粘度曲線(xiàn)。其中實(shí)線(xiàn)部分為標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)擬合的曲線(xiàn)，點(diǎn)劃線(xiàn)為筆者設(shè)計(jì)的井下粘度儀依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制的曲線(xiàn)。

圖9 粘度曲線(xiàn)

通過(guò)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)儀器所測(cè)得的數(shù)據(jù)的比較表明，粘度誤差最大處相差3mPa·s，筆者所設(shè)計(jì)的儀器測(cè)得的粘度值在合理范圍內(nèi)，達(dá)到了預(yù)先的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)目前注聚井井下聚合物溶液粘度無(wú)法直接測(cè)量的情況，提出了一種注聚井井下粘度儀的軟硬件設(shè)計(jì)方案。該儀器所測(cè)得的粘度值在合理范圍之內(nèi)，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。解決了現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法直接測(cè)量井底聚合物溶液粘度的難題，進(jìn)一步完善了我國(guó)聚合物驅(qū)油技術(shù)，提高了采收率，節(jié)省了采油成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 熊偉.二元復(fù)合驅(qū)新體系研究[D].青島:中國(guó)石油大學(xué)(華東),2006.

[2] 唐俊東.聚合物驅(qū)單管多層分質(zhì)分壓注入技術(shù)[J].中國(guó)化工貿(mào)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(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2014，34(8)： 56.

[4] 時(shí)迎亮.高溫液態(tài)金屬粘度儀的研究與設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2007.

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

[6] 劉偉,徐德奎,姜春雷.智能電控存儲(chǔ)式油井分層測(cè)壓儀研制[J].化工自動(dòng)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