改基于单片机的油井系统测试仪设计.docx

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改基于单片机的油井系统测试仪设计

摘要

在开采石油的过程中，井下的温度和压强是必不可少的测量参数，准确的井下温度和压强测量对于油井监测等都具有重要的作用。

油田投入开发后，随着开采时间的增长，油层压力不断下降，地下原油大量脱气，粘度增加，油井产量大大减少，甚至会停喷停产。

为了弥补原油采出后所造成的地下亏空，保持或提高油层压力，实现油田高产稳产，利用注水井把水（或者气）注入油层，以补充和保持油层压力。

然而采取这些操作时一定要在对井下条件有全面了解之后才能进行。

在传统的测量井温过程中，使用了红外测温仪、红外热成像仪、温度传感器阵列等，但由于井下环境对测试仪器产生很大的影响，容易造成测试误差，且对于温度场的测量有很多不足。

针对这一现状，本文以STC89C51单片机为核心，模数转换芯片ADc0809和串行EEPROM芯片AT24C32为主要外围扩展器件，设计了一套初级油井测试系统。

本文设计的油井测试系统在硬件结构上由电源模块、振荡电路、复位电路、存储电路、数码管显示电路、数据采集电路、串行通讯电路以及其他一些外围电路组成，对于这些硬件模块本文给出了详细设计。

本文设计的油井系统测试仪可以方便测得所需参数，具有精度较高、速度较快和采集稳定等优点，效果良好，而且数据采集部分具有通用性，可以二次开发应用于其他行业，前景广阔。

关键词：

油井测试，数据采集，STC89C51，ADC0809，AT24C32

Title：

DesignofaTesterfortheOilwellSystem

Abstract

Intheprocessofdrilling,downholetemperatureandpressureisessentialformeasuringparameters,accurateundergroundtemperatureandpressuremeasurementforoilwellmonitoringplaysanimportantrole.Oilfielddevelopment,alongwiththeexploitationtimeofgrowth,thereservoirpressuredropsceaselessly,theundergroundcrudeoillargedegassing,viscosityincreased,oilproductionisgreatlyreduced,orevenstoppingsprayingproduction.Inordertomakeupforcrudeoilextractionundergroundshortfallcausedby,maintainorincreasereservoirpressure,oilyield,utilizationofwaterinjectionwellwater（orgas）isinjectedintothereservoir,tosupplementandmaintainreservoirpressure.However,taketheseoperationsmustbeintohaveacomprehensiveunderstandingofthedownholeconditionscanonlybecarriedoutafter.Inthetraditionalmeasuringtemperatureprocess,theuseofinfraredthermometer,infraredthermalimaginginstrument,temperaturesensorarray,butduetotheenvironmentaltestequipmentproducesverybigeffect,easytocausethetestingerror,andthemeasurementoftemperaturefieldwithmanyshortcomings.Inviewofthissituation,basedontheSTC89C51single-chipmicrocomputerasthecore,a/DconversionchipADc0809andserialEEPROMchipAT24C32asthemainexternalexpansiondevice,designasetofprimaryoilwelltestingsystem.Inthispaperthedesignofoilwelltestingsystemonthehardwarestructureiscomposedofapowersupplymodule,oscillationcircuit,resetcircuit,astoragecircuit,digitaldisplaycircuit,dataacquisitioncircuit,serialcommunicationcircuitandsomeotherperipheralcircuit,thehardwaremodulethispapergivesadetaileddesign.Inthispaperthedesignofoilwellsystemtestercanbeconvenientlymeasuredparametersrequired,hashigheraccuracy,fasterandcollectingtheadvantagesofstability,goodeffect,andthedataacquisitionpartisgeneral,canbetwotimesthedevelopmentofappliedinotherindustries,andbroadprospects.

Keywords：

Oilwelltesting，Dataacquisition，STC89C51，ADC0809，AT24C32

第1章前言

1.1题目背景

目前，我国的油田不具有自喷能力，多为低渗透的低能、低产油田，通常需要向油井内注入大量的水，再依靠抽油机将石油从地层中采到地上。

因此，大部分油田都面临“以水换油”的局面，这就导致油田耗电量极高，成为不折不扣的“耗能大户"，每年的电费开支庞大、数目惊人。

电费开支在油田的生产成本中占有相当大的比重，因此，节约电能已成为石油行业关注的焦点。

油田上应用最为广泛的是游梁式竖井抽油机。

抽油机工作时，其实是一个能量的不断传递和转化的过程。

在能量的传递和转化过程中都会存在一定的损失。

由地面系统提供并传入井下的能量，扣除系统自身的各种损耗后，就是系统传给所采液体的有效能量，系统正是靠这部分能量将油水混合物采到地面上的。

在这一过程中，地面的拖动电机起着核心作用，它的利用率的高低直接关系开采的成本和效益。

但据油田现状，对电机功率的利用率很低，平均不超过30％。

因此，抽油机的节能问题成为重中之重。

人工巡井就存在着一些无法避免的局限甚至缺陷：

人工操作的稳定性和准确性较差，工作量大，条件差，投入成本过高，对突发事件不能及时处理，数据采集不及时等。

因此，需要设计一套油井系统效率的测试系统[1]，对抽油机电机的电压、电流及功率因数进行数据采集并分析。

1.2国内外发展现状及研究内容

近年来，我国各油田的工作重心由“产量型”向“经营型”转变嘲，如何降低成本、节能降耗并创造更多的效益成为决策者们信奉的一种理念，各油田部门均在油井系统测试技术上加大了研究力度。

目前，主要测量仪表有DZY-Ⅲ便携式抽油机系统效率测试仪（上海华顺电子仪表厂）、BCX综合测试仪（北京电子电器仪表厂）及三相有功电能表、动力仪、回声仪、数字万用表、压力表、秒表等。

据统计，胜利油田和新疆等地油田多使用山东力创科技和北京枫火石油科技两家公司的产品。

据油田负责人介绍：

此类产品性能较好、出错率相对较低；但价格昂贵、比较笨重、携带不便。

因此，课题组到两家公司进行了调研，据厂家介绍：

开发初期，产品简陋、功能简单、性能不够稳定，但经过多年的不断努力，现在的技术已趋成熟，产品性能良好，但价格过高，普通的2到3万元左右，性能好的要10万元左右。

在国外，不断发展的新技术在油井测试中得到了应用，尤其是电子电气技术的迅速发展，使油井测试技术呈多样性。

潜油电泵工频控制系统不断融合先进电子电气技术，目前已经非常完善，测量和历史记录功能越来越强大，不仅能够进行电压、电流的测量，还能进行功率因数和井下各种数据的测量，并且可实现在一定历史时期内电泵的操作情况和工作参数的历史记录。

系统加装数据通讯接口，通过无线或有线通讯和上端计算机相连，使遥测遥控和集中自动化管理成为可能。

随着传感技术的发展和用户需求的增加，国外近年出现了先进的多功能传感器，如：

PhoellixMultiSenSor。

它能够对吸入口压力、排出口压力、吸入口温度、电机绕组温度、排出口流量、功率因数、振动泄漏电流等参数进行实时测量，并具有很高的精度。

传感器配以功能强大的地面二次仪表，可以对井下机组运行和运转情况、油井参数进行全面有效地监控，结合其它设备可实现系统闭环控制。

在美国休斯敦Halliburcon的技术总部，可以通过网络实时管理和监督在埃及和委内瑞拉等世界6个不同地区的钻井及测试工作。

实时钻井过程通过网络处理大量的数据，使得测量更加精确，钻井工艺更高效，通过协同的钻井方案和交互钻井程序来提高钻井效率，从而获得最大的经济效益。

采用这种钻井监控系统，实现多钻机成批的水平井钻井，用LWD（Loggingwhile-Drilling）[2]和测量数据以实时方式接入地质模型，实时监测系统使得较全面地进行钻井决策得到贯彻，地面和井下钻井参数的稳定监测，确保了钻井过程的稳定，钻井操作风险降低。

目前，国内油井的测试工作仍是以人工巡井和手工抄表为主，而这种人工测试存在以下缺点：

随机性大，所测数据误差大；对于突发事件应变能力差；效率低、反馈慢；工作量大，工作环境恶劣；成本高，效益低。

为解决上述人工操作的种种弊端，需设计一套油井效率测试系统。

目前MCS．51单片机技术相对成熟、应用范围广、通用性好、成本低，因此选其作为主控电路的核心部件。

存储器拟采用大容量设计，以增加存储量。

而系统所测数据，即油井系统效率是标明整个抽油系统工况的重要参数，其中有功功率、无功功率和功率因数则说明所测抽油机系统对整个供电系统的影响，对功率因数进行研究对提高抽油机井效率具有重要的现实意义。

提高功率因数，意义如下：

提高用电质量，改善设备运行条件，可保证设备在正常条件下工作，有利于安全生产；可节约用电，降低生产成本，减少企业的电费开支；能提高企业用电设备的利用率，充分发挥企业的设备潜力；可减少线路的功率损失，提高电网的输电效率。

第2章数据采集方案设计

2.1测试系统概述

系统由三个部分组成，分别是：

数据采集部分、单片机控制电路部分、计算机人机界面部分。

其中单片机控制电路部分为整个测试仪的核心部分，单片机要实现对硬件电路的控制。

在主控电路板上，所有元件在允许范围内要排列紧密，减小电路板的面积，以期减小测试仪的体积，使测试系统尽可能小型化。

单片机与计算机连接是通过串行通讯实现的。

单片机和计算机