多功能岩心驱替仪控制系统设计

第３期（总第１７２期）
２０１２年６月机械工程与自动化
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．３
Ｊｕｎ．
文章编号：１６７２－６４１３（２０１２）０３－０１０９－０
３多功能岩心驱替仪控制系统设计
董成林，王昌龙，詹风伟，蔡小磊，胡学敏
（扬州大学机械工程学院，江苏　扬州　２２５１２７
）摘要：研制了一种用于石油三次开采过程物理模拟的仪器。

根据驱替机理和相似原理模拟地层地质的温度和压力条件，借助于计算机、传感器等技术，研究模拟驱油体系在多孔介质中的渗流特性、电阻率变化及驱油效率。

利用ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／Ｃｖｉ编写上位机测控程序，使用串口与智能仪表通信，获取温度压力值并做相应的显示和处理，通过编程ＰＣＩ数据采集卡控制外部硬件。

关键词：石油；岩心驱替仪；驱油效率；ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／Ｃｖｉ；控制系统中图分类号：ＴＰ２７３∶ＴＥ９３７ 文献标识码：Ａ
收稿日期：２０１２－０１－１２；修回日期：２０１２－０２－２
５作者简介：董成林（１９８６－）
，男，江苏盐城人，在读硕士研究生，研究方向：测控系统设计研制。

０　引言
石油资源在现代社会发展过程中扮演着极其重要的角色，随着人类的不断勘探、开采，已逐步处于一个紧缺的状态。

石油的开采过程，可以划分为３个阶段：利用天然能量的一次采油，利用人工补充底层能量（如注水、注气）的二次采油，到第三阶段时石油的开采变得非常困难，常规的驱油法采收率比较低，必须不断通过实验来研究更好的驱油方法。

而岩心驱替仪正是为
了研究３次采油中驱油方法的物理模拟仪器。

１　岩心驱替系统总体设计方案
岩心驱替系统总体结构示意图如１所示。

岩心模型安装在恒温箱里，通过智能数显表的ＰＩＤ输出控制固态继电器，将温度恒定在设定值。

双缸泵以精确的流量或稳定的压力推动煤油，煤油通过管路把动力传递到驱替容器中的活塞，活塞通过管路将容器中的驱替液推送到岩心模型进行驱替。

工作模式有恒流驱替、恒压驱替等。

图１　岩心驱替系统总体结构示意图
６个容器罐用来存放不同的驱替液，
包括水、有机聚合物水溶液、二氧化碳泡沫等，用气动阀控制容器的
进、
出口，气动阀利用空压机气源提供气压并由电磁阀控制。

岩心模型的进、出口装有高、低两种量程的压差传感器，分别用于采集实验过程中不同渗透率岩心两端的压差，环压跟踪泵用来跟踪岩心的四周橡胶包套外围压力，防止注入液体从岩心和橡胶套之间短路流过，而不能反映岩心渗透率的真实值。

温度压力数据通过Ｐｔ１００热电阻、４ｍＡ～２０ｍＡ压力传感器采集，
由带有４８５通信功能的智能数显表显示并送入电脑进
行数据处理。

２　硬件电路的设计２．１　电源模块
仪器供电需求如下：风机、环压跟踪泵三相３８０Ｖ交流供电；加热器、气源、智能仪表等单相２２０Ｖ交流供电；电磁阀ＤＣ２４Ｖ；光耦等芯片需要两个电气上无关联的ＤＣ５Ｖ。

功耗较大的购买市售的＋２４Ｖ和＋５Ｖ的开关电源，光电隔离ＰＣ机一侧使用自制小
功率＋５Ｖ线性稳压电源。

整个仪器接入三相电，通过断路器分出单相电，然后供应给各电源的需求部分，尽量保持三相平衡。

２．２　环压跟踪模块
环压跟踪模块是岩心夹持器为了实现环压随着岩心内压的变化而自动跟踪，从而保证环压和内压保持固定的差值，利用计算机来实施实时控制。

设计要求差压值、误差值、传感器的零点及满量程的矫正等参数随时可调，手动／电脑两种控制方式可随时切换，并具有跟踪速度快、跟踪差值精确等特点。

环压跟踪泵能实现电脑和硬件开关双重控制，其增压实验原理如图２所示。

图２　环压跟踪泵增压实验原理图
光耦Ｏｐ１由ＰＣＩ数据采集卡的数字输出端口控制通断，Ｔ１、Ｔ２晶体管工作在饱和开关状态，电容Ｃ１、Ｃ２作为加速电容，当输入信号上升、下降时能够使电阻瞬间被旁路并提高基极电流或从基区取出电子，从而提高晶体管的开关速度。

开关Ｓ１接环压仪表的常闭输出触点起保护作用，当环压压力大于报警值时自动切断环压泵回路。

环压－进口压力＞跟踪压差＋回压差时，控制环压泵减压；环压－进口压力＜跟踪压差－回压差时，控制环压泵增压。

２．３　电磁阀控制模块
电磁阀控制模块具有电脑和手动双控功能，实现原理如图３所示。

图３　电磁阀控制原理图
ＤＯ１、ＤＯ２为ＰＣＩ数据采集卡数字输出口，ＭＣ１４１３为大电流达林顿阵列反向驱动芯片，最大集电极电流可达５００ｍＡ，用来驱动电磁阀和继电器。

继电器决定电磁阀由电脑还是机旁控制，默认机旁控制方式。

在仪器调试过程中经常出现电磁阀漏气的现象，原以为是电池阀内密封圈损坏，经更换后发现仍然漏气。

后来发现漏气是由于一个电磁阀在系统上电后就跟着得电造成的，因为此时气压管路中压力不足，不足以将电磁阀顶到位，有种悬在半路中的感觉。

此后即使气源开了，由于该电磁阀始终不密封，达不到应有的气压，因此只要被开过的电磁阀都不能切换到位而导致全部漏气。

之后给此电磁阀加一开关，等气源有足够压力了，再按下开关，这样电磁阀再未出现漏气情况。

３　软件系统的设计
电脑上位机程序是控制系统的核心部分，采用ＮＩ公司的Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／Ｃｖｉ软件编写，设计的程序界面美观，运行结果表明性能稳定可靠。

软件主要实现功能如下：①通过ＲＳ２３２转ＲＳ４８５与智能仪表串行通信，读取温度、环压和进出口压差数值；②通过ＤＤＥ协议与美国Ｔｅｌｅｄｙｎｅ公司高精度ＩＳＣＯ双缸计量泵的自带软件Ｐｕｍｐｗｏｒｋｓ进行数据交换，读取和设定双缸泵的流量、压力、工作模式等；③通过动态链接库调用ＰＣＩ采集卡提供的驱动函数，控制采集卡的数字输出口；④根据读取的环压、差压，控制环压泵实时跟踪岩心进口的压力，量程不同的压差传感器自动切换以提高测量精度，并根据此前设置的驱替工艺流程控制驱替进程，自动进行实验进程的切换；⑤动态模拟实验过程，能方便查看实验进程、理解实验流程；⑥与Ｅｘｃｅｌ通信动态显示并存储环压、压差、双缸泵压、流量、累积量等重要数据以及经处理的数据；⑦实验数据的曲线图绘制，实验报告的生成、打印，以及数据库保存、查询等功能。

上位机程序流程图如图４所示。

４　仪器的实验过程
物理模拟过程大致如下：首先将岩心抽真空，然后
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用水饱和，其次用油饱和，最后开始模拟三次开采过程。

操作步骤为：打开总电源、气源，设置实验参数和实验进程，
设置双缸泵的流量压力参数及工作模式，开启加热，实验开始。

注入泵恒流模式下的实验数据见表１。

图４　上位机程序流程图表１　注入泵恒流模式下的实验数据
Ｃ　Ｄ　
Ｅ　
Ｆ　
Ｇ　
Ｈ　
Ｉ　
Ｊ　
Ｋ　
Ｌ实验内容温度℃泵速ｍＬ／ｍｉｎ泵压ＭＰａ环压ＭＰａ进口压力ＭＰａ压差ＭＰａ阶段ｍＬ阶段累计ｍＬ总累计
ｍＬ化学驱４４．９　２　１．２６７　２．８１４　１．２４５　０．０５６　０．９９８　０．９９８　０．９９８化学驱４５　２　１．０３４　２．３４５　１．０９８　０．０７８　１．００４　２．００２　２．００２化学驱４４．８　２　１．０１５　２．３４５　１．０９７　０．０４６　１．００１　３．００３　３．００３化学驱４５．１　２　１．１４３　２．３４５　１．０１２　０．０６３　１．００２　４．００５　４．００５化学驱４５．１　２　１．１２１　２．３４５　１．１１４　０．０５７　０．９９７　５．００２　５．００２化学驱４５　２　１．１０９　２．３４５　１．０９８　０．０６９　１．００１　６．００３　６．００３聚合物驱４５．２　２　１．０８９　２．３４５　１．００２　０．０８１　０．９９８　０．９９８　７．００１聚合物驱４４．９　２　１．１７３　２．３４５　１．０８６　０．０５３　０．９８９　１．９９７　８聚合物驱４４．８　２　１．１３１　２．７５６　１．１５６　０．０６１　１．００７　３．００４　９．００７聚合物驱
４５　
２　
１．２２１　
２．７５６　
１．１４７　
０．０５２　
１．００２　
４．００６　
１０．００９
表１中，
实验内容表示当前实验所使用的驱替液；阶段表示在可调节的时间段内岩心口出液量的体积；阶段累计表示在使用同种驱替液的实验过程中，每个记录时刻岩心口出液量的累计体积；总累计表示从实验开始
到结束，
每个记录时刻岩心口出液量的累计体积。

５　结论
基于ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／Ｃｖｉ的测量测控系统，
用户界面美观大方、控制性能稳定可靠，装置采用自动和手动融为一体的方法，操作简单而快捷，自动化程度高，得到大庆油田勘探设计研究院采收率实验室用户的认可。

油田进入高含水期，进一步提高采收率已成为油田挖潜的一大主题，而岩心驱油物理模拟实验是评价三次采油技术提高采收率幅度最重要方法之一。

目前
该仪器正用于大庆采收率研究实验室。

参考文献：
［１］　盛强，
施晓乐，刘维甫，等．岩心ＣＴ三维成像与多相驱替分析系统［Ｊ］．大庆石油地质与开发，２００７，２６（１）：１０－１２．［２］　杨默函，
张祖波．储层条件下砂岩岩心驱替实验方法研究［Ｊ］．北京大学学报（自然科学版），２００６，４２（６）：７２９－７３３．［３］　施仁．自动化仪表与过程控制［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００９．［４］　孙晓云．基于ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的虚拟仪器设计与应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０１０．［５］　徐淑华，
马艳，刘丹．电路与模拟电子技术［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０１０．［６］　黄佳钰，邓焱．嵌入式ＬａｂＶＩＥＷ调用ＤＬＬ实现数据采集［Ｊ］．微计算机信息，２０１０（４－２）：２６－
２８．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎ　Ｃｏｒｅ　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙ
ｓｔｅｍＤＯＮＧ　Ｃｈｅｎｇ－ｌｉｎ，ＷＡＮＧ　Ｃｈａｎｇ－ｌｏｎｇ，ＺＨＡＮ　Ｆｅｎｇ
－ｗｅｉ，ＣＡＩ　Ｘｉａｏ－ｌｅｉ，ＨＵ　Ｘｕｅ－ｍｉｎ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇ
ｚｈｏｕ　２２５１２７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｈｉｒｄ　ｏｉｌ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｅｍｐ
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ｕｓｉｎｇＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／Ｃｖｉ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ＰＣ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｐｒｏｇｒａｍ，ｕｓｉｎｇ　ｓｅｒｉａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｍａｒｔ　ｍｅｔｅｒ，ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅｖａｌｕｅｓ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｗａｓ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｂｙ　ｕｓｅ　ｏｆ　ＰＣＩ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｃａｒｄ．Ｋｅｙ　
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０１２年第３期 董成林，等：多功能岩心驱替仪控制系统设计。