中原油田东濮老区油藏类型多样，经过30余年的注水开发，综合含水达到94.5%， 整体处于特高含水开发中后期，剩余油分布复杂，层间矛盾加剧。传统的机械找堵水技术存在无法反复调层、 调层不准确、 操作工艺复杂等缺点，已经难以满足油藏精细挖潜和控水稳油的需要^[1-5]。要有效控制含水上升速度，进一步挖掘剩余油潜力，亟需提高油井分层采油控制水平^[6-9]。

智能分层采油技术原理是利用封隔器将井下各油层分隔开，每一层段对应一个智能开关器，控制相应油层的打开或关闭。通过定时控制和压力遥控技术可以实现不动管柱条件下的定时轮采和任意选层开采，是油田高含水阶段解决层间和平面矛盾、减少无效水循环、实现剩余油挖潜的重要手段^[10-11]。为此，对智能分层采油核心工具智能开关器控制系统进行了研究，设计了电源模块、电机驱动模块与压力监测模块等硬件电路，开发了单片机控制程序和上位控制软件。室内试验和现场应用表明，智能开关器控制系统在125 ℃环境下性能稳定可靠，可实现定时轮采和遥控调层，能满足智能分采工艺需求。

智能开关器的作用是按预定时间或压力信号打开或关闭井下流体通道从而实现对某个产层的求产或封堵功能，由控制系统和机械系统组成。控制系统主要作用是实现压力采集、定时控制、信号判断、电机驱动、电机保护等功能，是整个智能开关器设计的重点和难点。

控制系统用单片机控制模式，结构框图如图1所示，由单片机控制模块、电机驱动模块、压力监测模块、电源模块和存储模块组成。其中电源模块由高温电池组和电源电路组成，为控制系统提供稳定电源。单片机控制模块对压力信号进行数据处理，并控制电机驱动模块动作。压力监测模块包括压力传感器及压力信号采集电路，用于对压力信号实时监测。电机驱动模块包括微型直流电机和电机控制电路，接收单片机的控制信号实现电机的正反转和保护。存储模块为掉电保护存储器，主要保存压力、开关动作指令等信息。

图  1  智能开关器控制系统结构

Figure 1.  Structure of the control system of intelligent switch

井下控制系统的工作环境要求单片机必需具有低功耗、耐高温的特点，从这两方面考虑，选择美国微芯公司生产的 PIC 系列单片机中的PIC16F628 单片机作为控制核心。PIC16F628单片机采用了精简指令集结构，突破了传统单片机对 PC 机在结构上存在的自然依赖性，加上哈佛总线的存储器结构、两级流水线指令结构、单周期指令等技术，从而在单片机硬件结构上独辟蹊径，大大提高了系统运行效率。

为降低功耗，需要降低单片机工作频率。PIC单片机频率范围为3 kHz～16 MHz，供电电压为5 V，频率 4 MHz 时功耗约为 10 mW，频率 32 kHz 时功耗约为0.15 mW，可见在不同条件下功耗相距甚大。从可靠性角度说，频率降低，还可以减小电磁干扰(EMI)。

除了在硬件设计上需要考虑低功耗问题外，在软件上也采用低功耗设计。利用单片机的智能特性，尽量多地代替其他硬件电路；利用单片机提供的闲置、掉电工作方式，尽量避免循环、查询、动态扫描等工作方式；对电路中的其他用电模块进行电源管理，即根据工作需要接通相应模块的电源；对于串行通信程序，通信完毕立即关闭串口软件，从而降低功耗。

井下仪器都面临一个电源供给的问题，当前供电方式主要有电缆供电、井下自发电、高温电池^[12-13]。综合考虑施工和油井工况，采用独立电源模式，选用美国EI公司3B2800型耐高温锂电池，单节3.9 V，耐温150 ℃，额定电流350 mA，最大持续工作电流2 A，单节容量为24 A·h。整个电源采用3节电池串接供电模式，开路电压13.7 V。一次调层10 min计，工作电流300 mA，以调层20次计算，耗能为1 A·h，单片机待机工作电流为2 mA，传感器工作电流为5 mA，则电池可工作时间为422 d。考虑其他能耗，电池也可满足1年工作需求。

整个控制系统的能量全部来自高温电池，电源设计主要是稳压电路的设计，为了保证井下智能控制子系统能够长期可靠工作，设计的稳压电路如图2所示。为了延长井下工作时间，选用TL2575-05稳压芯片，耐温125 ℃，支持4.75~40 VDC的宽电压输入，输出5 VDC，从而保证电池衰减后仍旧可以维持稳定的5 VDC输出，使控制电路正常工作。

图  2  稳压电路

Figure 2.  Voltage regulator circuit

电机首先需满足125 ℃高温要求，同时尺寸受机械结构限制，直径小于40 mm，带减速器，且额定转矩越大越好。定制直流减速电机直径35 mm，额定电压12 V，额定扭矩4.5 N · m，额定转速6 r/min，耐温125 ℃。将电机与负载连接，拖动负载进行开关试验，并利用示波器记录了波形，如图3所示。可以看出，电机启动电流0.536 A，运行电流56.6 mA，较小的运行电流减少了电机绕组的发热，在高温环境下有更长的寿命和可靠性，同时降低了对电池组的功率损耗。

图  3  电机运行波形

Figure 3.  Motor running waveform

如图4所示，通过用软件控制Q1CTR、Q2CTR、Q3CTR、Q4CTR等4个信号，控制电机的正反转和速度。其中Q1和Q4同时导通后，电机正转；Q2和Q3同时导通后，电机反转。微小电阻R59可以用来检测电机电流，当电流大于设定的保护阈值时，可以通过软件关闭电机，从而保护电机和机械开关系统不致损坏。软件考虑了死区时间，避免因Q1和Q2或者Q3和Q4同时导通造成的短路。

图  4  电机驱动电路

Figure 4.  Motor drive circuit

压力传感器对井下压力参数进行采集，并输出压力信号给单片机，由单片机进行处理后，控制电机驱动模块实现开关器的开闭。考虑井下高温高压环境，选用钛/硅-蓝宝石压力传感器MIDA-TG-82系列。压力测量范围0~60 MPa，工作温度−40~150 ℃，综合误差0.1 %FS，重复性及迟滞小于0.05 %FS，温漂小于2%。

如图5所示，压力传感器的信号接在P4上，经过高频滤波电容C13、C17后，再通过两个运放U13、U15搭建的电压跟随器，起到了阻抗匹配和隔离的作用，然后进入减法比例运算放大电路，其中R16等于R18，R15等于R19，R15除以R16即放大比例，再经过R17和C14一阶RC滤波后得到P1_OUT，进入CPU进行AD转换。当P1_OUT大于5V时，在D2的作用下会拉平P1_OUT到VCC，可以起到保护AD管脚的作用。

图  5  压力信号采集电路

Figure 5.  Pressure signal acquisition circuit

硬件电路设计完成后，系统的主要功能将依赖于软件来实现，主要包括定时轮采(找水)、遥控调层(堵水)和压力监听程序。

系统主程序定时轮采流程如图6所示(以3层为例)，zsstat是系统状态字，当该值小于4时是定时轮采状态，否则为遥控调层状态。在定时轮采阶段会根据当前层号以及当前系统状态，判断是开层还是闭层。全采阶段各层全部打开，采一状态，层一开关器打开，其他层关闭。完成当前动作后，状态字加1，进入采二状态，层二开关器打开，其他层关闭。完成当前动作后，状态字加1，进入采三状态，层三开关器打开，其他层关闭。当采三结束后，系统进入遥控调层状态。

图  6  定时轮采程序流程

Figure 6.  Timing alternating production process

系统主程序遥控调层阶段流程如图7所示，遥控调层阶段又分为两个阶段，Dsphase为1的时候，各层开关器全开，开后置Dsphase为2，在该状态下，系统根据监听到的压力信号进行遥控调层。

图  7  遥控调层程序流程

Figure 7.  Remote layer adjustment process

压力监听程序如图8所示，在定时中断中判断是否大于设定的压力阈值，如果大于阈值就开始计时，如果打压命令中间有连续10 s低于阈值，说明打压命令结束，根据时长判断是给哪一层下堵水命令，并清零计数。如果小于10 s，则说明是中间非正常掉压，后续计数继续累加，这样也提高了系统的抗干扰能力。

图  8  压力监听程序流程

Figure 8.  Pressure monitoring process

VB6.0提供可视化的设计平台，采用面向对象的设计方法和事件驱动的编程机制，以及结构化的程序设计语言，同时为用户提供了集应用程序的设计、编辑运行、调试等多种功能于一体的环境，结构清晰，简单易学^[14]。选用VB6.0编程语言自主开发了一套上位控制软件，实现了智能开关器的通信、参数设置、数据回放等操作，主要包括时间设置、压力阈值设置、保护参数设置、数据存储与回放、曲线显示等。

高温高压实验系统是专门进行井下工具耐温耐压检测的实验系统，由加热系统和压力系统组成。压力范围1~100 MPa，压力准确度等级0.005级，温度范围0~200 ℃，温场偏差±0.5 ℃。利用高温高压实验系统可进行智能开关器控制系统的耐温性能试验，并可通过打压产生压力控制信号，验证智能开关器定时轮采、压力遥控调层功能和动作可靠性。

将电池组、硬件电路、压力传感器和开关执行机构等部件置于高温箱内，设定加热温度为125 ℃，到达设定温度后，连续运行72 h。加温期间分别进行定时控制和压力控制功能的验证，设定为层2，定时间隔设定为1 h，定时轮采阶段完成后，压力阈值设定为15 MPa，用活塞压力计打压验证压力控制功能，记录数据如表1所示，可以看出，电池组、硬件电路、压力传感器和开关执行结构各部件均能满足耐高温性能要求，在高温环境下控制系统的定时控制和压力控制功能稳定可靠。

在中原油田进行了智能开关器现场应用，如图9所示，采用三级三段丢手管柱： Y445封隔器+智能开关器3+Y141封隔器+智能开关器2+Y141封隔器+水力卡瓦+智能开关器1+丝堵。

图  9  智能分层采油工艺管柱

Figure 9.  Pipe string for intelligent layer oil production process

井下智能开关器按预设工作时序自动执行动作，逐一打开单层进行生产，在地面计量得到各分层含水率、流量等数据，并测取氯离子含量及矿化度。现场试验数据表明：S2S1.9-S2S7(层1)产液量19 t/d，含水97.0%；S2X2.2-S2X3.5(层2)产液量16.5 t/d，含水96.0%，为产油层；S2X4.3-S2X5.3(层3)产液量30.3 t/d，含水100%，为主力出水层。通过压力脉冲控制实现层三开关器的关闭后，产液量由作业前的57.2 t/d降至30.5 t/d，含水由99.2%降至96.6%，日产油由0.46 t/d增至1.02 t/d。

(1)针对智能开关器控制系统进行了硬件电路设计和软件开发，实现了定时轮采和压力控制的遥控调层功能，满足了智能分层采油的需求。

(2)室内试验和现场应用表明，高温高压环境下控制系统性能稳定可靠，。

(3)受电池容量限制，控制系统有效工作寿命不足两年，需要进一步攻关低功耗控制技术，延长有效使用寿命。