U ovom radu je prikazana implementacija i testiranje uređaja za komunikaciju između telemetrijske sonde i površinske jedinice sa sondom za merenje prečnika, brzine i smera protoka fluida u zacevljenim bušotinama (Calliper-Fullbore Flowmeter – CFF). Ta komunikacija se odvija po SIPLOS-ovom protokolu (Simultaneous Production Logging String) i koristi se u kompaniji Hotwell [1] kao deo većeg sistema za ispitivanje bušotina.
Uvod
Sistemi za ispitivanje bušotina u opštem slučaju se sastoje od: sondi sa mehanikom, senzora, elektronike za obradu signala sa senzora i komunikaciju, kompjuterizovane površinske jedinice za analizu i prezentaciju podataka, kabla za mehaničku i komunikacionu vezu sondi sa površinskom jedinicom i opreme za spuštanje i podizanje sondi (Slika 1).
Slika 1. Blok dijagram sistema za ispitivanje bušotina
Digitalni sistemi za GFK merenja u poređenju sa analognim imaju mogućnost merenja više parametara u isto vreme, zbog čega je postupak merenja mnogo kraći i jeftiniji. Uvođenjem digitalnih sistema znatno se povećava kompleksnost obrade podataka sa senzora i komunikacije između sondi i površinske jedinice, jer se istovremeno meri veći broj parametara sa sondama i šalju se obrađeni podaci na površinsku jedinicu. Pošto je povećan broj senzora i elektronskih uređaja za obradu podataka, a smanjene su dimenzije sondi (u odnosu na analogne), zahtevnije je i projektovanje mehaničkih sklopova i štampanih ploča. Digitalni sistemi su znatno manji, pouzdaniji i praktičniji za obradu i čuvanje izmerenih podataka nego analogni.
Digitalni sistem za ispitivanje bušotina – SIPLOS se sastoji od: površinske jedinice (Slika 2), telemetrijske sonde (Slika 3) sa drugim međusobno povezanim sondama u lancu. Treba imati u vidu da se ovaj sistem projektuje za bušotine duboke do pet kilometara, gde je radna temperatura do 180 ºC a pritisak do 103.4 MPa (15000 psi). Sonde moraju biti kvalitetne i pouzdane jer je važno da se merenja obave tokom prvog pokušaja.
Površinska jedinica se nalazi u specijalizovanom vozilu (Slika 2) za ispitivanje bušotina, smeštenom u blizini same bušotine koja se ispituje. Ona obezbeđuje potreban jednosmerni napon za napajanje sondi, koji se preko kablova (koji se spuštaju u bušotinu) dovodi na njih. Površinska jedinica se sastoji od PC računara i softvera Vorior (Warior) namenjenog za grafički i brojni prikaz podataka merenja, kao i kontrolne table za prikaz napona koji se dovodi na sonde i struje koja je potrebna sondama. Vorior je univerzalni program za prikaz podataka sa različitih tipova sondi. Takođe, postoji mogućnost kalibracije i skaliranja primljenih vrednosti iz bušotine.
Pored programa za prikupljanje i prikaz grafika i brojnih vrednosti, koristi se program za analizu prikupljenih podataka. Na osnovu te analize pravi se završni izveštaj o stanju bušotine i isplativosti njene dalje eksploatacije.
Slika 2. Površinska jedinica digitalnog SIPLOS sistema i vozilo u koje se postavlja
Telemetrijska sonda se nalazi na vrhu povezanih sondi i obavlja merenje šest parametara: unutrašnju temperaturu, CCL (Casing Collar Locator – detekcija spojeva u bušotinskim cevima), spoljašnju temperaturu, pritisak, vrstu fluida (detektuje vodu, naftu i vazduh) i prirodno gama zračenje, kao i slanje sinhronizacionih bita za ostale sonde.
Slika 3. Telemetrijska sonda
Telemetrijska sonda je jedina neophodna sonda u SIPLOS sistemu, dok su sve ostale sonde opcione. Takođe, u telemetrijskoj sondi se nalaze sve neophodne elektronske komponente za merenje šest parametara i komunikaciju sa površinskom jedinicom i ostalim sondama (DC/DC konvertor, uobličavač impulsa, pojačavač i linijski drajver – line driver, itd.). Na dnu telemetrijske sonde nalazi se konektor (sa linijskim naponom sprovedenim sa površinske jedinice) na koji se priključuju ostale sonde [2].
CFF sonda sadrži u istom kućištu merač prečnika cevi (calliper) u dve ose (X-Y) i merač protoka fluida (flowmeter). Na Slici 4. prikazana je skica spojene telemetrijske i CFF sonde, kao i slika same CFF sonde.
Slika 4. Telemetrijska i CFF sonda
CFF sonda, prikazana na Slici 4, meri prečnik cevi u opsegu 21/2”–7” (6.35-17.8 cm) na principu promene koeficijenta magnetne sprege namotaja transformatora. Mehaničkom spregom X i Y krakova merača prečnika cevi sa induktivnim LVDT senzorima obezbeđena je linearna zavisnost dužine prečnika cevi sa promenom koeficijenta magnetne sprege. Merač protoka fluida u cevi obavlja merenje brzine protoka fluida u oba smera sa Holovim senzorima, merenjem brzine i smera okretanja impelera [3]. Konstrukcija CFF sonde je takva da je omogućeno nezavisno pomeranje X i Y krakova merača prečnika, kao i da se impeler okreće nezavisno od položaja X i Y krakova.
Uređaj za komunikaciju treba da obezbedi pouzdanu i efikasnu komunikaciju CFF sonde, kako sa telemetrijskom sondom, tako i sa površinskom jedinicom u veoma teškim uslovima merenja u bušotini. Osnovni problem je velika i promenljiva temperatura (do 180 ºC) fluida u bušotini, koja prouzrokuje značajan pad frekvencije takta u mikrokontroleru, kao i promene karakteristika pojedinih poluprovodničkih elemenata.
Senzorski deo CFF sonde
Na Slici 5. prikazan je blok dijagram senzorskog dela merača prečnika cevi, kod koga pozicija četiri kraka određuje položaj metalne šipke unutar transformatorskog jezgra LVDT senzora, kog čine dva spregnuta namotaja.
Slika 5. Blok dijagram senzorskog dela merača prečnika cevi
Promenom prečnika cevi pomera se metalna šipka unutar transformatorskog jezgra, što ima za posledicu promenu koeficijenta magnetne sprege između namotaja primara i sekundara transformatora (Slika 6).
Slika 6. Princip konstrukcije i šematski prikaz LVDT-senzora
Na primar transformatora se dovodi naponski impuls fiksne amplitude, a koeficijent magnetne sprege određuje amplitudu signala na sekundaru transformatora. Ta vrednost signala je proporcionalna prečniku cevi. Mikrokontroler PIC 16F876 kontroliše: vreme pobuđivanja primara transformatora, period odabiranja signala na sekundaru transformatora i digitalizaciju odmeraka A/D konvertorom. Nakon pobuđivanja primara, napon na sekundaru naglo skoči, a zatim opada sa određenom brzinom koja zavisi od koeficijenta magnetne sprege transformatora. Ako se opadajući deo signala precizno odabire u njegovom linearnom delu, amplituda odbiraka će biti linearno proporcionalna poziciji metalne šipke. Vrednosti odbiraka se šalju na komunikacioni uređaj CFF sonde preko standardnog serijskog RS232 porta (1 start bit, 8 bita podataka i 1 stop bit) brzinom 115,2 Kbauda.
Merač protoka fluida u senzorskom delu se sastoji od pet fiksiranih Holovih senzora i magneta koji se okreće, što je prikazano na Slici 7. Oba pola magneta utiču na Holove senzore i uzrokuju 10 impulsa po jednom obrtaju impelera. Brzina obrtanja impelera, a samim tim i brzina protoka fluida se određuje na osnovu broja impulsa sa Holovih senzora, dok se smer obrtanja impelera određuje na osnovu rasporeda Holovih senzora u kućištu. Sa senzorskog dela merača protoka fluida šalju se signali brzine i smera protoka fluida, preko mikrokontrolera PIC 16F876 na komunikacioni uređaj CFF sonde.
Slika 7. Blok dijagram senzorskog dela merača protoka fluida
Komunikacioni uredjaj CFF sonde
Sve sonde koje su međusobno povezane šalju pakete obrađenih podataka sa senzora svakih 200 ms po SIPLOS protokolu, koji je detaljno prikazan u [2].
Na Slici 8. prikazan je blok dijagram praktične realizacije dela CFF sonde koja dobija podatke sa senzorskog dela CFF sonde, obrađuje ih i šalje (po SIPLOS protokolu) ka površinskoj jedinici, u skladu sa impulsima dobijenim od telemetrijske sonde.
Slika 8. Blok dijagram komunikacionog uredjaj CFF sonde
Za realizaciju komunikacionog uređaja CFF sonde korišćen je mikrokontroler PIC 16F627 (μC1 i μC2) [5], zato što ima: veliki broj programabilnih pinova, serijski port, interne pull-up – ove i što je najvažnije na visokim temperaturama radi pouzdano, što je utvrđeno eksperimentalno.
LINE je bi-direkcioni komunikacioni signal koji se sastoji od linijskog jednosmernog napona (70 V) sa površinske jedinice i negativnih impulsa sa telemetrijske sonde (START, STOP i SYNC) i komunikacionog uređaja CFF sonde (DATA biti). Na osnovu START, STOP i SYNC impulsa, koje telemetrijska sonda šalje svim drugim sondama, one šalju DATA bite ka površinskoj jedinici. LINE DRIVER je uređaj koji smanjuje linijski napon na radni napon CFF sonde (12 V) i na 5 V potrebnih za napajanje CMOS kola, razdvaja impulse sa LINE i pravi signal LINE_IN. LINE_IN signal sadrži START, STOP i SYNC impulse koji određuju vremenske intervale za slanje podataka sa CFF sonde ka površinskoj jedinici. LINE DRIVER prima LINE_OUT signal sa μC2, čije DATA impulse postavlja u sredinu između dva SYNC impulsa i ograničava njihovo trajanje na 50 μs ± 10%, nakon čega ih šalje ka površinskoj jedinici. CONTROL_OUT su signali koji imaju verifikacionu namenu, i sadrže signal greške i dva signala za proveru sinhronizacije. μC1 prima signale CALL_OUT, DIR_FLOW i FLOW sa senzorskog dela CFF sonde. CALL_OUT signal sadrži informaciju o prečniku cevi, koja je utisnuta u RS232 protokol. Signali DIR_FLOW i FLOW sadrže informaciju o brzini i smeru okretanja impelera u obliku impulsa.
Algoritmi za programe oba mikrokontrolera, koji su dati u [2], uzimaju u obzir moguće smetnje i promene vremenskih intervala usled visoke temperature.
Rezultati simulacija
Simulacije rada mikrokontrolera PIC 16F627 obavljene su pomoću programskih paketa MPLAB IDE [6] i PIC IDE. Simulator Stimulus opcija MPLAB-a je korišćena za simulaciju ulaznih signala. Signali DIR_FLOW, ADDR i HANDSHAKING su simulirani korišćenjem opcije Asynchronous Stimulus, kod koje je moguće menjati stanje pinova tokom simulacije.
Izgled signala LINE_IN je zadat programiranjem, pre početka simulacije, korišćenjem opcije Pin Stimulus. LINE_IN signal, koji predstavlja START i STOP impulse sa telemetrije i DATA impulse sa drugih sondi je simuliran pravljenjem datoteke u tekstualnom obliku. Tako su opisane određene sekvence nula i jedinica poznatog trajanja po SIPLOS protokolu.
Kada se određeni signal opiše programiranjem u tekstualnom obliku, on treba da se učita u simulatoru u željenom momentu. Postoji mogućnost i privremenog zaustavljanja simulacije pojedinih signala, što je veoma korisno prilikom ispitivanja funkcionalnosti pojedinih delova programa.
FLOW signal, koji predstavlja povorku impulsa sa Holovih senzora, je predstavljen kao periodičan signal impulsa jednakog trajanja. To je urađeno pomoću opcije Clock Stimulus učitavanjem više sekvenci impulsa sa različitim periodama, čime se simulira promena u brzini okretanja impelera. Pri tome su posmatrane promenljive koje beleže broj obrtaja impelera za različite smerove, asinhronim izborom vrednosti signala DIR_FLOW.
CALL_OUT signal je simuliran pomoću programa PIC IDE, tako da su sekvence nula i jedinica činile poznate vrednosti utisnute u RS232 protokol sa brzinom prenosa od 115,2 kbauda.
Program PIC IDE, za razliku od MPLAB-a, sadrži u sebi više opcija za simulaciju rada serijske komunikacije, A/D konverzije i simulator je dosta pregledniji.
Tokom simulacije posmatrani su izlazni signali, sadržaj SFR registara i RAM memorije. Svi ulazni signali su simulirani za idealne i najgore moguće temperaturne uslove, prikazane u [3] i dobijeni su očekivani izlazni signali.
Eksperimentalni rezultati
Na Slici 9. prikazana je šema test pločice, koja je korišćena pre nego što je napravljena finalna verzija štampane ploče (PCB). Za generisanje signala CALXY korišćen je serijski port računara i program PIC IDE, dok je za generisanje signala LINE_IN korišćen paralelni port računara i program SIPSIM.
Ovaj način testiranja, sa generisanjem test signala koje daju senzori CFF sonde i telemetrija, je korišćen jer te sonde tokom rada nisu uvek bile dostupne. Takođe, na ovaj način, je moglo da se detaljno proveri ispravnost komunikacije, za unapred poznate vrednosti sekvenci.
Slika 9. Šema test pločice
Na Slici 10. prikazan je fizički izgled test pločice sa konektorima i kablovima za spajanje sa računarom. Takođe, se mogu videti i žice sa obeleženim nazivima signala, koji se posmatraju na osciloskopu ili se na njih dovodi signal sa funkcijskog generatora.
Preko paralelnog porta računara program SIPSIM šalje LINE_IN signal na predajni mikrokontroler i prima od njega LINE_OUT signal. Trajanje svih impulsa signala LINE_IN je moguće istovremeno menjati preko tastature. Na taj način se vrši provera rada mikrokontrolera za slučaj promene frekvencije oscilatora, usled povećanja temperature. Na monitoru računara se ispisuju brojne vrednosti podataka, koje su poslate po SIPLOS protokolu. U slučaju gubitka sinhronizacije ili slanja pogrešnih impulsa, program javlja grešku. Signal FLOW je doveden preko funkcijskog generatora u obliku četvrtki. U tabeli 1. prikazan je broj imulsa u toku 200 ms, za različite frekvencije signala FLOW.
Tabela 1. Prikaz vrednosti inkrementa signala FLOW pomoću programa SIPSIM
Korišćenjem opcije PCs serial port terminal u programu PIC IDE omogućeno je testiranje serijske komunikacije na realnom hardveru preko serijskog porta računara. Na RS232 serijski port (UART) mikrokontrolera PIC 16F627 se šalju (ili preko njega primaju) određeni bajtovi i sekvence izabranom brzinom. Tako je generisan signal CALXY i ispitana je ispravnost komunikacije sa senzorima za merenje prečnika cevi.
Slika 10. Test pločica sa konektorima i kablovima
Na Slici 11. prikazani su uređaji, pomoću kojih je ispitan rad mikrokontrolera PIC 16F627 na visokim temperaturama. Mikrokontroler se postavlja u podnožje i stavlja se u peć. Nožice podnožja od interesa se zaleme sa visokotemperaturnim tinolom za žice izolovane teflonom. Te žice se dovode na izvor napona, generator takta (ako se koristi spoljašnji takt za mikrokontroler) i digitalni osciloskop. Temperatura se meri pomoću univerzalnog instrumenta, koji se teflonskom žicom spaja sa kućištem mikrokontrolera.
Program koji se učitava u mikrokontroler, šalje na izlazni pin impulse, čija je frekvencija četiri puta manja od frekvencije takta mikrokontrolera. Taj signal se posmatra na osciloskopu tokom zagrevanja mikrokontrolera.
Slika 11. Testiranje rada mikrokontrolera na visokim temperaturama
Testiranje mikrokontrolera na visokoj temperaturi se obavlja tako što se temperatura povećava postepeno do 180 °C, a onda se ta temperatura drži dva sata. U međuvremenu se uključuje i isključuje napajanje mikrokontroleru, da se proveri da li će i posle toga nastaviti ispravno da radi. To je bitno ispitati jer u bušotinama može doći do kratkotrajnih gubitaka napajanja.
Mikrokontroler je testiran za tri različite konfiguracije radnog takta. Prva konfiguracija je bila sa internim taktom frekvencije 4 MHz, pri kojoj je mikrokontroler radio dobro, bez značajnije degradacije posmatranog signala. Kod druge konfiguracije je korišćen spoljašnji kristal frekvencije 16 MHz i to se pokazalo veoma lošim. Problemi su se javili već na 80 °C, gde je došlo do naglih promena frekvencije takta, a prilikom isključivanja i uključivanja napajanja dešavalo se da oscilator ne proosciluje. Kod treće konfiguracije je korišćen spoljašnji takt sa astabilnog multivibratora frekvencije oko 16 MHz. Ovde je radna frekvencija takta mikrokontrolera padala postepeno sa povećanjem temperature. Najveći pad frekvencije bio je 6%, dok nije bilo problema posle isključivanja i uključivanja napajanja mikrokontrolera.
Na Slici 9. može se videti da je na prijemni mikrokontroler U1 doveden spoljašnji takt od 16,384 MHz, dok je kod predajnog mikrokontrolera U2 korišćen interni takt od 4 MHz. Prijemni mikrokontroler radi na višoj frekvenciji takta jer on vrši serijski prijem podataka sa senzorskog dela CFF sonde brzinom od 115,2 kbauda.
Na Slikama 12. i 13. prikazani su uređaji za testiranje rada telemetrijske i CFF sonde na visokim temperaturama i pritiscima. Telemetrijska i CFF sonda se prvo priključe na izvor napajanja, međusobno se povežu i spoje na površinsku jedinicu. Zatim se postave u peć, koja je poput kovčega (Slika 13) i poseduje sklopke za postavljanje željene temperature. Karakteristični signali se posmatraju sa digitalnim osciloskopom (Slike 12. i 14) i oni su sprovedeni teflonskim žicama sa CFF sonde iz peći. Uređaj između osciloskopa i površinske jedinice na Slici 12. kontroliše pritisak, koji za ove sonde iznosi maksimalno 103.4 MPa (15000 psi).
Slika 12. Uredjaj za testiranje rada telemetrijske i CCF sonde
Slika 13. Testiranje rada telemetrijske i CCF sonde
Ispitivanje rada merača brzine i smera protoka fluida u CFF sondi se obavlja uz pomoć kompresora, koji sa usmerenim vazdušnim mlazom okreće impeler. Na Slici 13. (desno) je prikazan način okretanja impelera dok se sonda zagreva. Na monitoru površinske jedinice (Slika 2) posmatrane su vrednosti izražene u broju obrtaja u sekundi za oba smera okretanja impelera. Kompresor sa duvaljkom se postavljao sa različitih strana peći, kako bi se ispitao rad za oba smera okretanja.
Ispitivanje rada merača prečnika cevi u CFF sondi se obavlja uz pomoć metalnih cevi poznatog prečnika, u koje se stavlja sonda. Tokom zagrevanja bitno je da površinska jedinica pokazuje na svim temperaturama istu odgovarajuću (približno konstantnu) vrednost za jednu vrstu cevi.
Rezultati ispitivanja tokom dva sata, za sve karakteristične (pomenute) načine ispitivanja, su bili dobri na temperaturama do 180 °C.
Slika 14. Prikaz signala LINE_IN i LINE_OUT sa digitalnim osciloskopom
Slika 15. Prikaz grafičkih i brojnih vrednosti mernih veličina na površinskoj jedinici
Zaključak
U radu je rešavana problematika merenja prečnika i protoka u zacevljenim bušotinama u uslovima visokih pritisaka (do 103.4 MPa) i visokih temperatura (do 180 ºC).
Pri merenju u bušotinama postoji problem prenosa izmerenih podataka do površinskog računara koji služi za prikupljanje i prikaz podataka i upravljanje merenjima. Korišćen je SPILOS protokol kod koga je minimizovana mogućnost pojave greške tokom prenosa, uvođenjem sinhronizacije prilikom slanja svakog bita.
Kontrolu sinhronizacije povezanih digitalnih sondi sa površinskim sistemom obavlja telemetrijska sonda. Realizovan je komunikacioni sistem koji sakuplja i obrađuje podatke sa mernih senzora i po SIPLOS protokolu ih šalje na površinsku jedinicu. Napisan je program za komunikaciju i on je testiran pomoću simulatora i test pločice. Realizovani komunikacioni sistem je unutar CFF sonde (povezanom sa telemetrijskom sondom) testiran na sobnoj temperaturi, a zatim na visokim temperaturama (do 180 ºC). Pri tome je primećeno da su dobijeni korektni rezultati, slični onima dobijenim sa simulatorom.
Napravljena je jedna serija pločica i kompletan merni sistem je počeo da se primenjuje u praksi. Prvi rezultati su veoma dobri.
Literatura
[1] Website: www.hotwell.at
[2] M. Slankamenac, Krešimir Knapp, M. Živanov, “Uređaj za komunikaciju između telemetrijske sonde i senzora u
bušotinskim mernim uslovima”, Konferencija ETRAN 2004, Srbija i Crna Gora, Čačak, 7-10. juna 2004. godine.
[3] V. Bilas, D. Vasić, “SIPLOS Flowmeter – technical documentation”, Hotwell Ges.m.b.H, Austria, 2003.
[4] Dragan K. Stanković, “Fizičko tehnička merenja – senzori”, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 1997.
[5] N. Matić, “PIC mikrokontroleri” Beograd, MikroElektronika, 2002.
[6] Microchip Technology Inc., “MPLAB IDE User’s Guide”, 2001.
Autori:
Fakultet tehničkih nauka Novi Sad, Katedra za elektroniku
- Krešimir Knap
Hotwell Ges.GmbH Klingenbach, Austria
