智能井井下閥門開度檢測(cè)方法

張旭濤 劉福剛 袁璐 李杰

摘 要：針對(duì)井下地層流體控制閥的閥門開度檢測(cè)問題，采用電感式位移檢測(cè)方法來檢測(cè)閥門開度以適應(yīng)智能井井下工作環(huán)境要求，利用LVDT/RVDT信號(hào)處理集成芯片AD698設(shè)計(jì)了激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路與輸出信號(hào)處理電路，測(cè)試了手工繞制的電感式位移傳感器的信號(hào)-位移關(guān)系，測(cè)試表明測(cè)量電路的輸出電壓與鐵芯（閥門）的位移量線性度良好。

關(guān)鍵詞：智能井；閥門開度檢測(cè)；AD698

智能井技術(shù)是一項(xiàng)新型的油藏/油井生產(chǎn)管理技術(shù)。這是一種利用放置在井下的永久性傳感器實(shí)時(shí)采集井下設(shè)備的工況以及生產(chǎn)層段的壓力、溫度等參數(shù)，通過通信電纜或光纜將采集的信號(hào)傳輸?shù)降孛?，利用開發(fā)的軟件平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、分析和學(xué)習(xí)，采用油藏?cái)?shù)值模擬和油藏動(dòng)態(tài)描述技術(shù)來優(yōu)化油藏生產(chǎn)管理，并通過調(diào)節(jié)井下不同層段的地層流體控制閥的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油藏的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制，從而提高油井產(chǎn)量和最終采收率的生產(chǎn)技術(shù)。

智能井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，地面操作系統(tǒng)將采集到的底層中流體流量、溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行描述和優(yōu)化后再來控制層間流體控制閥（ICV）的開度，在整個(gè)系統(tǒng)中獲取閥門的開度量非常重要，一方面，閥門開度是閥門調(diào)節(jié)負(fù)反饋系統(tǒng)中一個(gè)重要參數(shù)；另一反面，閥門開度也是井下流體流量的一個(gè)重要參考指標(biāo)，因此，研究井下閥門開度檢測(cè)方法具有重要意義。

1 測(cè)量方案選擇

井下流量控制閥采用的是直線移動(dòng)滑套閥，閥門開度對(duì)應(yīng)著滑套相對(duì)位移的大小，因此，檢測(cè)閥門開度就轉(zhuǎn)化為測(cè)量滑套直線位移的問題。測(cè)量位移的方法很多，考慮到井下高溫、高壓、復(fù)雜的流體介質(zhì)和有限的安裝空間等因素筆者選用LVDT/RVDT即差動(dòng)變壓器式傳感器，其測(cè)量原理如圖2所示。該檢測(cè)裝置由信號(hào)處理短節(jié)、感應(yīng)線圈、鐵芯、連接套、閥芯等所組成。其工作原理是：線圈與鐵芯構(gòu)成閥位檢測(cè)傳感器，鐵芯通過連接套與閥芯連接，當(dāng)閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)，鐵芯隨之運(yùn)動(dòng)，使電感線圈的電感量變化；該信號(hào)被送入信號(hào)處理短節(jié)，經(jīng)處理以后送出與閥門開度成一定關(guān)系的直流信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)閥門開度的檢測(cè)。該方法最大的特點(diǎn)是測(cè)量裝置無任何機(jī)械磨損，特別適合井下對(duì)穩(wěn)定性要求高不易檢修的特殊要求。

2 測(cè)量電路設(shè)計(jì)

由于井下空間有限且對(duì)穩(wěn)定性要求很高，本文選用專用的位移檢測(cè)集成芯片AD698芯片來設(shè)計(jì)測(cè)量電路。AD公司生產(chǎn)的AD698是一種LVDT/RVDT信號(hào)處理芯片，它是在一個(gè)芯片上集成了既能產(chǎn)生LVDT/RVDT傳感器激勵(lì)信號(hào)，又能對(duì)LVDT/RVDT傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理的單片式線性位移差分變壓器信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。

AD698的主要技術(shù)指標(biāo)為：輸出電壓范圍為-11～+11V；輸出電流為11mA；激勵(lì)電壓范圍為2.1～24V；激勵(lì)頻率范圍為20Hz～20kHz；電源電壓范圍為13～16V。本文選定的位移傳感器激勵(lì)信號(hào)電壓 要求為7V，采用雙電源供電方案，電源電壓為±15V。AD698及其外圍電路的電路圖如圖3所示。

其中需要對(duì)R1、R2、R3、R4、C1、C2、C3、C4共8個(gè)外接元件進(jìn)行計(jì)算選擇，其具體計(jì)算方法如下。

⑴確定測(cè)量系統(tǒng)的激勵(lì)頻率。一般情況下，LVDT/RVDT的激勵(lì)頻率fexc選擇為系統(tǒng)機(jī)械帶寬fsubsvstem的10倍左右。在本文的閥門機(jī)械系統(tǒng)帶寬在300Hz左右，所以測(cè)量系統(tǒng)的激勵(lì)頻率為

（2）根據(jù)激勵(lì)信號(hào)頻率與C1的關(guān)系：

按瓷片電容序列，10nF即103的瓷片電容比較靠近11.67nF，那么此時(shí)系統(tǒng)的激勵(lì)頻率應(yīng)該校正為

（3）由激勵(lì)信號(hào)的電壓幅值Vexc來決定R1，選激勵(lì)信號(hào)為7V，由激勵(lì)信號(hào)與R1的關(guān)系曲線可得R1=5.1KΩ。

（4）C2、C3、C4為AD698位移系統(tǒng)期望帶寬的函數(shù)，通常要求他們的電容值相等，即

（5滿量程輸出電壓設(shè)置。AD698的增益或滿量程輸出范圍是傳感器靈敏度S（其值可以在傳感器使用手冊(cè)中查到）、d（從0到滿量程磁芯位移）和R2的函數(shù)

對(duì)于d=±50mm，S=3.6mV/（（ mm）*V）-1的位移傳感器

（6）R3和R4可實(shí)現(xiàn)輸出電壓信號(hào)的正負(fù)補(bǔ)償調(diào)節(jié)。

AD轉(zhuǎn)化要求出入電壓為0～5V，所以設(shè)置偏置電壓為 Vos=2.5V，且要求R4開路，因此有

3 測(cè)量裝置實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本文中的傳感器量程為100mm，所以測(cè)試差動(dòng)變壓器線圈也為100mm，鐵芯也為100mm。用此差動(dòng)變壓器和AD698組成測(cè)量系統(tǒng)做位移測(cè)量測(cè)試，將鐵芯剛進(jìn)入線圈定義為位移0mm位置，將鐵芯完全離開線圈定義為位移200mm位置。鐵芯位移與輸出電壓的關(guān)系如圖4所示。

從圖4可以看出，位移在50～150mm范圍內(nèi)曲線呈現(xiàn)近似直線，曲線并非理想直線，主要是因?yàn)闇y(cè)試線圈為手工繞制，線圈分布不均勻所致，用機(jī)器繞制的均勻線圈可大大提高此段曲線的直線度。此段距離為100mm，剛好滿足100mm的測(cè)試量程。

4 結(jié)語

本文給出了智能井井下閥門開度的檢測(cè)方法。選用差動(dòng)變壓器位移檢測(cè)方法，并設(shè)計(jì)了以AD698為核心的激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生即信號(hào)調(diào)理電路。測(cè)量裝置實(shí)驗(yàn)表明，閥門的開度也即鐵芯的位移量與測(cè)量電路的輸出電壓成正比關(guān)系，輸出電壓能較準(zhǔn)確地衡量閥門的開度。