井下滑套閥門開度檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李雨丹 陳 萍 劉西安

(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院， 西安 710065)

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井下滑套閥門開度檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李雨丹 陳 萍 劉西安

(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院， 西安 710065)

針對井下滑套閥門開度檢測系統(tǒng)在高溫環(huán)境的工作情況，分析了高溫環(huán)境對系統(tǒng)正常工作的影響。研制了一種適應(yīng)井下高溫環(huán)境要求、非接觸、與滑套閥的滑套外徑配套、能連續(xù)測量滑套全行程的位移傳感器及滿足井下高溫環(huán)境要求的全數(shù)字解調(diào)裝置。通過對系統(tǒng)進行高溫測試，得出不同溫度下閥門開度與輸出電壓信號的一種近似線性關(guān)系，并將這種規(guī)律性的關(guān)系放入軟件部分進行溫度補償。由此形成井下滑套閥門開度檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)滑套閥門開度的全行程連續(xù)測量，從而為全電動智能井系統(tǒng)的研制解決一個關(guān)鍵的技術(shù)問題。

滑套閥門開度檢測； 井下高溫環(huán)境； 位移傳感器； 全數(shù)字解調(diào)

智能井技術(shù)是一項新型的油藏、油井生產(chǎn)管理技術(shù)。智能完井是利用井下控制閥，控制多個儲層井眼或儲層流體，具有采集、傳輸及分析井眼生產(chǎn)數(shù)據(jù)、油藏數(shù)據(jù)和完井的綜合能力[1]。由于在智能井系統(tǒng)中獲取井下流體流量非常重要，閥門開度是井下流體流量的一個重要指標(biāo)，并且閥門開度也是閥門調(diào)節(jié)負(fù)反饋系統(tǒng)中的一個重要參數(shù)，所以，研究井下閥門開度檢測方法與裝置具有重要價值。

閥門開度是指滑套相對于閥筒的相對位移。閥門開度的測量即指滑套相對于閥筒的位移測量。滑套相對于閥筒是一個動態(tài)的直線運動過程，那么閥門的開度問題就可以轉(zhuǎn)化為滑套相對于閥筒的位移問題[2]。閥門開度可通過位移式傳感器來進行檢測。位移式傳感器分為接觸式位移傳感器和非接觸式位移傳感器。接觸式位移傳感器有直桿式位移傳感器、彈簧回彈式LVDT位移測量傳感器、拉線位移傳感器、光柵尺等。非接觸式傳感器有磁致伸縮位移傳感器、超聲波位移傳感器、激光位移傳感器、電感位移傳感器等[3]。

考慮到井下具有油、氣、水、砂混合的復(fù)雜介質(zhì)和高溫高壓的工作環(huán)境，采用接觸式測量，易導(dǎo)致部件之間的磨損，使其使用壽命減短、測量精度降低、可靠性降低，所以，需要采用非接觸式位移檢測的方法?？紤]到電感位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、輸出功率大、線性好、抗干擾和穩(wěn)定性好、價格低廉等特點，研究基于電感位移傳感器的位移(開度)檢測原理，針對地層工作環(huán)境的特定要求，設(shè)計一種非接觸的井下滑套閥門開度檢測裝置。

1 位移傳感器的工作原理

電感式位移傳感器即鐵芯可動變壓器，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。電感式測量法是利用鐵芯在感應(yīng)線圈中的位置變化影響了磁通量使互感線圈輸出電壓發(fā)生變化的原理來測量位移?？梢园鸦桩?dāng)作一個鐵芯，在滑套端部安裝一個互感線圈，滑套運動使其在互感線圈中的位置發(fā)生變化，進而使互感線圈的輸出電壓發(fā)生變化。

圖1 電感式位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖

在螺線管中插入一鐵芯，其長度與螺線管長度相同(lc=l)，半徑為rc，磁導(dǎo)率為μrμ0，則鐵心被螺線管軸向磁場Hn磁化[4]，其磁感應(yīng)強度為：

Bc=μrμ0Hn=μrμ0WI/l

(1)

式中Bc可等效為長l,電流為μrI，線圈匝數(shù)為W的空心螺線管產(chǎn)生的磁場，所以其等效磁通匝鏈數(shù)為：

(2)

其附加電感Lc為：

(3)

則線圈的總電感L為:

(4)

若鐵心長度lc小于螺線管長度l,則線圈的電感為L′：

(5)

當(dāng)鐵心長度lc增加Δlc時，線圈電感增加ΔL,即

(6)

當(dāng)電流為穩(wěn)定的正弦交流電時，線圈兩端的電壓U為：

U=(L+ΔL)Imsinωt

(7)

理論分析可知，隨著鐵心插入線圈中的長度逐漸增加，輸出電壓也呈線性增大。

2 井下滑套閥門開度檢測系統(tǒng)設(shè)計

井下滑套閥門開度檢測系統(tǒng)由2部分構(gòu)成：位移傳感器和全數(shù)字解調(diào)裝置?？驁D如圖2所示。鐵芯部分即為設(shè)計的位移傳感器。

圖2 井下滑套閥門開度檢測系統(tǒng)框圖

首先，由激勵信號發(fā)生電路產(chǎn)生一個電壓幅值±10 V、頻率4 kHz的正弦波，作為位移傳感器的激勵信號；然后，由傳感器的2端輸出信號，經(jīng)精密整流電路將其整流為直流信號，再通過濾波電路將信號處理成穩(wěn)定的直流信號[5]；最后，將直流信號經(jīng)分壓及放大電路處理后得到單片機允許處理的電壓范圍(0～5 V)。輸出的電壓信號通過信號傳輸端口傳輸給單片機DSPI30F4011-30I/P進行AD轉(zhuǎn)換，通過軟件部分編程，將電壓信號轉(zhuǎn)換為位移信號發(fā)送給上位機。

將按設(shè)計要求研制好的井下滑套閥門開度檢測系統(tǒng)實物放入烤箱中進行溫度測試，記錄不同溫度下不同位移及對應(yīng)的輸出電壓，并進行數(shù)據(jù)分析，制成折線散點圖(見圖3)。

圖3 閥門開度(位移)與系統(tǒng)輸出電壓折線散點圖

根據(jù)分析可得：所設(shè)計的井下滑套閥門開度檢測系統(tǒng)在一定的環(huán)境溫度下工作時，閥門開度(位移)與系統(tǒng)輸出電壓呈近似線性變化的關(guān)系，可由線性擬合得到確定的線性方程，將得到的這種關(guān)系運用到單片機的AD轉(zhuǎn)換當(dāng)中，就能在已知溫度環(huán)境并且不能實測閥門開度的情況下，由輸出電壓信號得到具體的閥門開度值，解決了在井下高溫環(huán)境和鉆機機艙內(nèi)所能容納的電路板空間有限這2種限制條件下對滑套閥門開度的連續(xù)測量，從而為全電動智能井系統(tǒng)的研制解決了一個關(guān)鍵技術(shù)問題。

4 結(jié) 語

此次研究針對井下高溫環(huán)境設(shè)計了一款新型的電感式位移傳感器及其全數(shù)字解調(diào)式信號處理電路。通過對高溫實驗數(shù)據(jù)的處理和分析，得到不同溫度下的閥門開度與輸出電壓的近似線性關(guān)系，通過輸出的電壓信號，即可實現(xiàn)實時的井下滑套閥門開度的監(jiān)測，由此得到一套比較完善的、可行的井下閥門開度檢測系統(tǒng)。

[1] 宋建波，丁長良.智能完井技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用探析[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2014，7(9):117.

[2] 肖述琴，陳軍斌，屈展.智能完井綜合系統(tǒng)[J].西安石油大學(xué)學(xué)報，2004，32(2):1-10.

[3] 田裕鵬，姚恩濤，李開宇.傳感器原理[M].第3版.北京：科學(xué)出版社，2007：160-169.

[4] 何道清，張禾，諶海云.傳感器與傳感器技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2014：65-69.

[5] 李稷，李玲，張輝，等.LVDT傳感器仿真電路的設(shè)計與研究[J].儀表技術(shù)，2011(9):67-70.

Design and Realization of Opening Detecting System for Downhole Sliding Valve

LIYudanCHENPingLIUXi′an

(School of Electronics Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China)

In order to make down hole sliding sleeve valve opening degree detecting system work in high temperature environment, the impact of high temperature on the normal operation of the system is analyzed. An all-digital demodulation device is invented, and a displacement sensor that can adapt to the requirements of underground high-temperature environment is also designed, featuring non-contact, slide sleeve diameter supporting, and continuous measurement of the entire stroke of the sliding sleeve. Through the high temperature test of the system, an approximate linear relationship between the valve opening and the output voltage signal at different temperatures is obtained, and this regular relationship is put into the software part to achieve temperature compensation. Thereby a down-hole sleeve valve opening detection system is developed to achieve the whole stroke continuous measurement of the sliding sleeve valve opening, so as to solve a key technical problem for the development of all-electric intelligent well system.

slip valve opening detection; down-hole high-temperature environment; displacement sensor; all-digital demodulation

2016-12-20

陜西省工業(yè)攻關(guān)計劃項目“全電動智能井關(guān)鍵技術(shù)研究”(2014K06-35)

李雨丹(1992 — ),女，西安石油大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向為智能控制。

TP20

A

1673-1980(2017)03-0113-03