探析井下滑套阀门开度检测系统设计

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摘要:针对井下滑套阀门开度检测系统在高温环境的工作情况，分析了高温环境对系统正常工作的影响。研制了一种适应井下高温环境要求、非接触、与滑套阀的滑套外径配套、能连续测量滑套全行程的位移传感器及满足井下高温环境要求的全数字解调装置。通过对系统进行高温测试，得出不同温度下阀门开度与输出电压信号的一种近似线性关系，并将这种规律性的关系放入软件部分进行温度补偿。由此形成井下滑套阀门开度检测系统，实现滑套阀门开度的全行程连续测量，从而为全电动智能井系统的研制解决一个关键的技术问题。

关键词:滑套阀门开度检测;井下高温环境;位移传感器

全数字解调智能井技术是一项新型的油藏、油井生产管理技术。智能完井是利用井下控制阀，控制多个储层井眼或储层流体，具有采集、传输及分析井眼生产数据、油藏数据和完井的综合能力［1］。由于在智能井系统中获取井下流体流量非常重要，阀门开度是井下流体流量的一个重要指标，并且阀门开度也是阀门调节负反馈系统中的一个重要参数，所以，研究井下阀门开度检测方法与装置具有重要价值。阀门开度是指滑套相对于阀筒的相对位移。阀门开度的测量即指滑套相对于阀筒的位移测量。滑套相对于阀筒是一个动态的直线运动过程，那么阀门的开度问题就可以转化为滑套相对于阀筒的位移问题［2］。阀门开度可通过位移式传感器来进行检测。位移式传感器分为接触式位移传感器和非接触式位移传感器。接触式位移传感器有直杆式位移传感器、弹簧回弹式LVDT位移测量传感器、拉线位移传感器、光栅尺等。非接触式传感器有磁致伸缩位移传感器、超声波位移传感器、激光位移传感器、电感位移传感器等［3］。考虑到井下具有油、气、水、砂混合的复杂介质和高温高压的工作环境，采用接触式测量，易导致部件之间的磨损，使其使用寿命减短、测量精度降低、可靠性降低，所以，需要采用非接触式位移检测的方法。考虑到电感位移传感器具有结构简单可靠、输出功率大、线性好、抗干扰和稳定性好、价格低廉等特点，研究基于电感位移传感器的位移(开度)检测原理，针对地层工作环境的特定要求，设计一种非接触的井下滑套阀门开度检测装置。

1位移传感器的工作原理

电感式位移传感器即铁芯可动变压器，其结构原理图如图1所示。电感式测量法是利用铁芯在感应线圈中的位置变化影响了磁通量使互感线圈输出电压发生变化的原理来测量位移。可以把滑套当作一个铁芯，在滑套端部安装一个互感线圈，滑套运动使其在互感线圈中的位置发生变化，进而使互感线圈的输出电压发生变化.在螺线管中插入一铁芯，其长度与螺线管长度相同(lc=l)，半径为rc，磁导率为μrμ0，则铁心被螺线管轴向磁场Hn磁化［4］，其磁感应强度为:Bc=μrμ0Hn=μrμ0WIl(1)式中Bc可等效为长l，电流为μrI，线圈匝数为W的空心螺线管产生的磁场，所以其等效磁通匝链数为:Ψc=WΦc=WBcSc=μrμ0W2Ilπrc2(2)其附加电感Lc为:Lc=ΨcI=μrμ0W2lπrc2(3)则线圈的总电感L为:L=L0+Lc=μ0πW2l(r2+μrrc2)(4)若铁心长度lc小于螺线管长度l，则线圈的电感为L':L'=μ0πlclcl()W2(r2+μrrc2)+μ0πl－lcl－lcl()W2r2=μ0πW2l2(lr2+μrlcrc2)(5)当铁心长度lc增加Δlc时，线圈电感增加ΔL，即L+ΔL=μ0πW2l2［lr2+μrrc2(lc+Δlc)］(6)当电流为稳定的正弦交流电时，线圈两端的电压U为:U=(L+ΔL)Imsinωt=μ0πW2l2［lr2+μrrc2(lc+Δlc)］Imsinωt(7)理论分析可知，随着铁心插入线圈中的长度逐渐增加，输出电压也呈线性增大。

2井下滑套阀门开度检测系统设计

井下滑套阀门开度检测系统由2部分构成:位移传感器和全数字解调装置。框图如图2所示。铁芯部分即为设计的位移传感器。图2井下滑套阀门开度检测系统框图首先，由激励信号发生电路产生一个电压幅值±10V、频率4kHz的正弦波，作为位移传感器的激励信号;然后，由传感器的2端输出信号，经精密整流电路将其整流为直流信号，再通过滤波电路将信号处理成稳定的直流信号［5］;最后，将直流信号经分压及放大电路处理后得到单片机允许处理的电压范围(0～5V)。输出的电压信号通过信号传输端口传输给单片机DSPI30F4011－30IP进行AD转换，通过软件部分编程，将电压信号转换为位移信号发送给上位机。

3井下滑套阀门开度检测系统的综合温度

测试及温度补偿将按设计要求研制好的井下滑套阀门开度检测系统实物放入烤箱中进行温度测试，记录不同温度下不同位移及对应的输出电压，并进行数据分析，制成折线散点图(见图3)。图3阀门开度(位移)与系统输出电压折线散点图根据分析可得:所设计的井下滑套阀门开度检测系统在一定的环境温度下工作时，阀门开度(位移)与系统输出电压呈近似线性变化的关系，可由线性拟合得到确定的线性方程，将得到的这种关系运用到单片机的AD转换当中，就能在已知温度环境并且不能实测阀门开度的情况下，由输出电压信号得到具体的阀门开度值，解决了在井下高温环境和钻机机舱内所能容纳的电路板空间有限这2种限制条件下对滑套阀门开度的连续测量，从而为全电动智能井系统的研制解决了一个关键技术问题。

4结语

此次研究针对井下高温环境设计了一款新型的电感式位移传感器及其全数字解调式信号处理电路。通过对高温实验数据的处理和分析，得到不同温度下的阀门开度与输出电压的近似线性关系，通过输出的电压信号，即可实现实时的井下滑套阀门开度的监测，由此得到一套比较完善的、可行的井下阀门开度检测系统。

参考文献

［1］宋建波，丁长良．智能完井技术发展及应用探析［J］．中国石油和化工标准与质量，2014，7(9):117．

［2］肖述琴，陈军斌，屈展．智能完井综合系统［J］．西安石油大学学报，2004，32(2):1－10．

［3］田裕鹏，姚恩涛，李开宇．传感器原理［M］．第3版．北京:科学出版社，2007:160－169．

［4］何道清，张禾，谌海云．传感器与传感器技术［M］．北京:科学出版社，2014:65－69．

［5］李稷，李玲，张辉，等．LVDT传感器仿真电路的设计与研究［J］．仪表技术，2011(9):67－70．

作者:李雨丹 陈萍 刘西安 单位:西安石油大学电子工程学院