探析井下滑套閥門開度檢測系統(tǒng)設(shè)計
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摘要: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(jìn)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(jìn)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。
關(guān)鍵詞: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?；紫鄬τ陂y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(jìn)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］?？紤]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。考慮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。可以把滑套當(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(jìn)而使互感線圈的輸出電壓發(fā)生變化.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(qiáng)度為:Bc=μrμ0Hn=μrμ0WIl(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:Ψc=WΦc=WBcSc=μrμ0W2Ilπrc2(2)其附加電感Lc為:Lc=ΨcI=μrμ0W2lπrc2(3)則線圈的總電感L為:L=L0+Lc=μ0πW2l(r2+μrrc2)(4)若鐵心長度lc小于螺線管長度l，則線圈的電感為L':L'=μ0πl(wèi)clcl()W2(r2+μrrc2)+μ0πl(wèi)－lcl－lcl()W2r2=μ0πW2l2(lr2+μrlcrc2)(5)當(dāng)鐵心長度lc增加Δlc時，線圈電感增加ΔL，即L+ΔL=μ0πW2l2［lr2+μrrc2(lc+Δlc)］(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=μ0πW2l2［lr2+μrrc2(lc+Δlc)］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±10V、頻率4kHz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(jī)允許處理的電壓范圍(0～5V)。輸出的電壓信號通過信號傳輸端口傳輸給單片機(jī)DSPI30F4011－30IP進(jìn)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(jī)。
3井下滑套閥門開度檢測系統(tǒng)的綜合溫度
測試及溫度補償將按設(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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)機(jī)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)。
參考文獻(xiàn)
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作者:李雨丹 陳萍 劉西安 單位:西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院