孫浩玉， 薄 鵬， 李作會(huì)， 華陳權(quán)， 朱烈濤，馬建鵬

(1.機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所，黑龍江哈爾濱 150080；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001；3.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257000；4.中石油燃料油有限責(zé)任公司，北京100102；5.中國(guó)石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院，山東青島266580)

?油氣開(kāi)發(fā)?

投球式井下智能分控開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的研制及功能試驗(yàn)

孫浩玉1,2,3， 薄 鵬4， 李作會(huì)3， 華陳權(quán)5， 朱烈濤5，馬建鵬5

(1.機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所，黑龍江哈爾濱 150080；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001；3.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257000；4.中石油燃料油有限責(zé)任公司，北京100102；5.中國(guó)石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院，山東青島266580)

為了降低分層采油中的生產(chǎn)維護(hù)成本，結(jié)合無(wú)線射頻和單片機(jī)技術(shù)，研制了一種投球式井下智能分控開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)，并在室內(nèi)對(duì)其進(jìn)行了功能試驗(yàn)。在分析各類(lèi)井下開(kāi)關(guān)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，明確了研制思路：在地面通過(guò)投入信號(hào)小球的方式來(lái)實(shí)時(shí)靈活地控制井下目標(biāo)油層開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟/關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)油層的有效控制。確定了總體設(shè)計(jì)方案：在油管內(nèi)先后投入2個(gè)信號(hào)小球，先投入的信號(hào)小球用于井下控制系統(tǒng)的喚醒，后投入的信號(hào)小球攜帶開(kāi)啟/關(guān)閉目標(biāo)油層開(kāi)關(guān)閥的指令，用于控制目標(biāo)層位開(kāi)關(guān)。室內(nèi)模擬試驗(yàn)表明，投入喚醒信號(hào)小球后井下控制器由待機(jī)模式變?yōu)楣ぷ髂Ｊ?，投入油層控制信?hào)小球后，各目標(biāo)油層開(kāi)關(guān)閥能按預(yù)定指令正確開(kāi)/關(guān)，各層通信、開(kāi)關(guān)控制均滿足設(shè)計(jì)要求。研究認(rèn)為，研制的井下智能分控開(kāi)關(guān)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)油層的有效控制和降低油層間的干擾，從而實(shí)現(xiàn)分層采油、提高采收率。

分層開(kāi)采；投球式；井下智能開(kāi)關(guān)系統(tǒng)；無(wú)線射頻識(shí)別；實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

目前，我國(guó)各大主力油田已進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，含水率迅速上升，各油層之間的矛盾突出，層間干擾嚴(yán)重[1-2]，而層間矛盾是影響油田開(kāi)采效果的主要矛盾。對(duì)不同含水率的油層進(jìn)行分層注水與分層采油，能有效降低層間矛盾[3-7]，分層采油的核心技術(shù)是實(shí)時(shí)有效地控制井下各目標(biāo)油層閥門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉。針對(duì)該核心技術(shù)，國(guó)內(nèi)外提出了多種解決方案，大致分為液壓式井下開(kāi)關(guān)控制、電纜式井下開(kāi)關(guān)控制和程序固定式井下開(kāi)關(guān)控制等3種控制方式。

液壓式井下開(kāi)關(guān)控制的優(yōu)點(diǎn)是，只需要下入一趟生產(chǎn)管柱就能實(shí)現(xiàn)井下開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的“關(guān)閉—開(kāi)啟—關(guān)閉”操作，而舊式井下開(kāi)關(guān)系統(tǒng)只有開(kāi)啟或關(guān)閉一種功能。從某種程度講，液壓式井下開(kāi)關(guān)系統(tǒng)有效解決了舊式井下開(kāi)關(guān)系統(tǒng)操作不便的問(wèn)題，但其工作效率受井況影響較大，操作成功率不高[8]。

電纜式井下開(kāi)關(guān)控制通過(guò)電纜來(lái)傳輸開(kāi)啟或關(guān)閉井下目標(biāo)油層閥門(mén)的指令信號(hào)，其優(yōu)勢(shì)是，能夠根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況實(shí)時(shí)控制井下多個(gè)層位開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟或關(guān)閉，在井下智能開(kāi)關(guān)器上加裝節(jié)流閥能夠有效地控制閥門(mén)的開(kāi)度，但其生產(chǎn)建設(shè)、維護(hù)費(fèi)用較高。

程序固定式開(kāi)關(guān)控制是向井下下入帶有單片機(jī)控制器的智能開(kāi)關(guān)器，通過(guò)程序提前設(shè)定好井下開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟、關(guān)閉次序及流量閥的開(kāi)度，然后井下目標(biāo)油層開(kāi)關(guān)閥根據(jù)程序設(shè)定的步驟按時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉。其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)建設(shè)成本低，能夠不動(dòng)管柱實(shí)現(xiàn)井下目標(biāo)層位的調(diào)換。但由于程序在地面設(shè)定，不能實(shí)時(shí)地根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況來(lái)調(diào)整井下目標(biāo)油層開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟/關(guān)閉狀態(tài)及流量閥的開(kāi)度，不能滿足復(fù)雜油田的實(shí)際生產(chǎn)要求。

綜上所述，有必要研制一種生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)用低，且能夠在地面根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況實(shí)時(shí)靈活地進(jìn)行快速調(diào)整的井下開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)。由于無(wú)線射頻技術(shù)(radio frequency identification，RFID)具有非接觸,體積小，通信速度快，能穿透油/水、涂料、塵垢等非鐵磁性物質(zhì)等優(yōu)勢(shì)，因此，筆者利用RFID研發(fā)了一種投球式井下智能分控開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況不動(dòng)管柱就能實(shí)現(xiàn)對(duì)井下目標(biāo)油層開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟與關(guān)閉，克服了液壓式井下開(kāi)關(guān)系統(tǒng)易受井況影響、操作成功率不高的缺陷和電纜式井下開(kāi)關(guān)系統(tǒng)生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)用高的不足。

1 總體設(shè)計(jì)方案

井下分層采油工藝的測(cè)控需求為：1)提供穩(wěn)定可靠的井下智能分控開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)，在地面人為干預(yù)井下生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，調(diào)節(jié)各生產(chǎn)油層開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)，降低層間干擾對(duì)油井產(chǎn)能的影響；2)提供良好的PC機(jī)(上位機(jī))應(yīng)用軟件，準(zhǔn)確讀寫(xiě)信號(hào)小球的目標(biāo)指令，直觀顯示目標(biāo)指令的讀寫(xiě)狀態(tài)，提高井上發(fā)球指令的讀寫(xiě)效率。

針對(duì)井下高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、多干擾和小空間的環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合井下分層采油工藝對(duì)測(cè)控的需求，考慮性?xún)r(jià)比、安裝/維護(hù)的便捷性、低功耗等因素，綜合分析各種短距離無(wú)線通信方式，確定基于RFID的投球式井下智能分控開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案為：在油管內(nèi)投入2個(gè)信號(hào)小球，先投入的信號(hào)小球用于井下控制器的喚醒，接著投入攜帶開(kāi)啟/關(guān)閉目標(biāo)油層開(kāi)關(guān)閥指令的信號(hào)小球用于目標(biāo)油層開(kāi)關(guān)閥的控制。

設(shè)計(jì)的投球式井下智能分控開(kāi)關(guān)系統(tǒng)可分為井上、井下2大部分：井上部分包括井上讀寫(xiě)器、信號(hào)小球和上位機(jī)軟件等；井下部分是由井下控制器模塊、井下天線和井下油井開(kāi)關(guān)閥(電機(jī))等構(gòu)成的井下控制器。

井上讀寫(xiě)器通過(guò)RS232串口與上位機(jī)相連，接收上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的指令，并在收到目標(biāo)指令后對(duì)信號(hào)小球進(jìn)行無(wú)線讀寫(xiě)操作，完成讀寫(xiě)操作后返回一定的數(shù)給上位機(jī)。所以，井上讀寫(xiě)器有2個(gè)主要功能：1)與上位機(jī)串口通信，接收目標(biāo)指令；2)與信號(hào)小球進(jìn)行無(wú)線通信，對(duì)信號(hào)小球進(jìn)行目標(biāo)指令讀寫(xiě)。

上位機(jī)采用筆記本計(jì)算機(jī)或工業(yè)平板計(jì)算機(jī)，上位機(jī)監(jiān)控軟件用圖形式集成開(kāi)發(fā)環(huán)境LabVIEW 2013編寫(xiě)，主要功能是：通過(guò)RS232串口與井上讀寫(xiě)器相連，將實(shí)際操作中的井下目標(biāo)油層號(hào)及電機(jī)開(kāi)關(guān)閥的操作狀態(tài)信息編輯好，通過(guò)串口將目標(biāo)指令發(fā)送給井上讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器收到指令后將井下油層操作對(duì)象及電機(jī)開(kāi)啟/關(guān)閉狀態(tài)信息寫(xiě)入信號(hào)小球。

井下控制器是置于井下目標(biāo)油層附近的硬件模塊，主要有2大功能：1)當(dāng)信號(hào)小球經(jīng)過(guò)井下控制器天線感應(yīng)區(qū)時(shí)，有效讀取信號(hào)小球內(nèi)的指令信息；2)在收到目標(biāo)指令后對(duì)信息進(jìn)行解碼分析，并做出相應(yīng)的動(dòng)作，開(kāi)啟/關(guān)閉目標(biāo)油層開(kāi)關(guān)閥(電機(jī))。

投球式井下智能分控開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的井下部分如圖1所示。工作時(shí)，從井口投入信號(hào)小球，信號(hào)小球在自重及在油管中所受浮力、粘滯阻力的綜合作用下，做先加速后勻速下降的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其到達(dá)目標(biāo)油層智能開(kāi)關(guān)閥天線感應(yīng)區(qū)時(shí)，信號(hào)小球與井下智能開(kāi)關(guān)閥(井下控制器)進(jìn)行無(wú)線通信，將自身攜帶的指令信號(hào)通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送給井下控制器，井下控制器接收到指令后做出相應(yīng)的動(dòng)作，開(kāi)啟/關(guān)閉目標(biāo)油層開(kāi)關(guān)閥，從而實(shí)現(xiàn)遙控配產(chǎn)的目的。

圖1 投球式井下智能分控開(kāi)關(guān)系統(tǒng)井下部分Fig.1 Downhole sections of the ball-throwing intelligent control switch system

投球式井下智能分控開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的工作流程為：1)通過(guò)上位機(jī)軟件編輯喚醒井下控制器的目標(biāo)指令；2)通過(guò)RS232串口將上位機(jī)與井上讀寫(xiě)器連接，并將喚醒信號(hào)小球放入井上讀寫(xiě)器環(huán)形線圈天線感應(yīng)區(qū)內(nèi)，上位機(jī)將編輯好的喚醒指令發(fā)送給井上讀寫(xiě)器，井上讀寫(xiě)器在收到目標(biāo)指令后對(duì)信號(hào)小球進(jìn)行相應(yīng)的讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)操作，將喚醒指令寫(xiě)入信號(hào)小球；3)先在油管內(nèi)投入喚醒信號(hào)小球，信號(hào)小球沿油管往井下運(yùn)動(dòng)，到達(dá)井下控制器天線感應(yīng)區(qū)時(shí)，讀取喚醒指令將井下控制器喚醒，井下控制器由低功耗待機(jī)模式進(jìn)入工作模式；4)等待20 min，再通過(guò)井上的上位機(jī)軟件編輯控制井下目標(biāo)油層開(kāi)關(guān)閥開(kāi)啟/關(guān)閉的指令，并通過(guò)井上讀寫(xiě)器將控制目標(biāo)油層開(kāi)關(guān)閥開(kāi)啟/關(guān)閉指令寫(xiě)入信號(hào)小球；5)在檢測(cè)確定信號(hào)小球內(nèi)部指令寫(xiě)入正確之后，將信號(hào)小球由井口投入目標(biāo)油井；6)當(dāng)信號(hào)小球到達(dá)井下控制器天線有效通信范圍時(shí)，信號(hào)小球?qū)⒛繕?biāo)油層開(kāi)關(guān)閥開(kāi)啟/關(guān)閉指令通過(guò)無(wú)線傳輸方式發(fā)送給井下控制器；7)井下控制器收到信號(hào)小球發(fā)送的目標(biāo)指令后，對(duì)指令進(jìn)行解碼、分析，在確定對(duì)某一油層開(kāi)關(guān)閥進(jìn)行操作后，通過(guò)控制相應(yīng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路將油層開(kāi)關(guān)閥(電機(jī))開(kāi)啟/關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了不動(dòng)管柱對(duì)井下生產(chǎn)層位的有效調(diào)配及井上遙控配產(chǎn)的目的；8)井下控制器通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)，等工作時(shí)間到來(lái)后井下控制器由工作模式轉(zhuǎn)換為低功耗待機(jī)模式，1次完整的分層控制完成。直至下次喚醒信號(hào)小球到來(lái)，又從低功耗待機(jī)模式轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髂Ｊ?，如此循環(huán)下去。

2 井下控制器的設(shè)計(jì)

針對(duì)井下特殊環(huán)境，結(jié)合上述井下分層采油工藝對(duì)測(cè)控的需求，考慮性?xún)r(jià)比、安裝/維護(hù)便捷性、低功耗等因素，對(duì)井下控制器進(jìn)行了綜合設(shè)計(jì)。所有電路采用低功耗的3.3 V供電、小封裝、150 ℃高溫元器件；電路板采用長(zhǎng)條形的高溫沉金板(≤180 ℃)，寬30 mm；中央控制模塊采用國(guó)外的高溫?cái)?shù)字信號(hào)控制器dsPIC33。

井下控制器主要包括中央控制模塊、電源模塊、信號(hào)發(fā)射模塊、信號(hào)解調(diào)模塊、電機(jī)控制模塊、串口通信模塊，其工作原理如圖2所示。

圖2 井下控制器的工作原理Fig.2 Operation principles of the downhole intelligent control switch system

2.1 信號(hào)發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)

信號(hào)發(fā)射模塊由信號(hào)編碼、功率放大電路、發(fā)射電路和天線組成，主要完成信號(hào)編碼、調(diào)制和發(fā)射。

信號(hào)編碼采用軟件實(shí)現(xiàn)，用定時(shí)器控制125 kHz方波的持續(xù)時(shí)間完成脈寬調(diào)制，系統(tǒng)定義方波持續(xù)時(shí)間為350 μs時(shí)代表“1”，方波持續(xù)時(shí)間為100 μs時(shí)代表“0”。波形如圖3所示，代表發(fā)送“1”、“0”、“0”、“0”、“0”信號(hào)。

圖3 調(diào)制信號(hào)波形Fig.3 Waveforms of modulated signals

諧振功率放大器通過(guò)功率放大電路(見(jiàn)圖4)向小球提供能量。功率放大電路由1個(gè)NPN型三極管Q2和1個(gè)PNP型三極管Q3構(gòu)成，其在正半周期時(shí)Q2導(dǎo)通，負(fù)半周期時(shí)Q3導(dǎo)通，2個(gè)三極管交替工作。推挽放大電路只放大電流，不放大電壓，其功率放大倍數(shù)等于電流放大倍數(shù)，該系統(tǒng)中功率放大倍數(shù)約為20。其中，電阻R5、R6用來(lái)改善矩形波波形，R38、R39為限流電阻，可以調(diào)整LC串聯(lián)諧振回路的電流，并使三極管Q2和Q3的電流處于安全范圍內(nèi)。由于該系統(tǒng)的功率放大電路相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，電壓不變，電流增大，所以發(fā)射電路采用串聯(lián)諧振回路。

圖4 功率放大電路Fig.4 Power amplification electric circuit

信號(hào)小球與井下控制器能否成功通信，關(guān)鍵在于信號(hào)小球能否在井下天線有效感應(yīng)范圍內(nèi)將內(nèi)部的目標(biāo)指令發(fā)送到井下控制器，而信號(hào)小球經(jīng)過(guò)井下控制器需要一定時(shí)間，如果井下控制器天線有效感應(yīng)區(qū)域太小，信號(hào)小球來(lái)不及將目標(biāo)指令發(fā)送到井下控制器就已經(jīng)離開(kāi)井下天線的有效作用范圍，則通信不會(huì)成功。因此，筆者選擇比環(huán)形線圈天線有效感應(yīng)區(qū)較大的螺管形天線，將其應(yīng)用于該系統(tǒng)的井下控制器模塊。單層螺管形天線如圖5所示，天線繞制在油管外壁，由于普通鐵磁性油管對(duì)天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)有屏蔽作用，井下目標(biāo)油層油管用非鐵磁性材料(鎢鋼)代替；鎢鋼對(duì)電磁波沒(méi)有屏蔽作用，能在油管內(nèi)部感應(yīng)出有效的電磁場(chǎng)，所以通過(guò)調(diào)節(jié)井下控制器天線的發(fā)射功率，可以調(diào)節(jié)油管內(nèi)部電磁場(chǎng)的大小。

圖5 單層螺管形天線示意Fig.5 Single-layer spiral antenna

2.2 信號(hào)解調(diào)模塊的設(shè)計(jì)

信號(hào)解調(diào)模塊用于信號(hào)的接收和解調(diào)，包括包絡(luò)檢波器、整形濾波電路和解調(diào)算法。包絡(luò)檢波器主要由二極管和RC電路組成[9]，其中RC電路有2個(gè)作用：1)濾除檢波電流中的高頻分量；2)作為檢波器的負(fù)載，在兩端產(chǎn)生解調(diào)輸出的原調(diào)制信號(hào)電壓。包絡(luò)檢波器的輸出信號(hào)波形如圖6所示。

圖6 包絡(luò)檢波器輸出信號(hào)波形Fig.6 Waveforms of output signals from the envelope detector

由圖6可知，包絡(luò)檢波器輸出矩形波的波形較差，上升和下降的時(shí)間比較長(zhǎng)，波形幅值較小，輸出信號(hào)中波形被高頻雜波干擾。要想獲得理想的原調(diào)制波形，需對(duì)波形進(jìn)行調(diào)理整形。采用高頻濾波再加過(guò)零比較器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理整形，整形后的波形如圖7所示。

圖7 整形后輸出的波形Fig.7 Waveforms modulated signals

由圖7可知，整形后的矩形波上升和下降的時(shí)間很短，近似于理想矩形波。矩形波波形幅值變化范圍應(yīng)該滿足單片機(jī)讀I/O引腳電平或者在A/D采集輸入電壓范圍內(nèi)，才能被單片機(jī)有效采集。

2.3 電機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)

投球式井下智能分控開(kāi)關(guān)系統(tǒng)是對(duì)井下目標(biāo)油層的開(kāi)關(guān)閥進(jìn)行控制，信號(hào)小球與井下控制器的無(wú)線通信只是系統(tǒng)的通信部分，井下控制器通過(guò)信號(hào)解調(diào)模塊解調(diào)出信號(hào)小球攜帶的控制指令后，由電機(jī)控制模塊控制油層電機(jī)按預(yù)定指令的要求動(dòng)作，即開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟/關(guān)閉，也就是井下高溫直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)/停/反轉(zhuǎn)的有效控制，從而控制油層開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟/關(guān)閉。

考慮到工作溫度、驅(qū)動(dòng)功率等因素，也考慮到現(xiàn)場(chǎng)工藝對(duì)電機(jī)的要求(速度慢、力矩大)，采用國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的高低溫直流伺服電機(jī)，該電機(jī)帶行星減速器機(jī)組(減速比為1 000)和小直徑滾珠絲杠，具有耐高溫175 ℃、直徑小(φ26.0 mm)、輸出扭矩大(5 N·m)、轉(zhuǎn)速低(12 r/min)、電壓低、額定電流小(100～250 mA)等優(yōu)點(diǎn)，適合在井下工作。

電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、啟停由單片機(jī)DO輸出引腳控制。但由于單片機(jī)I/O引腳輸出電流有限，不能直接驅(qū)動(dòng)12 V直流電機(jī)正常工作(正常工作電流100～250 mA)，因此，筆者采用N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)建H橋，實(shí)現(xiàn)大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制[10]，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示。采用雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)4個(gè)耐高壓、高溫的N 型MOSFET。當(dāng)RE7為高時(shí)，M1和M4 導(dǎo)通，此時(shí)RE6為低，M2和M3斷開(kāi)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；RE6為高時(shí)，M2和M3 導(dǎo)通，此時(shí)RE7為低，M1和M4斷開(kāi)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；RE7 為低時(shí)，M1和M4斷開(kāi)，RE6為低，M2和M3斷開(kāi)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。

圖8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理Fig.8 Electric circuit for driving motor

3 井上讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)

井上讀寫(xiě)器主要包括中央控制模塊、電源模塊、信號(hào)發(fā)射模塊、信號(hào)解調(diào)模塊和串口通信模塊，其工作原理如圖9所示。

圖9 井上讀寫(xiě)器模塊工作原理Fig.9 Operation principles of the surface reading and writing module

井上讀寫(xiě)器使用環(huán)境不像井下那么復(fù)雜，所以在滿足所需功能的前提下應(yīng)盡量選擇價(jià)格低但功能穩(wěn)定可靠的元器件。與井下控制器相比，井上讀寫(xiě)器的硬件電路設(shè)計(jì)原理是基本相同的(無(wú)電機(jī)控制模塊)，但實(shí)現(xiàn)方式有所不同，即所選用的元器件有所不同。

4 樣機(jī)的測(cè)試

采用φ70.0與φ50.0 mm的有機(jī)玻璃管模擬常用的φ73.0和φ60.3 mm油管，用水模擬油管流體環(huán)境，在常溫下對(duì)投球式井下智能分控開(kāi)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行了室內(nèi)整體調(diào)試，測(cè)試了整個(gè)系統(tǒng)的通信和分層控制效果。

試驗(yàn)步驟：1)將油管注滿水，保證單層螺管形天線的有效讀取范圍內(nèi)充滿水；2)用井上讀寫(xiě)器將喚醒命令寫(xiě)入信號(hào)小球；3)將單層螺管形天線與井下控制器連接好，給井下控制器供電；4)將喚醒信號(hào)小球投入到注滿水的有機(jī)玻璃管(油管)中，讓其自由下沉通過(guò)井下控制器天線有效感應(yīng)區(qū)；5)用井上讀寫(xiě)器給1#信號(hào)小球?qū)懭氩煌蛯娱_(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟/關(guān)閉命令(初始位置為全關(guān)，寫(xiě)入指令為“1#開(kāi)，2#關(guān)，3#開(kāi)，4#關(guān)”)；6)將攜帶目標(biāo)指令的1#信號(hào)小球投入到注滿水的有機(jī)玻璃管(油管)中，讓其自由下沉通過(guò)井下控制器天線有效感應(yīng)區(qū)；7)通過(guò)觀察電機(jī)是否按照寫(xiě)入指令的要求正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)，從而驗(yàn)證井下控制器與信號(hào)小球的通信、開(kāi)關(guān)閥控制是否正常；8)用井上讀寫(xiě)器給2#信號(hào)小球?qū)懭氩煌蛯娱_(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟/關(guān)閉命令(正好與1#信號(hào)小球的指令相反，寫(xiě)入指令為“1#關(guān)，2#開(kāi)，3#關(guān)，4#開(kāi)”)；9)投入2#信號(hào)小球，通過(guò)觀察電機(jī)是否按照寫(xiě)入指令的要求正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)，再次驗(yàn)證井下控制器與信號(hào)小球的通信、開(kāi)關(guān)閥控制是否正常。

表1 模擬試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Simulation test results

由表1可知，在投入喚醒信號(hào)小球之后能準(zhǔn)確地將井下控制器由低功耗待機(jī)模式轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髂Ｊ?，在分別投入1#信號(hào)小球、2#信號(hào)小球后，各層電機(jī)都能按照寫(xiě)入指令的要求正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)，從而驗(yàn)證井下控制器與信號(hào)小球的通信、開(kāi)關(guān)閥控制正常，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的投球式井下智能分控開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能滿足要求。

5 結(jié)論與建議

1) 研制的投球式井下智能分控開(kāi)關(guān)系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要在地面通過(guò)投入信號(hào)小球，利用無(wú)線射頻技術(shù)實(shí)時(shí)靈活地開(kāi)啟/關(guān)閉井下目標(biāo)油層的開(kāi)關(guān)閥，實(shí)現(xiàn)分層采油，降低層間干擾，提高采收率。

2) 樣機(jī)測(cè)試表明，采用投入信號(hào)小球的方式可在地面隨時(shí)靈活地對(duì)井下各層開(kāi)關(guān)閥狀態(tài)進(jìn)行有效控制，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但目前僅對(duì)投球式井下智能分控開(kāi)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行了樣機(jī)測(cè)試，建議下一步對(duì)其進(jìn)行實(shí)用化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

[1] 王妍.井下智能閥門(mén)控制系統(tǒng)的技術(shù)研究與裝置開(kāi)發(fā)[D].大連：大連理工大學(xué)，2006. WANG Yan.The research and development of intelligent valve control system of pumping well[D].Dalian：Dalian University of Technology,2006.

[2] 周望，李志，謝朝陽(yáng).大慶油田分層開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)，1998，17(1):36-39. ZHOU Wang,LI Zhi,XIE Chaoyang.Development and application of stratified mining technology in Daqing[J].Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing,1998,17(1):36-39.

[3] CHRUSCH L J.Downhole oil and water separation：potential of a new technology[C].Indonesian Petroleum Association,25th Annual Convention Proceedings,1996:343-355.

[4] ZHOU Wang,XIE Chaoyang,LI Jingshen,et al.Development and practice of separate layer production technique in Daqing Oilfield[J].SPE Advanced Technology Series,1997,5(1):87-92.

[5] 楊百新，譚河清，魏冬花.小斷塊油井智能分層測(cè)試技術(shù)[J].油氣田地面工程，2003，22(6):67. YANG Baixin,TAN Heqing,WEI Donghua.Intelligent hierarchical test technology for small fault block oil wells[J].Oil-Gas Field Surface Engineering,2003,22(6):67.

[6] 譚河清，陳?ài)`發(fā)，劉靜，等.抽油井智能分層測(cè)試技術(shù)研究[J].測(cè)井技術(shù)，2003，27(4):334-337. TAN Heqing,CHEN Jianfa,LIU Jing,et al.On intelligent zonation testing technology for pumping well[J].Well Logging Technology,2003,27(4):334-337.

[7] MATTHEWS C M,CHACHULA R,PEACHEY B R,et al.Application of downhole oil/water separation systems in the Alliance Field[R].SPE 35817,1996.

[8] 孫丕昊，李晶，田慶國(guó)，等.液控式修井井下開(kāi)關(guān)的研制[J].石油機(jī)械，2002，30(6):38-40. SUN Pihao,LI Jing,TIAN Qingguo,et al.Development of downhole switch with hydraulic control[J].China Petroleum Machinery,2002,30(6):38-40.

[9] 常亮.二極管包絡(luò)檢波電路原理及失真探究[J].電子測(cè)試，2013(17):34-36. CHANG Liang.Study on principle and distortion of diode envelope detection circuit[J].Electronic Test,2013(17):34-36.

[10] 游志宇，杜楊，張洪，等.基于場(chǎng)效應(yīng)管的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子元器件，2008(2):3-6. YOU Zhiyu,DU Yang,ZHANG Hong,et al.Design of driver and control circuit for DC motor base on MOSFET[J].Foreign Electronic Components,2008(2):3-6.

[編輯 令文學(xué)]

Development and Function Test of an Intelligent Split-Control witch for Separate-Layer Oil Production

SUN Haoyu1,2,3，BO Peng4,LI Zuohui3，HUA Chenquan5，ZHU Lietao5，MA Jianpeng5

(1.TheMechanicalScienceResearchInstituteofHarbinWeldingInstitute,Harbin,Heilongjiang,150080，China;2.HarbinIndustrialUniversityInstituteofElectricalEngineeringandAutomation,Harbin,Heilongjiang,150001,China;3.DrillingTechnologyResearchInstitute,SinopecShengliOilfieldServiceCorporation,Dongying,Shandong,257000,China;4.PetroChinaFuelOilCo.,Ltd.，Beijing,100102,China;5.CollegeofInformationandControlEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong,266580,China)

Separate-layer oil production is an effective way to reduce oilfield interlayer interference and to enhance the oil recovery. In consideration toof field demands,RFID radio frequency and single-chip microcomputer technologies were used jointly to develop an intelligent split-control switch controlling system for separate-layer oil production. Lab tests were conducted to assess performances of the designed system. By analyzing advantages and disadvantages of downhole switches of various types,the following principles were identified for the development of the system: open/close of switch valve in downhole target formation could be controlled flexibly in real time by ball-throwing from the ground surface to realize effective control over target formation. Overall design could be summarized as flowing: deploy two balls in the tubing,one to trigger the downhole control system and the other one with signals for open/close of switch valves in target formations to control the switch. Lab tests showed the first ball could effectively trigger the downhole controller from low energy consumption mode into operation mode. Upon deployment of the ball with control signals,all switches in target formations could be opened/closed as required. Generally speaking,controls for communication and switches in various target formations could meet design requirements. Research results showed the newly developed intelligent split-control switch system could effectively control target formations,minimize inter-layer interferences to realize separate-layer oil production and to enhance oil recovery.

separate layer oil production;ball-throwing type;downhole intelligent switch system;radio frequency identification;laboratory testing

2016-12-02；改回日期：2017-07-03。

孫浩玉(1978—)，男，山東陵縣人，2000年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)自動(dòng)化儀表及應(yīng)用專(zhuān)業(yè)，2014年獲石油大學(xué)(華東)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位，高級(jí)工程師，機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士后聯(lián)合培養(yǎng)工作站在站博士后，主要從事井下工具與儀器方面的研究工作。E-mail：sunhaoyu7909@163.com。

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”課題“低滲油氣田高效開(kāi)發(fā)鉆井技術(shù)(二期)”(編號(hào)：2011ZX05022)資助。

10.11911/syztjs.201704015

TE355.2;TE931+.2

A

1001-0890(2017)04-0087-06