劉景超 王金龍 武宇琛

摘要：針對(duì)我國(guó)油氣田液控式智能滑套技術(shù)存在缺陷、嚴(yán)重制約其應(yīng)用與推廣的問題，研制了一種可以實(shí)現(xiàn)滑套位移精準(zhǔn)測(cè)量的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了工程樣機(jī)研制及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)非接觸式線性可變差動(dòng)變壓器式監(jiān)測(cè)原理設(shè)計(jì)。研究與試驗(yàn)結(jié)果表明：該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了液控式井下智能滑套開度精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，使液控式智能完井可以對(duì)井下智能閉環(huán)調(diào)控產(chǎn)量精準(zhǔn)控制；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用同心線性結(jié)構(gòu)，可以與現(xiàn)有的液控式智能滑套連接，無需對(duì)現(xiàn)有滑套進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改；可以使液控式井下流量控制閥省去J形槽往復(fù)式機(jī)械定位機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了地面液壓控制操作流程；滑套位移監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)，單芯電纜信號(hào)傳輸穩(wěn)定。所得結(jié)論可為實(shí)現(xiàn)完井井下滑套閉環(huán)智能控制提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：智能完井；井下智能滑套；位移監(jiān)測(cè)；模塊；單芯電纜

0 引 言

國(guó)內(nèi)智能完井技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，在10余個(gè)油田近千口油水井得到廣泛應(yīng)用。與常規(guī)完井技術(shù)相比，智能完井技術(shù)可以提高單井產(chǎn)量10％以上，注水效率18%以上，使含水體積分?jǐn)?shù)降低10％以上，可改善油藏管理，避免層間干擾，免除或減少常規(guī)測(cè)試和修井作業(yè)，有效預(yù)防油藏水體突破，真正實(shí)現(xiàn)少井高產(chǎn)的目的［1-4］。

國(guó)內(nèi)智能完井液控式井下智能滑套（FCV）無位移傳感器，多采用J形導(dǎo)向限位槽機(jī)械定位機(jī)構(gòu)，需地面液力推動(dòng)滑套帶動(dòng)銷釘沿著J形導(dǎo)向限位槽上下反復(fù)移動(dòng)到設(shè)計(jì)位置，每個(gè)設(shè)計(jì)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)滑套移動(dòng)位置［5-6］。地面經(jīng)過多次操作后已經(jīng)無法確定井下滑套的具體移動(dòng)位置，實(shí)際流量與預(yù)期調(diào)控流量有很大的誤差，無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量精準(zhǔn)調(diào)控。當(dāng)前，國(guó)外智能完井液控式智能滑套配備滑套位移傳感器，可以精確測(cè)量滑套的位移量［7-8］。但是，該技術(shù)處于壟斷狀態(tài)，對(duì)外售價(jià)昂貴，與我國(guó)現(xiàn)有的液控式智能滑套結(jié)構(gòu)不配套，無法配套使用；并且每個(gè)位移傳感器需要單獨(dú)的電纜供電與傳輸信號(hào)，多個(gè)位移傳感器需要通過直徑6.35 mm（1/4 in）的多芯鋼管電纜傳輸，不適用于國(guó)內(nèi)普遍使用的單芯鋼管電纜信號(hào)傳輸方式。國(guó)內(nèi)液控式智能滑套的技術(shù)缺陷嚴(yán)重制約了智能完井技術(shù)在我國(guó)油氣田的應(yīng)用與推廣。

為此，筆者研制了一種不需要改變現(xiàn)有的液控式智能滑套結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)滑套位移精準(zhǔn)測(cè)量的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、加工成本低、便于快速投入使用與通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

1 技術(shù)分析

井下智能滑套位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)非接觸式線性可變差動(dòng)變壓器式監(jiān)測(cè)原理設(shè)計(jì)，位移監(jiān)測(cè)精度可以達(dá)到1 mm。控制電路框圖如圖1所示。

1.1 整體結(jié)構(gòu)

井下智能滑套位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由保護(hù)筒、下接頭、油管短節(jié)、位移線圈、位移線圈托管、鐵芯筒、卡爪定位筒、托管、滑套連接短節(jié)、電源降壓電路、位移信號(hào)監(jiān)測(cè)電路、通信電路和井口電路等組成。單芯鋼管電纜穿過直徑6.35 mm鋼管電纜NPT密封接頭、O形密封圈組合和保護(hù)筒上電纜穿越孔，與電源降壓電路相連接。電纜密封接頭與O形密封圈組合雙重密封結(jié)構(gòu)增強(qiáng)鋼管電纜與保護(hù)筒電纜穿越孔之間的密封性。井下智能滑套位移傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 工作原理

井下智能滑套位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用電感式測(cè)量方法。位移線圈纏繞在位移線圈托管上，兩者一起插入保護(hù)筒內(nèi)，電源降壓電路、位移信號(hào)監(jiān)測(cè)電路與通信電路固定在位移線圈托管上，構(gòu)成位移檢測(cè)器。將位移檢測(cè)器插入保護(hù)筒內(nèi)，通過下接頭將位移檢測(cè)器固定在保護(hù)筒內(nèi)。單芯鋼管電纜穿過保護(hù)筒的通孔與電源降壓電路連接。該電纜通過電纜密封接頭固定在保護(hù)筒上，并與電纜密封接頭構(gòu)成雙重密封。電源降壓電路將單芯鋼管電纜的高壓直流電降低為低壓直流電，給位移信號(hào)監(jiān)測(cè)電路與通信電路供電。位移信號(hào)監(jiān)測(cè)電路通過三芯軟電纜給位移線圈供電并傳輸信號(hào)。滑套連接短節(jié)將井下智能滑套的內(nèi)滑套與托管連接在一起，鐵芯筒通過卡爪定位筒固定在托管上，插入位移線圈托管內(nèi)腔中且可以自由滑動(dòng)。因此，當(dāng)井下智能滑套的內(nèi)滑套移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)鐵芯筒在通電位移線圈中移動(dòng)，引起位移線圈的磁通量變化，使位移線圈輸出電壓值信號(hào)，電壓值信號(hào)經(jīng)過位移信號(hào)監(jiān)測(cè)電路與通信電路轉(zhuǎn)換成滑套位移量并通過單芯電纜傳輸?shù)降孛?。通過地面開度監(jiān)測(cè)軟件采集與存儲(chǔ)井下智能滑套位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的位移監(jiān)測(cè)信號(hào)，并實(shí)時(shí)顯示出當(dāng)前滑套的開度與位移量。系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

井下智能滑套位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為滑套位移傳感器與井下控制電路2部分。滑套位移傳感器由位移線圈、位移線圈托管與鐵芯筒組成。由于井下密封艙空間有限，將井下控制電路分成電源降壓電路、位移信號(hào)監(jiān)測(cè)電路和通信電路3部分。

2.1 滑套位移傳感器

采用三線制線圈繞制方法將位移線圈繞制在線圈托管上，分為一次繞組與二次繞組2組線圈，長(zhǎng)度各265 mm （根據(jù)滑套實(shí)際行程設(shè)計(jì)）。位移線圈通過1號(hào)線輸入±15 V正弦波激勵(lì)信號(hào)并產(chǎn)生感應(yīng)電流；3號(hào)線連接負(fù)極，碳鋼材質(zhì)的鐵芯筒插入位移線圈托管內(nèi)自由滑動(dòng)，鐵芯筒的中心與一次繞組中心對(duì)齊；位移線圈2號(hào)線輸出的2組線圈的電壓差值為0。當(dāng)鐵芯筒的中心所處位置發(fā)生了偏移，引起一次繞組與二次繞組的磁通量變化，2號(hào)線輸出的電壓值大于0。隨著鐵芯筒偏離一次繞組中心位置的程度，2號(hào)線輸出電壓值信號(hào)隨著鐵芯筒的移動(dòng)慢慢遞增或遞減；鐵芯筒的位置變化與位移線圈輸出的電壓值信號(hào)線性相關(guān)。滑套位移傳感器原理示意圖如圖3所示。由于碳鋼屬于強(qiáng)磁合金，會(huì)對(duì)位移線圈產(chǎn)生電磁干擾，所以位移線圈托管、托管及卡爪定位筒采用無磁不銹鋼材料。

位移線圈托管采用同心結(jié)構(gòu)，兩端為O形密封圈密封面，與保護(hù)筒內(nèi)腔構(gòu)成密封腔，中部纏繞位移線圈，前端銑槽位置安裝3塊控制電路。位移線圈與位移線圈托管工程樣機(jī)如圖4所示。鐵芯筒、卡爪定位筒與托管工程樣機(jī)如圖5所示。通過保護(hù)筒上的注入孔將封裝膠注入密封腔內(nèi)，封裝位移線圈與3塊控制電路，以增強(qiáng)位移線圈、3塊控制電路的密封性與抗震性。

2.2 位移信號(hào)監(jiān)測(cè)電路

位移信號(hào)監(jiān)測(cè)電路主要由電源模塊、滑套位移數(shù)據(jù)采集模塊與滑套位移監(jiān)測(cè)模塊組成。

2.2.1 位移信號(hào)監(jiān)測(cè)電路電源模塊

使用ASM1117作為5 V供電電源，為滑套位移數(shù)據(jù)采集模塊供電。在該模塊電路的電壓輸入端和輸出端連接10和22 μF極性電容并連接地線，起到濾波和去耦作用。為防止位移線圈發(fā)熱對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，使用2個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器A1215S并聯(lián)，可輸出±15 V電壓；使用2.2和0.47 μF極性電容作為電源濾波電容和輸出去耦電容，為滑套位移監(jiān)測(cè)模塊供電。位移信號(hào)監(jiān)測(cè)電路電源模塊工作溫度可達(dá)125 ℃。位移信號(hào)監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

2.2.2 滑套位移監(jiān)測(cè)模塊

使用耐高溫的AD698作為滑套位移監(jiān)測(cè)模塊的核心芯片，封裝工作溫度可達(dá)到125 ℃。設(shè)置AD698內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生±15 V正弦激勵(lì)信號(hào)，為位移線圈供電?；贏D698設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路，采集位移線圈2號(hào)線輸出的正弦電壓信號(hào)，濾波后消除位移線圈發(fā)熱和采樣誤差對(duì)位移測(cè)量的影響，將濾波后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為滑套位移數(shù)據(jù)采集模塊可采樣的0～5 V直流電壓信號(hào)。電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

2.2.3 滑套位移數(shù)據(jù)采集模塊

將滑套位移傳感器放入恒溫箱中，模擬井下環(huán)境溫度125 ℃，通過滑套位移監(jiān)測(cè)模塊給位移線圈1號(hào)線輸入±15 V正弦波激勵(lì)信號(hào)，用萬用表監(jiān)測(cè)信號(hào)調(diào)理電路輸出的電壓值，將測(cè)試得到的數(shù)據(jù)繪制成鐵芯筒位移與位移線圈輸出電壓之間的關(guān)系曲線圖，如圖8所示。

將位移線圈輸出的電壓值帶入式（2）中，計(jì)算得到鐵芯筒位移量，繼而得到滑套的位移量。

由于位移線圈托管安裝電路板的空間狹小，選擇Microchip公司生產(chǎn)的DSPIC30F4011作為采集與處理滑套位移監(jiān)測(cè)模塊和溫度信號(hào)處理模塊輸出信號(hào)的主控芯片。DSPIC30F4011擁有10位ADC、2個(gè)FIFO緩沖區(qū)的串口通信模塊，封裝后工作溫度可達(dá)到125 ℃，滿足井下工作需求。將表1中位移線圈輸出電壓信號(hào)與鐵芯筒位移的關(guān)系式編輯成滑套監(jiān)測(cè)程序輸入到DSPIC30F4011主控芯片內(nèi)。所有子模塊的系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化設(shè)置為主振蕩器模式、UART初始化、I/O端口初始化、片內(nèi)ADC初始化。整個(gè)系統(tǒng)初始化完成之后，采集滑套位移監(jiān)測(cè)模塊輸出的直流電壓模擬信號(hào)，利用中值平均濾波算法濾除直流電壓數(shù)據(jù)中的一些脈沖干擾信號(hào)。將濾波后的電壓數(shù)據(jù)通過設(shè)定程序處理后得到滑套位移數(shù)字量，通過主控芯片內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)化器，將滑套位移數(shù)字量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳輸至通信電路。滑套位移數(shù)據(jù)采集模塊電路如圖9所示。

2.3 通信電路

通信電路主要由電源模塊、信號(hào)耦合模塊和編碼程序組成。該信號(hào)傳輸方法不但可以提高傳輸速度，而且有效避免了多個(gè)滑套位移信號(hào)干擾，增強(qiáng)位移傳感器工作穩(wěn)定性。

2.3.1 電源模塊

電源模塊包括穩(wěn)壓電路和降壓電路。穩(wěn)壓電路采用LM2576系列穩(wěn)壓芯片將電源降壓電路輸入的12 V電壓轉(zhuǎn)換成中間過渡電圧5 V，可減小穩(wěn)壓壓差，保證穩(wěn)壓芯片正常工作。降壓電路采用LMS1117-3.3 V系列降壓芯片輸出的3.3 V電壓為通信電路其他芯片供電。穩(wěn)壓電路和降壓電路設(shè)計(jì)如圖11所示。

2.3.2 編碼程序

編碼主要是為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，采用電壓幅值來表示二進(jìn)制，使用STM32芯片作為執(zhí)行編碼程序的微處理器。位移信號(hào)監(jiān)測(cè)電路傳輸?shù)幕孜灰茖?shí)時(shí)信號(hào)經(jīng)STM32芯片曼徹斯特編碼后，由STM32芯片的單管腳輸出，輸出形式為電平跳變。編碼流程如圖12所示。

2.3.3 信號(hào)耦合模塊

使用AFE031芯片作為信號(hào)耦合模塊的核心處理器，通過單芯電纜的直流載波方式上傳給井口電路。信號(hào)耦合模塊電路如圖13所示。AFE031是TI公司的一款電力線通信（PLC）模擬前端，能與電力線進(jìn)行電容耦合或變壓器耦合。通過4連線串行外設(shè)接口SPI與STM32通信。內(nèi)部含有4個(gè)不同的放大器和2個(gè)濾波器，放大器的增益與濾波器的帶寬可調(diào)。其中PA放大器需單獨(dú)供電，供電電源最大電壓26 V，其他的均由3.3 V單電源供電。

2.4 電源降壓電路

電源降壓電路的電壓轉(zhuǎn)換電路將單芯鋼管電纜下傳的直流電壓從110 V降到12 V后，再給位移信號(hào)監(jiān)測(cè)電路與通信電路供電。電源降壓電路如圖14所示。

2.5 井口電路

井口電路將單芯鋼管電纜傳上來的載波信號(hào)進(jìn)行解耦和解碼，得到真實(shí)的井下智能滑套位移數(shù)據(jù)。它主要由電源模塊、解耦模塊、解碼軟件與通信接口模塊組成。井口電路與通信電路是信號(hào)處理的互逆過程，可采用相同的芯片，因此井口電路的電源模塊與通信電路電源模塊相同。

2.5.1 解耦模塊

解耦模塊將直流電壓和載波信號(hào)分離，使用AFE031芯片進(jìn)行采集信號(hào)與解耦，外部無源帶通濾波器可去除任何不需要的外部信號(hào)。AFE031集成芯片解耦電路如圖15所示。

2.5.2 解碼模塊

經(jīng)解耦模塊處理后的信號(hào)將由STM32芯片內(nèi)的解碼模塊進(jìn)行曼徹斯特解碼，將解碼后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，通過通信接口模塊傳輸?shù)降孛骈_度監(jiān)測(cè)模塊。解碼流程如圖16所示。

2.5.3 通信接口模塊

通信系統(tǒng)使用RS485總線通信方式，所以收發(fā)器選用MAX485芯片。MAX485芯片內(nèi)部電路只由1個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)器輸入端與接收器輸出端分別對(duì)應(yīng)芯片外部引腳DI和RO，并分別與微處理器STM32外部引腳RX和TX相連，以進(jìn)行串行通信。RE和DE引腳分別為接收和發(fā)送使能端，因?yàn)镽S485是半雙工通信方式，使用1個(gè)微處理器外部引腳使MAX485具備收發(fā)功能，A、B引腳分別是接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，在2個(gè)引腳間增加匹配150 kΩ電阻保證其阻抗連續(xù)性。通信接口模塊電路如圖17所示。

2.6 地面開度監(jiān)測(cè)模塊

地面開度監(jiān)測(cè)模塊使用LabVIEW軟件搭建，設(shè)有可視化用戶界面，可通過串口通信及VI調(diào)用等實(shí)現(xiàn)模塊初始化、數(shù)據(jù)下載及顯示功能。LabVIEW中對(duì)于串口通信有完整的模塊可以調(diào)用，利用Visa Configure Serial Port節(jié)點(diǎn)便捷設(shè)置波特率、有無奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位數(shù)以及停止位位數(shù)。使用Visa Write節(jié)點(diǎn)和Visa Read節(jié)點(diǎn)對(duì)串口進(jìn)行讀寫操作，寫指令與讀指令之間應(yīng)加入適當(dāng)?shù)难訒r(shí)?？刂瞥绦蛄鞒倘鐖D18所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2021年12月，將井下智能滑套位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與FCV工程樣機(jī)串聯(lián)后，配套安裝2根直徑6.35 mm液壓管線和1根直徑6.35 mm單芯鋼管電纜一起下入裝配工廠內(nèi)的某測(cè)試井中，進(jìn)行FCV位移監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。工程樣機(jī)如圖19所示。智能滑套位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)位移監(jiān)測(cè)過程如圖20所示。FCV調(diào)整開度驅(qū)動(dòng)壓力曲線如圖21所示。

由圖20可知，井下智能滑套位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)既能精確測(cè)量滑套位移，又可準(zhǔn)確定位滑套開度。

由圖21可以看出，F(xiàn)CV滑套每移動(dòng)到一個(gè)開度會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力波峰，即每個(gè)壓力波峰對(duì)應(yīng)一個(gè)開度位置，壓力波峰變化過程與圖20滑套位移監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。井下智能滑套位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了FCV開度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)到了預(yù)期目的。

4 結(jié) 論

（1）井下智能滑套位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了液控式井下智能滑套開度的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，使液控式智能完井可以對(duì)井下智能閉環(huán)調(diào)控產(chǎn)量精準(zhǔn)控制。

（2）井下智能滑套位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用同心線性結(jié)構(gòu)，通過選用不同結(jié)構(gòu)的滑套連接短節(jié)可以簡(jiǎn)單快速與現(xiàn)有的液控式智能滑套連接，不需要對(duì)現(xiàn)有的液控式智能滑套進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改。

（3）井下智能滑套位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制可以使液控式井下流量控制閥，省去J形槽往復(fù)式機(jī)械定位機(jī)構(gòu)，大大簡(jiǎn)化地面液壓控制操作流程。

（4）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試井試驗(yàn)結(jié)果表明，井下智能滑套位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的滑套位移監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)，單芯電纜信號(hào)傳輸穩(wěn)定，滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

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