智能井井下閥門開度檢測方法

張旭濤 劉福剛 袁璐 李杰

摘 要：針對井下地層流體控制閥的閥門開度檢測問題，采用電感式位移檢測方法來檢測閥門開度以適應智能井井下工作環境要求，利用LVDT/RVDT信號處理集成芯片AD698設計了激勵信號產生電路與輸出信號處理電路，測試了手工繞制的電感式位移傳感器的信號-位移關系，測試表明測量電路的輸出電壓與鐵芯（閥門）的位移量線性度良好。

關鍵詞：智能井；閥門開度檢測；AD698

智能井技術是一項新型的油藏/油井生產管理技術。這是一種利用放置在井下的永久性傳感器實時采集井下設備的工況以及生產層段的壓力、溫度等參數，通過通信電纜或光纜將采集的信號傳輸到地面，利用開發的軟件平臺對數據進行挖掘、分析和學習，采用油藏數值模擬和油藏動態描述技術來優化油藏生產管理，并通過調節井下不同層段的地層流體控制閥的狀態，實現對油藏的動態優化控制，從而提高油井產量和最終采收率的生產技術。

智能井系統的結構原理如圖1所示，地面操作系統將采集到的底層中流體流量、溫度、壓力等參數進行描述和優化后再來控制層間流體控制閥（ICV）的開度，在整個系統中獲取閥門的開度量非常重要，一方面，閥門開度是閥門調節負反饋系統中一個重要參數；另一反面，閥門開度也是井下流體流量的一個重要參考指標，因此，研究井下閥門開度檢測方法具有重要意義。

1 測量方案選擇

井下流量控制閥采用的是直線移動滑套閥，閥門開度對應著滑套相對位移的大小，因此，檢測閥門開度就轉化為測量滑套直線位移的問題。測量位移的方法很多，考慮到井下高溫、高壓、復雜的流體介質和有限的安裝空間等因素筆者選用LVDT/RVDT即差動變壓器式傳感器，其測量原理如圖2所示。該檢測裝置由信號處理短節、感應線圈、鐵芯、連接套、閥芯等所組成。其工作原理是：線圈與鐵芯構成閥位檢測傳感器，鐵芯通過連接套與閥芯連接，當閥芯運動時，鐵芯隨之運動，使電感線圈的電感量變化；該信號被送入信號處理短節，經處理以后送出與閥門開度成一定關系的直流信號，從而實現閥門開度的檢測。該方法最大的特點是測量裝置無任何機械磨損，特別適合井下對穩定性要求高不易檢修的特殊要求。

2 測量電路設計

由于井下空間有限且對穩定性要求很高，本文選用專用的位移檢測集成芯片AD698芯片來設計測量電路。AD公司生產的AD698是一種LVDT/RVDT信號處理芯片，它是在一個芯片上集成了既能產生LVDT/RVDT傳感器激勵信號，又能對LVDT/RVDT傳感器的輸出信號進行處理的單片式線性位移差分變壓器信號調理系統。

AD698的主要技術指標為：輸出電壓范圍為-11～+11V；輸出電流為11mA；激勵電壓范圍為2.1～24V；激勵頻率范圍為20Hz～20kHz；電源電壓范圍為13～16V。本文選定的位移傳感器激勵信號電壓 要求為7V，采用雙電源供電方案，電源電壓為±15V。AD698及其外圍電路的電路圖如圖3所示。

其中需要對R1、R2、R3、R4、C1、C2、C3、C4共8個外接元件進行計算選擇，其具體計算方法如下。

⑴確定測量系統的激勵頻率。一般情況下，LVDT/RVDT的激勵頻率fexc選擇為系統機械帶寬fsubsvstem的10倍左右。在本文的閥門機械系統帶寬在300Hz左右，所以測量系統的激勵頻率為

（2）根據激勵信號頻率與C1的關系：

按瓷片電容序列，10nF即103的瓷片電容比較靠近11.67nF，那么此時系統的激勵頻率應該校正為

（3）由激勵信號的電壓幅值Vexc來決定R1，選激勵信號為7V，由激勵信號與R1的關系曲線可得R1=5.1KΩ。

（4）C2、C3、C4為AD698位移系統期望帶寬的函數，通常要求他們的電容值相等，即

（5滿量程輸出電壓設置。AD698的增益或滿量程輸出范圍是傳感器靈敏度S（其值可以在傳感器使用手冊中查到）、d（從0到滿量程磁芯位移）和R2的函數

對于d=±50mm，S=3.6mV/（（ mm）*V）-1的位移傳感器

（6）R3和R4可實現輸出電壓信號的正負補償調節。

AD轉化要求出入電壓為0～5V，所以設置偏置電壓為 Vos=2.5V，且要求R4開路，因此有

3 測量裝置實驗測試

本文中的傳感器量程為100mm，所以測試差動變壓器線圈也為100mm，鐵芯也為100mm。用此差動變壓器和AD698組成測量系統做位移測量測試，將鐵芯剛進入線圈定義為位移0mm位置，將鐵芯完全離開線圈定義為位移200mm位置。鐵芯位移與輸出電壓的關系如圖4所示。

從圖4可以看出，位移在50～150mm范圍內曲線呈現近似直線，曲線并非理想直線，主要是因為測試線圈為手工繞制，線圈分布不均勻所致，用機器繞制的均勻線圈可大大提高此段曲線的直線度。此段距離為100mm，剛好滿足100mm的測試量程。

4 結語

本文給出了智能井井下閥門開度的檢測方法。選用差動變壓器位移檢測方法，并設計了以AD698為核心的激勵信號產生即信號調理電路。測量裝置實驗表明，閥門的開度也即鐵芯的位移量與測量電路的輸出電壓成正比關系，輸出電壓能較準確地衡量閥門的開度。