智能完井井下智能滑套位移監測系統研制

劉景超 王金龍 武宇琛

摘要：針對我國油氣田液控式智能滑套技術存在缺陷、嚴重制約其應用與推廣的問題，研制了一種可以實現滑套位移精準測量的監測系統，并進行了工程樣機研制及現場試驗。該監測系統根據非接觸式線性可變差動變壓器式監測原理設計。研究與試驗結果表明：該監測系統實現了液控式井下智能滑套開度精準監測，使液控式智能完井可以對井下智能閉環調控產量精準控制；監測系統采用同心線性結構，可以與現有的液控式智能滑套連接，無需對現有滑套進行結構修改；可以使液控式井下流量控制閥省去J形槽往復式機械定位機構，簡化了地面液壓控制操作流程；滑套位移監測精準，單芯電纜信號傳輸穩定。所得結論可為實現完井井下滑套閉環智能控制提供技術支撐。

關鍵詞：智能完井；井下智能滑套；位移監測；模塊；單芯電纜

0 引 言

國內智能完井技術經過多年的發展，在10余個油田近千口油水井得到廣泛應用。與常規完井技術相比，智能完井技術可以提高單井產量10％以上，注水效率18%以上，使含水體積分數降低10％以上，可改善油藏管理，避免層間干擾，免除或減少常規測試和修井作業，有效預防油藏水體突破，真正實現少井高產的目的［1-4］。

國內智能完井液控式井下智能滑套（FCV）無位移傳感器，多采用J形導向限位槽機械定位機構，需地面液力推動滑套帶動銷釘沿著J形導向限位槽上下反復移動到設計位置，每個設計位置對應一個滑套移動位置［5-6］。地面經過多次操作后已經無法確定井下滑套的具體移動位置，實際流量與預期調控流量有很大的誤差，無法實現產量精準調控。當前，國外智能完井液控式智能滑套配備滑套位移傳感器，可以精確測量滑套的位移量［7-8］。但是，該技術處于壟斷狀態，對外售價昂貴，與我國現有的液控式智能滑套結構不配套，無法配套使用；并且每個位移傳感器需要單獨的電纜供電與傳輸信號，多個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，不適用于國內普遍使用的單芯鋼管電纜信號傳輸方式。國內液控式智能滑套的技術缺陷嚴重制約了智能完井技術在我國油氣田的應用與推廣。

為此，筆者研制了一種不需要改變現有的液控式智能滑套結構就可以實現滑套位移精準測量的監測系統。該系統具有整體結構簡單、靈敏度高、抗干擾能力強、加工成本低、便于快速投入使用與通用性強的特點。

1 技術分析

井下智能滑套位移監測系統根據非接觸式線性可變差動變壓器式監測原理設計，位移監測精度可以達到1 mm。控制電路框圖如圖1所示。

1.1 整體結構

井下智能滑套位移監測系統主要由保護筒、下接頭、油管短節、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、電源降壓電路、位移信號監測電路、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構增強鋼管電纜與保護筒電纜穿越孔之間的密封性。井下智能滑套位移傳感器結構如圖2所示。

1.2 工作原理

井下智能滑套位移監測系統采用電感式測量方法。位移線圈纏繞在位移線圈托管上，兩者一起插入保護筒內，電源降壓電路、位移信號監測電路與通信電路固定在位移線圈托管上，構成位移檢測器。將位移檢測器插入保護筒內，通過下接頭將位移檢測器固定在保護筒內。單芯鋼管電纜穿過保護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筒上，并與電纜密封接頭構成雙重密封。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，給位移信號監測電路與通信電路供電。位移信號監測電路通過三芯軟電纜給位移線圈供電并傳輸信號。滑套連接短節將井下智能滑套的內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腔中且可以自由滑動。因此，當井下智能滑套的內滑套移動時，帶動鐵芯筒在通電位移線圈中移動，引起位移線圈的磁通量變化，使位移線圈輸出電壓值信號，電壓值信號經過位移信號監測電路與通信電路轉換成滑套位移量并通過單芯電纜傳輸到地面。通過地面開度監測軟件采集與存儲井下智能滑套位移監測系統的位移監測信號，并實時顯示出當前滑套的開度與位移量。系統主要技術參數如表1所示。

2 系統硬件設計

井下智能滑套位移監測系統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、位移信號監測電路和通信電路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，長度各265 mm （根據滑套實際行程設計）。位移線圈通過1號線輸入±15 V正弦波激勵信號并產生感應電流；3號線連接負極，碳鋼材質的鐵芯筒插入位移線圈托管內自由滑動，鐵芯筒的中心與一次繞組中心對齊；位移線圈2號線輸出的2組線圈的電壓差值為0。當鐵芯筒的中心所處位置發生了偏移，引起一次繞組與二次繞組的磁通量變化，2號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號線輸出電壓值信號隨著鐵芯筒的移動慢慢遞增或遞減；鐵芯筒的位置變化與位移線圈輸出的電壓值信號線性相關。滑套位移傳感器原理示意圖如圖3所示。由于碳鋼屬于強磁合金，會對位移線圈產生電磁干擾，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構，兩端為O形密封圈密封面，與保護筒內腔構成密封腔，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如圖4所示。鐵芯筒、卡爪定位筒與托管工程樣機如圖5所示。通過保護筒上的注入孔將封裝膠注入密封腔內，封裝位移線圈與3塊控制電路，以增強位移線圈、3塊控制電路的密封性與抗震性。

2.2 位移信號監測電路

位移信號監測電路主要由電源模塊、滑套位移數據采集模塊與滑套位移監測模塊組成。

2.2.1 位移信號監測電路電源模塊

使用ASM1117作為5 V供電電源，為滑套位移數據采集模塊供電。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。為防止位移線圈發熱對測量結果產生影響，使用2個DC-DC轉換器A1215S并聯，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，為滑套位移監測模塊供電。位移信號監測電路電源模塊工作溫度可達125 ℃。位移信號監測電路設計如圖6所示。

2.2.2 滑套位移監測模塊

使用耐高溫的AD698作為滑套位移監測模塊的核心芯片，封裝工作溫度可達到125 ℃。設置AD698內部振蕩器產生±15 V正弦激勵信號，為位移線圈供電。基于AD698設計信號調理電路，采集位移線圈2號線輸出的正弦電壓信號，濾波后消除位移線圈發熱和采樣誤差對位移測量的影響，將濾波后的數據轉化為滑套位移數據采集模塊可采樣的0～5 V直流電壓信號。電路設計如圖7所示。

2.2.3 滑套位移數據采集模塊

將滑套位移傳感器放入恒溫箱中，模擬井下環境溫度125 ℃，通過滑套位移監測模塊給位移線圈1號線輸入±15 V正弦波激勵信號，用萬用表監測信號調理電路輸出的電壓值，將測試得到的數據繪制成鐵芯筒位移與位移線圈輸出電壓之間的關系曲線圖，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公司生產的DSPIC30F4011作為采集與處理滑套位移監測模塊和溫度信號處理模塊輸出信號的主控芯片。DSPIC30F4011擁有10位ADC、2個FIFO緩沖區的串口通信模塊，封裝后工作溫度可達到125 ℃，滿足井下工作需求。將表1中位移線圈輸出電壓信號與鐵芯筒位移的關系式編輯成滑套監測程序輸入到DSPIC30F4011主控芯片內。所有子模塊的系統初始化，包括系統時鐘初始化設置為主振蕩器模式、UART初始化、I/O端口初始化、片內ADC初始化。整個系統初始化完成之后，采集滑套位移監測模塊輸出的直流電壓模擬信號，利用中值平均濾波算法濾除直流電壓數據中的一些脈沖干擾信號。將濾波后的電壓數據通過設定程序處理后得到滑套位移數字量，通過主控芯片內部數模轉化器，將滑套位移數字量轉換成數字信號并傳輸至通信電路。滑套位移數據采集模塊電路如圖9所示。

2.3 通信電路

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

2.3.1 電源模塊

電源模塊包括穩壓電路和降壓電路。穩壓電路采用LM2576系列穩壓芯片將電源降壓電路輸入的12 V電壓轉換成中間過渡電圧5 V，可減小穩壓壓差，保證穩壓芯片正常工作。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。穩壓電路和降壓電路設計如圖11所示。

2.3.2 編碼程序

編碼主要是為了實現信號傳輸，采用電壓幅值來表示二進制，使用STM32芯片作為執行編碼程序的微處理器。位移信號監測電路傳輸的滑套位移實時信號經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 信號耦合模塊

使用AFE031芯片作為信號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，能與電力線進行電容耦合或變壓器耦合。通過4連線串行外設接口SPI與STM32通信。內部含有4個不同的放大器和2個濾波器，放大器的增益與濾波器的帶寬可調。其中PA放大器需單獨供電，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，再給位移信號監測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進行解耦和解碼，得到真實的井下智能滑套位移數據。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分離，使用AFE031芯片進行采集信號與解耦，外部無源帶通濾波器可去除任何不需要的外部信號。AFE031集成芯片解耦電路如圖15所示。

2.5.2 解碼模塊

經解耦模塊處理后的信號將由STM32芯片內的解碼模塊進行曼徹斯特解碼，將解碼后的數字信號轉換成模擬信號，通過通信接口模塊傳輸到地面開度監測模塊。解碼流程如圖16所示。

2.5.3 通信接口模塊

通信系統使用RS485總線通信方式，所以收發器選用MAX485芯片。MAX485芯片內部電路只由1個驅動器和接收器構成。驅動器輸入端與接收器輸出端分別對應芯片外部引腳DI和RO，并分別與微處理器STM32外部引腳RX和TX相連，以進行串行通信。RE和DE引腳分別為接收和發送使能端，因為RS485是半雙工通信方式，使用1個微處理器外部引腳使MAX485具備收發功能，A、B引腳分別是接收和發送的差分信號端，在2個引腳間增加匹配150 kΩ電阻保證其阻抗連續性。通信接口模塊電路如圖17所示。

2.6 地面開度監測模塊

地面開度監測模塊使用LabVIEW軟件搭建，設有可視化用戶界面，可通過串口通信及VI調用等實現模塊初始化、數據下載及顯示功能。LabVIEW中對于串口通信有完整的模塊可以調用，利用Visa Configure Serial Port節點便捷設置波特率、有無奇偶校驗、數據位數以及停止位位數。使用Visa Write節點和Visa Read節點對串口進行讀寫操作，寫指令與讀指令之間應加入適當的延時。控制程序流程如圖18所示。

3 現場試驗

2021年12月，將井下智能滑套位移監測系統與FCV工程樣機串聯后，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的某測試井中，進行FCV位移監測試驗。工程樣機如圖19所示。智能滑套位移監測系統位移監測過程如圖20所示。FCV調整開度驅動壓力曲線如圖21所示。

由圖20可知，井下智能滑套位移監測系統既能精確測量滑套位移，又可準確定位滑套開度。

由圖21可以看出，FCV滑套每移動到一個開度會產生一個壓力波峰，即每個壓力波峰對應一個開度位置，壓力波峰變化過程與圖20滑套位移監測結果一致。井下智能滑套位移監測系統實現了FCV開度的實時監測，達到了預期目的。

4 結 論

（1）井下智能滑套位移監測系統實現了液控式井下智能滑套開度的精準監測，使液控式智能完井可以對井下智能閉環調控產量精準控制。

（2）井下智能滑套位移監測系統采用同心線性結構，通過選用不同結構的滑套連接短節可以簡單快速與現有的液控式智能滑套連接，不需要對現有的液控式智能滑套進行結構修改。

（3）井下智能滑套位移監測系統的研制可以使液控式井下流量控制閥，省去J形槽往復式機械定位機構，大大簡化地面液壓控制操作流程。

（4）現場測試井試驗結果表明，井下智能滑套位移監測系統的滑套位移監測精準，單芯電纜信號傳輸穩定，滿足現場要求。

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基金項目： 國家自然科學基金面上項目 “多層合采智能完井節點優化組合模型研究” （５１２７４１６５）