智能井井下阀门开度检测方法

张旭涛 刘福刚 袁璐 李杰

摘 要：针对井下地层流体控制阀的阀门开度检测问题，采用电感式位移检测方法来检测阀门开度以适应智能井井下工作环境要求，利用LVDT/RVDT信号处理集成芯片AD698设计了激励信号产生电路与输出信号处理电路，测试了手工绕制的电感式位移传感器的信号-位移关系，测试表明测量电路的输出电压与铁芯（阀门）的位移量线性度良好。

关键词：智能井；阀门开度检测；AD698

智能井技术是一项新型的油藏/油井生产管理技术。这是一种利用放置在井下的永久性传感器实时采集井下设备的工况以及生产层段的压力、温度等参数，通过通信电缆或光缆将采集的信号传输到地面，利用开发的软件平台对数据进行挖掘、分析和学习，采用油藏数值模拟和油藏动态描述技术来优化油藏生产管理，并通过调节井下不同层段的地层流体控制阀的状态，实现对油藏的动态优化控制，从而提高油井产量和最终采收率的生产技术。

智能井系统的结构原理如图1所示，地面操作系统将采集到的底层中流体流量、温度、压力等参数进行描述和优化后再来控制层间流体控制阀（ICV）的开度，在整个系统中获取阀门的开度量非常重要，一方面，阀门开度是阀门调节负反馈系统中一个重要参数；另一反面，阀门开度也是井下流體流量的一个重要参考指标，因此，研究井下阀门开度检测方法具有重要意义。

1 测量方案选择

井下流量控制阀采用的是直线移动滑套阀，阀门开度对应着滑套相对位移的大小，因此，检测阀门开度就转化为测量滑套直线位移的问题。测量位移的方法很多，考虑到井下高温、高压、复杂的流体介质和有限的安装空间等因素笔者选用LVDT/RVDT即差动变压器式传感器，其测量原理如图2所示。该检测装置由信号处理短节、感应线圈、铁芯、连接套、阀芯等所组成。其工作原理是：线圈与铁芯构成阀位检测传感器，铁芯通过连接套与阀芯连接，当阀芯运动时，铁芯随之运动，使电感线圈的电感量变化；该信号被送入信号处理短节，经处理以后送出与阀门开度成一定关系的直流信号，从而实现阀门开度的检测。该方法最大的特点是测量装置无任何机械磨损，特别适合井下对稳定性要求高不易检修的特殊要求。

2 测量电路设计

由于井下空间有限且对稳定性要求很高，本文选用专用的位移检测集成芯片AD698芯片来设计测量电路。AD公司生产的AD698是一种LVDT/RVDT信号处理芯片，它是在一个芯片上集成了既能产生LVDT/RVDT传感器激励信号，又能对LVDT/RVDT传感器的输出信号进行处理的单片式线性位移差分变压器信号调理系统。

AD698的主要技术指标为：输出电压范围为-11～+11V；输出电流为11mA；激励电压范围为2.1～24V；激励频率范围为20Hz～20kHz；电源电压范围为13～16V。本文选定的位移传感器激励信号电压 要求为7V，采用双电源供电方案，电源电压为±15V。AD698及其外围电路的电路图如图3所示。

其中需要对R1、R2、R3、R4、C1、C2、C3、C4共8个外接元件进行计算选择，其具体计算方法如下。

⑴确定测量系统的激励频率。一般情况下，LVDT/RVDT的激励频率fexc选择为系统机械带宽fsubsvstem的10倍左右。在本文的阀门机械系统带宽在300Hz左右，所以测量系统的激励频率为

（2）根据激励信号频率与C1的关系：

按瓷片电容序列，10nF即103的瓷片电容比较靠近11.67nF，那么此时系统的激励频率应该校正为

（3）由激励信号的电压幅值Vexc来决定R1，选激励信号为7V，由激励信号与R1的关系曲线可得R1=5.1KΩ。

（4）C2、C3、C4为AD698位移系统期望带宽的函数，通常要求他们的电容值相等，即

（5满量程输出电压设置。AD698的增益或满量程输出范围是传感器灵敏度S（其值可以在传感器使用手册中查到）、d（从0到满量程磁芯位移）和R2的函数

对于d=±50mm，S=3.6mV/（（ mm）*V）-1的位移传感器

（6）R3和R4可实现输出电压信号的正负补偿调节。

AD转化要求出入电压为0～5V，所以设置偏置电压为 Vos=2.5V，且要求R4开路，因此有

3 测量装置实验测试

本文中的传感器量程为100mm，所以测试差动变压器线圈也为100mm，铁芯也为100mm。用此差动变压器和AD698组成测量系统做位移测量测试，将铁芯刚进入线圈定义为位移0mm位置，将铁芯完全离开线圈定义为位移200mm位置。铁芯位移与输出电压的关系如图4所示。

从图4可以看出，位移在50～150mm范围内曲线呈现近似直线，曲线并非理想直线，主要是因为测试线圈为手工绕制，线圈分布不均匀所致，用机器绕制的均匀线圈可大大提高此段曲线的直线度。此段距离为100mm，刚好满足100mm的测试量程。

4 结语

本文给出了智能井井下阀门开度的检测方法。选用差动变压器位移检测方法，并设计了以AD698为核心的激励信号产生即信号调理电路。测量装置实验表明，阀门的开度也即铁芯的位移量与测量电路的输出电压成正比关系，输出电压能较准确地衡量阀门的开度。