（机械工程专业论文）基于光纤光栅检测的井下流量控制阀的研究.pdf

中文摘要 随着经济的飞速发展，我国每年对石油的需求量非常大，而国内已发现的油 田大部分处于开采中后期：高含水期，因此，要充分发挥各油层的作用，提高原 油的采收率。目前，国内主要采用了分层开采技术，它分为机械式分层开采技术 和微控制器分层开采技术。机械分层开采技术的缺点是结构复杂，分层时工作繁 琐，效率低，没有流量控制系统，采收率不高。微控制器分层开采技术的缺点是 无法实时准确的测量流量，信号干扰严重，很难实现地面和井下的通讯功能。但 是，由于微控制器分层开采技术开始采用流量控制系统进行流量控制，显著提高 了石油的开采率。 在这一背景下，针对流量不能精确控制和信息干扰严重的问题，本文提出了 一种基于光纤光栅传感的井下流量控制阀开度检测系统。该系统采用光纤光栅传 感技术实现了地面装置和井下流量控制阀无干扰信号传输方式，还可以实时获得 井下流量信息，减少了传统常规作业。论文的主要工作内容如下： 一 1 介绍了井下流量控制阀的国内外研究现状，提出采用光纤光栅检测流量 方法的应用前景。 2 分析了光纤光栅传感的基本原理和光纤光栅测量应变的基本原理，确定了 光纤光栅用于井下流量控制阀的可行性，为光纤光栅开度检测系统的结构设计打 下了基础。 3 分析了井下流量控制阀的使用要求，提出了井下流量控制阀的总体方案， 论文工作中设计了井下流量控制阀，并对设计过程中的重要结构进行了研究与仿 真。 4 根据井下流量控制阀的设计特点设计了开度检测系统，该检测系统主要检 测内滑套的位移量，从而确定内外滑套的相对位移量，经过计算可得到流量的大 小。另外，对开度检测系统进行理论分析时，也对系统的关键组成部分进行了选 择与仿真。 5 开度检测系统进行了大位移检测的实验室实验，经实验验证，光纤光栅能 够准确、可靠的测量阀的开度，实现对流量的检测，为井下流量控制提供了三种 新的有效方法。 关键词：井下流量控制阀；光纤光栅；开度检测系统；薄片弹性体 a b s t r a c t w i n lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i ci nr e c e n ty e a r s 。o u rc o u n t r yn e e d sm o r e a n dm o r eo i l b u td o m e s t i co i lf i e l d sh a v eb e e nl o c a t i n gi nt h ep o s t - m i n i n g ：t h eh i g h w a t e rc u ts t a g e s ow en e e dt om a k ef u l lu s eo fe a c ho i ll a y e r sa n di n c r e a s et h eo i l r e c o v e r yr a t i o a tp r e s e n t ，c h i n am a i n l yu t i l i z e ss l i c em i n i n gt e c h n o l o g y i ti n c l u d e s t h em e c h a n i c a ls l i c em i n i n gt e c h n o l o g ya n dm i c r o c o n t r o l l e rs l i c em i n i n gt e c h n o l o g y 1 1 1 ed r a w b a c k so fm e c h a n i c a ls l i c e m i n i n gt e c h n o l o g y a r ec o m p l e xs t r u c t u r e 。 c u m b e r s o m ew o r k i n gp r o c e s s ，l o we f f i c i e n c y , n of l o wc o n t r o ls y s t e ma n dl o w r e c o v e r yr a t i o t h em i c r o c o n t r o l l e rc o n t r o ls l i c em i n i n gt e c h n o l o g yc a n n o tm e a s u r e t h ef l o wa c c u r a t e l y a n ds i g n a li n t e r f e r e n c ei ss os e r i o u st h a tt h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h es u r f a c ea n dd o w n - h o l ei sd i f f i c u l t b e c a u s eo ft h eu s eo ft h ef l o wc o n t r o l s y s t e mf o rf l o wc o n t r o l ，i ti m p r o v e sr e c o v e r yr a t i oe v i d e n t l y i nt h i sb a c k g r o u n d ，b e c a u s eo ft h ei n a c c u r a c yo ff l o wc o n t r o la n dt h ed i f f i c u l to f m e s s a g et r a n s m i s s i o n , t h ep a p e rb r o u g h tf o n ht h eo p e n i n gd e t e c t i o ns y s t e mo f d o w n - h o l ef l o wc o n t r o lv a l v eb a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n g t h es y s t e m u t i l i z e sf i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g yt or e a l i z ei n t e r f e r e n c e - f r e es i g n a l t r a n s m i s s i o n ，g e tr e a l - t i m ei n f o r m a t i o no f t h eu n d e r g r o u n df l o w , r e d u c et r a d i t i o n a l r o u t i n et a s k t h ed e t a i l e dc o n t e n to ft h i sp a p e rs h o w sa sf o l l o w s ： 1 t h i sp a p e rg i v e st h eb a c k g r o u n do fd o w n - h o l ef l o wc o n t r o lv a l v eb o t ha t h o m ea n da b r o a d ，a n di ta l s op r o p o s e st h eg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c to fd o w n - h o j e f l o wc o n t r o lv a l v eb a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n g 2 n i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l eo ff i b e rg r a t i n gs e n s o ra n df i b e r b r a g gg r a t i n gs t r a i nm e a s u r e m e n t ，a n dt od e t e r m i n et h ea d v a n t a g e so f af i b e rb r a g g g r a t i n gf o rt h eo p e n i n gd e t e c t i o ns y s t e mo ft h ed o w n - h o l ef l o w c o n t r o lv a l v eb a s e do n f i b e rb r a g gg r a t i n gs t r u c t u r ed e s i g n 3 i ta n a l y z e st h eo p e r a t i n gr e q u i r e m e n t so fd o w n - h o l ef l o wc o n t r o lv a l v e ，a n d g e t st h eo v e r a l lp r o g r a mo fd o w n - h o l ef l o wc o n t r o lv a l v e w ed e s i g nt h ed o w n - h o l e f l o wc o n t r o lv a l v ef o re a s yf l o wc o n t r o la n dd os o m er e s e a r c h e sa n ds i m u l a t i o n so n i m p o r t a n ts t r u c t u r e 4 a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nf e a t u r e so ft h ed o w n - h o l ef l o wc o n t r o lv a l v e ，w e d e s i g nt h eo p e n i n gd e t e c t i o ns y s t e m t h es y s t e mi su s e d t od e t e c tt h ed i s p l a c e m e n to f t h ei n n e rs l e e v e ，a n dg e t st h er e l a t i v ed i s p l a c e m e n to ft h ei n n e ra n do u t e rs l e e v e a f t e r n c a l c u l a t i o n ，i tg e t st h es i z eo ft h ea v a i l a b l ef l o w i na d d i t i o n , w el l l a k es o m e t h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h es y s t e m , c h o o s ea n ds i m u l a t eak e yc o m p o n e n t 5 d os o m ed i s p l a c e m e n td e t e c t i o nl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t so ft h eo p e n i n g d e t e c t i o ns y s t e m , a n dp r o v e db ye x p e r i m e n t st h a tt h ef i b e rg r a t i n gc a nb ea c c u r a t e ， r e l i a b l em e a s u r e m e n to fv a l v eo p e n i n g ，r e a l i z et h ef l o wd e t e c t i o n s ot h i st h e s i s p r o v i d e sa n e we f f e c t i v em e t l l o df o rd o w n - h o l ef l o wc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：d o w n - h o l ef l o wc o n t r o lv a l v e ；f i b e rb r a g gg r a t i n gt e c h n o l o g y ；o p e n i n g d e t e c t i o ns y s t e m ；s h e e te l a s t o m e r h i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究的背景与意义 第1 章绪论 石油被称为“黄金血液，它是一个国家国民经济的重要支柱。随着经济的 发展，各国对石油的消耗量越来越大，这意味着各国对石油的需求量也越来越 大。然而，石油具有在短期内属于不可再生资源的特性，以及新能源开发进程 缓慢和利用效率低，使国际原油价格持续高涨。特别是我国，近些年大力推动 经济发展，每年对石油的需求量非常大，而国内已发现的油田大部分处于开采 中后期，也就是开采的油液中石油含量极低的高含水期。这些导致我国石油供 应无法自己自足石油短缺的部分一般是通过减少石油出口和增加石油进口来 弥补，随着原油的进口量越来越大，我国已在一定程度上形成了对国际石油市 场的依赖【i j 。据国际能源机构公布的一份报告称，2 0 0 2 年中国石油对外依存度 已经达到3 3 ，中国在2 0 0 3 年就占世界石油消耗量的i 3 ，并且中国石油对外 依存度不断上升【2 】。根据中国能源机构预测，到2 0 2 0 年这个数字很有可能达到 5 0 - 6 0 ，所以我国迫切需要提高在石油开采的相关技术，以提高我国石油 的开采水平，以最大程度提高油气采收率。 大多数油田由多个油层构成，每个油层是一个独立封闭的储油空间。各个 油层在形成时所处的环境不同会导致油层的组成、结构、厚度、压力、温度等 都存在差异，如有的油层质地疏松，其中孔隙不但大而且多，看上去像大气泡， 储油能力比较强；而有的油层质地致密，其中孔隙少而且小，储油能力比较弱。 各油层的特点以及油层间的差异，决定了油层的吸水能力的大小，也决定了是 否需要通过开采井给多个油层开采。在相同压力开采的情况下，质地疏松的油 层会比质地致密的油层容易吸水，也就是，质地疏松的油层中所含的原油比较 容易被水驱散出来，产油量大，油层中的压力下降得也比较快，需要及时补充 水，以维持地层压力平衡。从另一角度看，由于质地疏松，孔隙较大，注入的 水又容易从该油层渗透到油井里，这样会导致原油产量大幅下降，对原油进行 脱水的成本提高。层间差异导致的另一个问题是：当用同样的压力开采时，吸 水能力强的油层大量进水，吸水能力弱的油层进水很少甚至不进水，导致这些 油层里的原油无法开采，造成浪费【引。 针对以上石油同时多层采注方法的不足，为了使各个油层能够合理开采和 武汉理工大学硕士学位论文 均匀开采，能够减小油层间的不利影响，提高各个油层的采油效率，使高、中、 低、渗透性的地层都能发挥开采的作用j 国内外提出了分层开采技术和智能完 井技术。其中，分层开采技术主要分为两类：机械式分层开采技术和采用微电 子技术的智能分层开采技术。分层开采的原理是根据各个油层的性质，在油井 中利用用封隔器将各个油层分隔开形成不同的开采封闭空间，在每一个空间装 有注采器，注采器上装有不同直径喷嘴或者堵塞器，开采时，可以通过安装的 水嘴或者堵塞器来进行分层开采，也可以通过改变水嘴直径的大小控制相应油 层的开采量，达到合理配水、开采的目的【4 】，也就是：分层开采技术解决了各油 层合理开采问题。但是井下各层开采流量误差较大，需要反复的将堵塞器提到 地面根据经验进行手工调节校正，费时费工效率较低。一些采用电子控制流量 的接术，在信号传输过程中，由于层间干扰严重和电子电路中元器件精度的影 响，很难达到准确调节流量的目的。为了消除油层间的干扰，实现对各油层油 液流量的准确控制，最终实现各油层间的油液的优化配置和生产效率的提高， 本论文提出“基于光纤光栅传感的井下流量控制阀开度检测系统的研究 。 1 2 国内外井下流量控制方法的研究现状分析 进入2 1 世纪以来，随着经济和石油工业的发展，各国对石油的需求量越来 越大，石油行业的技术受到了各国的重视，石油工业由成熟迈向了智能化和全 自动化，而井下流量控制技术已经成为石油开采领域的重要技术之一。迄今为 止，在墨西哥湾深水区，加拿大的大西洋水域和亚太等地区，约有1 3 0 口智能 井中都使用了井下流量控制技术，达到最终产量的优化，显著提高了原油的采 收率。因此，流量需要进行控制，这有利于资源的合理优化配置，有利于提高 原油采收率，这是石油开采发展的重要方向。 1 z t 国内井下流量控制方法研究现状 目前，我国石油开采工具主要分为机械结构系统和流量控制系统两个部分。 机械结构系统主要是机械分层开采法，该方法采用无检测的流量控制方法，阀 门只有打开和关闭两种状态。在2 0 世纪9 0 年代，为了保持油田井下油层压力 与提高原油采收率，尤其是油田开采方面，我国已经开始了分层开采新技术和 新工艺的探索，并在少量油田实践中取得了良好的增油效果。7 0 年代以来，大 庆油田的采油一厂、采油四厂和采油五厂都以不同形式先后将“多层开采控制一 2 武汉理工大学硕士学位论文 作为课题进行立项攻关，研制出了多种机械分层开采技术和工具【5 l 。 江汉油田研制了可调层机械堵水技术【6 】o 这种堵水技术，可进行任意层段的 找水、堵水，不必重复堵水作业，在井口就可直接调整井下封堵层位。该技术 分为液压调层技术和电动调层技术两种类型。液压调层技术是通过对套管中的 液体加压实现对油层的打开和关闭；电动调层技术是先利用钢珠对管柱加压， 然后通过使电缆上提或下放实现滑套开关器的打开或关闭。 濮城油田研究开发了能够多级多段高压分注、带水嘴坐封、逐级验封的新 型偏心分层开采技术【7 1 如图卜l 所示。该开采技术通过对管柱压力的控制实现分 层开采；通过下入井下流量计实现分层配注。 ， 爿 够 一 夕 蕾主曩冲 l i 注术层广 姗1 1 4 a 配术薯 吕 殳 往东旺 ) 冀1 1 4 a 配术 呈 叉 注木晨) 呲1 1 4 a 配术誓 t 俺击奠 、畸z 埠炜 耳 弭 翦百一 二k r r j i ii l l 人上并纛 图卜1 分注管柱示意图 吉林油田研制的智能找水测试仪是一套集压力测试、温度测试和定时开关 为一体的智能化井下找水测试装置【8 l 9 1 ，找水测试管柱结构示意图如图卜2 所示 该装置的机械部分采用电机驱动，能够实现机械开关的打开和关闭；该装置的 控制部分采用单片机进行控制它能够存储程序，发出控制指令，采集和存储 压力和温度的信息：并且，当装置取回地面时，它能够通过与计算机通讯，实 现数据的转存和相关p - t 曲线、t - t 曲线的回放等工作。该工艺的特点是：一次 管柱可以实现多层同时测试；生产层可独立生产，生产层间不相互干扰；实时 采集存储井下单层的压力和温度信息，并且采集频率可调 3 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 2 找水测试管柱结构示意图 大连理工大学研制了一种井下阀门控制系统【l 们，利用单片机组成的计时与 控制单元，配合多级封隔器，实现一次井下作业配合地面操作进行分层开采和 轮番采油。厦门大学，南京航天航空大学等大学研制了一种油井开采阀门智能 调节系统【l 。控制系统的控制核心是采用中高档p i c 单片机技，它由阀门时间 设定器( 主机) 和油井阀门控制器( 从机) 构成。主机设计为手持设备，可在 地面对多个从机进行多个时间设定，并对设定的时间数据进行处理和显示。从 机将连同封隔器和防砂管柱一起下入井中，在主机设定的时间到后，驱动电机 拖动相应的油井阀门打开或关闭，并能够在电机发生堵转时自动切断电源1 1 2 h u l 。 这社方法实现了不动管柱可进行分层开采的目的。 从以上分析中可以看出机械分层开采技术虽然对提高了石油的产量，但是 依然存在许多不足之处：机械传动结构复杂，传递的动力小，导致封堵能力差， 容易产生卡沙等问题，从而使阀门不能处于正常的工作状态，影响探测的准确 性；如果需要关闭某一油层，就要在油田上进行许多道工序的作业，耗费大量 人力和物力。除此之外，这些机械分层开采方法只是初步实现了对原油的开采， 没有实现对原油资源的优化配置。为了克服这些问题，提出了智能完井技术。 该技术不仅能够具有分层找堵水的功能，还具有流量控制功能，在国内得到了 一定的发展。 河南油田研制了多级常压分注、高压分注等系列的小直径分层开采工艺技 术【1 4 】，如图卜3 所示。该技术主要包括分层开采井下管柱的设计和偏心钢丝投 捞测试工艺两部分。其主要特点是：管柱外直径为9 5 m m ，能通过最小通径大于 9 7 m m ，并在内径为9 9 m m - - 1 2 4 m m 的多种套管内进行机械分层开采：小直径偏 心配水器采用笔尖式导向机构，导向性能好；配套的定压开启偏心配水堵塞器， 可带水嘴坐封，减少了投捞测试工作量；常规投捞调配技术与井下电子流量计 测试技术相结合，解决了小直径分层开采投捞测试问题。 武汉理工大学硕士学位论文 当 x p x y 3 4 l 5 小i 蛋壕 ，f t r i l l i 图1 - 3 小直径分层开采管柱示意图 伍朝东【1 5 】【1 6 】等人研制了井下智能分层采油技术，它能够一趟管柱实现井下 找水、堵水、生产、调层、测试等多项功能。用封隔器将井下各层位封隔，管 柱上对应的每一个目的层段安装一套智能开关器。找堵水过程中井下智能开关 能按照设定的时间顺序自动打开或关闭油层，实现油井的找水、堵水措施，达 到任意选层开采，降水增油的目的。在生产过程中，内置压力计可连续监测分 层压力资料，分析油层分层参数( 分层压力、渗透率、污染系数) 等资料，为精 细掌握油藏动态特性提供依据。井下智能分层找堵水技术的核心为内置的智能 开关器，图l _ 4 为其结构示意图。开关器设计为工具短节，上下与油管连接。 短节与油层沟通并开有上下层位的直通孔。液体进入短节后由球阀、出液筒进 入油管。开关器内有电池、电路板( 微处理器) 、电机驱动机构等装置，通过微 处理器控制电机运转，从而带动阀体运动来实现层位的打开和关闭。开关器内 置有压力传感器，时刻监测井下压力的变化，作为微处理器程序运行的判断依 据。管柱结构示意图如图卜5 。 戬三徽 籀答心 蹙瓠j 接头 孵封腔 避敞孔 违通孔 连按摩 j i i 力仪 上爵水封隔器 智麓开芙翻 堵水封啊嚣 钾能歼天群 堵水封隅嚣 蜓封球庸 图1 - 4 智能开关器图1 - 5 管柱结构示意图 武汉理工大学硕士学位论文 i 以上介绍的智能完井技术克服了机械分层开采技术的机械传动结构复杂， 传递动力小，封堵能力差，容易产生卡沙而使阀门不能处于正常工作状态，影 响探测的准确性等的缺点，实现了对流量的基本控制，但是，该技术始终没能 解决单层瞬时流量准确度低和层间干扰问题。为了克服这些问题，许多研究所 做出大量的研究实验，采用各种流量控制系统和流量控制方法，对阀门进行开 度检测。 大庆石油研究所研究的聚合物多层分注井下流量控制阀【r 刀，采用热流散失 法测试井下流量，结构简图如图1 - 6 所示。上接头l 与外壳2 连接，节流芯3 外表面有多个环形降压槽，定位在外壳2 内的台阶上，并与外壳2 的内表面组 合成特殊的过流通道。图1 - 7 为多层分注管柱简图，将多层分注管下入井内， 封隔器7 将油层9 分隔开来，聚合物溶液由地面设备泵入井下油管5 后，溶液 流经井下流量控制装置8 的内孔后井下节流芯3 与外壳2 之间环形通道，经过 逐级降压后，再通过节流压差来实现对流量的控制，溶液最后经外壳2 上的出 液孔进入油管5 与套管6 环形空间后注入油层9 。该装置采用的是热流散失测试 井下流量方法，原理是：当把一根热金属丝置于液流中时，由于热交换作用，热 金属丝的热量将会被液流带走，从而使金属丝的温度发生变化。温度变化的大 小和快慢决定于下列因素：液体的流速；热金属丝和液体间的温度差；液体的 物理特性：金属丝的物理性质和几何尺寸。由于后三项是预先可以知道的，从 而就可以在热金属丝的温度和液体流速之间建立起一一对应的关系，因此，将 液体流速乘以管道的横截面积即可以得出流体的流量。 图l - 6 结构简图图l - 7 多层分注管柱简图 大庆油田研究所还使用了井下同步测调装置、桥式偏心配水器和堵塞器组 6 武汉理工大学硕士学位论文 成的智能流量控制系统【1 8 】，通过活塞传动杆与阀门的重合度来推算流量的大小。 图卜8 中的桥式偏心配水器内有测试装置，桥式通道8 是进水孔，可使水向下 一个油层流动。图1 - 9 中的可调堵塞器要放到配水器中，活塞传动杆的位移决 定进水阀门的开度。 一i l 一。 89 101 1 图1 - 8 桥式偏心配水器结构原理图 授捞扦废话l 侉弓6 杼 凸轮慑弦讥伯 出木口进未日 一 = = i _ 一 - ，1 日f u u _ _ u u i c 一 ；qi l 、 卡坎 腔璺塑堕曼多l 图1 - 9 可调堵塞器结构原理 西南石油大学研究的采用节流压差法进行井下微流量控制【i9 1 ，井下流量测 量装置结构示意图如图i - 1 0 所示。装置内置两个压力传感器和数据采集卡，可 实时采集节流元件两端压力传感器信号并进行简单处理。由于多芯接头与随钻 测井装置连接，可以把简单处理的数据送到地面分析，这样就可得到井底实时 的环空流速，即流量。节流元件以井下稳定器作为参考结构，使用多级节流的 方法，便于钻井液能顺利通过而不发生阻塞。 蔷盔誓鬻溪攀爱瑟蒸薹誊蠢湓翟翟翟滋誊寒凌刊 图i - 1 0 井下流量测量装置结构示意图 另外，据不完全统计，国内各大仪器仪表厂，如上海仪器仪表有限公司和 井冈山仪器仪表有限公司等，对完井的流量控制系统研究开发了多年，到现在 依然没有开发出成熟运用于市场的产品。可以说，井下流量控制技术在我国还 属于起步阶段，采用微电子技术、光纤光栅传感技术等先进技术实现流量准确 的方法应用的并不多。 7 恶 阿电 武汉理工大学硕士学位论文 要提高采收率和优化产量，提石油行业的竞争力，就要把握住石油工业的 关键技术，发展井下流量控制技术，因此，提出一种能解决流量准确控制问题， 并能减少层间干扰问题的检测系统是解决井下流量控制的最佳方法：光纤光栅 大位移检测方法。 1 2 2 国外井下流量控制方法研究现状 国外石油工业技术发展领先于我国，大部分石油公司和服务商提供的油井 控制系统已经迈向了智能化，典型的就是智能完井系统。同时，国外的流量控 制技术都已进行了大量的基础理论和技术研究工作，基本实现了油井的井下实 时控制和优化，目前的研究趋势是进一步提高计量精度。 在9 0 年代后期，b a k e r h u g h e s 、s c h l u m b e r g e r ，a b b 和r o x a r 等几家公司都 开发了对井下进行监控的智能完井技术。1 9 9 7 年b a k e rp e t r o l e u m t o o l s 和 s c h l u m b e r g e r 公司联合开发了电子智能流量控制系统，称为“i n - - c h a r g e 。b a k e r p e t r o l e u mt o o l s 还单独在b a k e r 自己的c m 滑套基础上研制了一个水力操作系 统，称为“i n f o r c e 刀。这两个系统都是由无干扰流量控制技术构成，充分利用了 c m 型滑套和t 系列安全阀的保护遥控性能；被驱动的遥控液压滑套能够很快的 消除复杂环境中的各种干扰，滑套由能够重复活动的双液压控制线在地面进行 打开或开关的操作，使不稳定试井期间的井筒储存效应减至最低限度，缩短试井 的关井时间。这两种系统于1 9 9 9 年和2 0 0 0 年在b r a z i lr o n - - - c a d o r 油田和挪 威的s n o h e 油田得到了现场应用 2 0 1 。 b a k e r 公司开发了旋转滑套阀和移动锥形阀两种流量控制装置【2 1 1 ，它们都属 于机械式流量控制方式，如图1 - 1 1 和图1 - 1 2 所示。在图卜1 1 旋转滑套阀流量 控制阀中，微型电机6 2 直接带动小齿轮6 4 旋转，与小齿轮6 4 啮合的大齿轮6 6 则与内滑套6 8 是一个整体，外滑套7 0 是固定的。装置中安装了位置传感器， 可以通过测量内滑套6 8 的位置，间接确定内槽7 4 与外槽7 2 之间的重合大小， 从而间接测量得到流量的大小。 在图1 - 1 2 移动锥形阀流量控制阀中，锥形阀1 8 可以左右移动。在一个流 量控制阀中有8 个锥形阀，这8 个锥形阀可以交错排列，可以平行排列，可以 长短不一致，这些根据实际工作需要来选择。外孔3 2 与内孔3 4 交错开，利用 锥形阀前端的圆柱长度测量流量，该方法可以很精确的测量液体的流量。 8 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 1 1 旋转滑套阀流量控制装置 图1 - 1 2 移动锥形阀流量控制装置 b a k e r 公司还开发了被动测量控制装置和主动流量控制方式。被动流量控制 系统1 2 2 】结构简图如图1 - 1 3 ，油液流通过程为：油液经过过滤装置1 1 0 ，流向流 速控制装置1 2 0 ，流经流量控制装置1 4 0 ，最后进入内管道。流量控制装置结构 简图如图1 - 1 4 所示，被动流量控制的原理是：流量控制元件1 4 4 采用密度敏感 材料制作，它的密度比空气重，比油液轻。当流量控制元件1 4 4 处于油液环境 中时，它会上浮处于打开状态。当流量控制元件1 4 4 处于气体环境中，它会下 沉，处于关闭状态。 图卜1 3 被动流量控制系统结构简图图1 - 1 4 流量控制装置结构简图 主动流量控制系统【2 3 l 【刎采用的是液压控制系统，控制原理图如图卜1 5 所示， 压力控制阀如图1 - 1 6 所示。液压控制原理是：当输入油液进入系统时，活塞2 2 被推动向右移动直到其端面2 8 和套筒3 6 接触，这样关闭了下油路：输入油液 的压力继续增大时，阀芯1 4 向右移动打开上油路，油液最终进入液压驱动装置 1 8 实现驱动。该系统控制的流量就是通过阀芯周围的液体量。通过调整阀芯与 9 武汉理工大学硕士学位论文 套筒的径向间隙，使流量随温度的变化不大，实现对流量的精确控制。当阀芯 的热膨胀系数大于套简的热膨胀系数时，温度升高，减小阀芯与套筒的径向间 隙，液压油的粘度也会减小，从而使流量基本保持不变。 在图1 - 1 6 的压力控制阀中，液压控制线4 6 与圆形腔4 4 采用粘合剂或机械 连接等方式密封联接；圆形腔4 4 由弹性材料制造，能够在没有结构变形的情况 下膨胀或缩小，可在环境恶劣的情况下使用。流量控制方法是：液压控制线4 6 加肛圆形腔4 4 膨胀，由于管道4 0 阻碍圆形腔的外部径向膨胀，使圆形腔4 4 主要在内部径向和水平方向膨胀；当液压足够大时，流液通孔4 2 就会慢慢地被 关闭，管道4 0 被密封。 图1 - 1 5 液压流量控制原理图图卜1 6 压力控制阀 b a k e r h u g h e s 公司采用了磁感应驱动的方法来精确控制阀门的打开程度，使 得流量控制有多个控制位。该方法主要运用了线性霍尔效应传感器精确控制流 量【2 5 h 2 7 。图1 1 7 为磁感应驱动结构。测量位移的原理就是霍尔效应，即根据各 传感器输出电压的大小确定磁体处在的位置，确定出阀门重叠了多少，从而计 算出阀门打开了多大，计算出流量的大小。可以调节传感器间的距离，使磁体 在任何位置至少有三个传感器对其响应，这样来进一步精确确定磁体的位置， 也就是进一步精确控制流量的大小。另外，可以用霍尔开关取代霍尔传感器， 采用相同的工作原理，利用霍尔效应开关来确定流量的大小。还可以利用磁体 不同的磁极和磁场强度，使传感器的输出不同的原理，使用多个磁体，减少使 用的传感器，缩短了阵列组的长度，从而精确控制流量大小。其中使用的驱动 衬套方式可以是机械驱动，也可以是液压驱动。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 7 磁感应驱动结构 s c h l u m b e r g e r 公司研究的液压控制系统控制的是阀门的两条液压控制线， 利用它们之间的压差驱动阀门【2 8 】【3 0 1 。阀门只有打开和关闭两种状态，流量大小 是不变的。当阀门到达打开或关闭的位置后，即使压降减小，内部套爪都会使 阀门固定住。在多层完井中，每层都有一条公共液压控制线和一条独立的液压 控制线。由于设计的活塞是完全平衡，使该阀可以下到任意深度。该公司还研 究了一种单线流量控制阀，阀中具有一条液压电气控制线。加压时，它驱动阀 门到所需的控制位；泄压时，它在气弹簧的作用下自动返回到适当的位置。系 统采用的j 型槽分度计使阀门具有1 1 个控制位。 s c h l u m b e r g e r 公司采用了电磁感应驱动方法来驱动阀门动作【”h 3 3 】。该方法 主要介绍了利用电磁感应效应驱动流量控制系统。流量控制系统的结构示意图 如图1 1 8 所示。地面控制器将控制信号通过导线传送到驱动器，驱动器可以在 二个或多个状态位置间进行转换。执行机构在未通电的状态下放入井筒，如阀 门处于锁定状态，关闭位置。放置好后，地面控制器传送第一个电信号给驱动 器，驱动器驱动执行机构，使驱动器从锁定状态转换到未锁定状态，如阀门解 锁，可自由移动。接着传送第二个信号，使执行机构从第一位置转到第二位置， 如阀门从关闭位置到打开位置。然后，终止第一个信号，执行机构将锁定在第 二位置。简而言之，第一信号用来锁定或解锁执行机构，其余信号用来将执行 机构转换到二个或多个位置。 武汉理工大学硕士学位论文 冀。i 缱1 图1 1 8 电磁感应驱动结构示意图 该系统的驱动器如图1 1 9 所示。其中的f 液是磁流变液或电流变液，它的 材料会随着施加的能源场，如电场、磁场，来改变自身的流变特性。f 液的作用 是l 控制两元件间的摩擦力大小。f 液控制摩擦力原理是：存在于f 液中的可渗 透的磁性粒子改变磁发生器产生的磁通线，即改变了磁通量，使摩擦力变化， 从而改变了移动件的移动状况。驱动过程可分为三个模式。 第一个模式是驱动器以断电模式放入井下，即磁发生器6 4 和磁导线6 8 没 有供给电源。此时驱动器是锁定状态。 第二个模式是驱动器处于通电模式。驱动器先解锁，然后才能够驱动可移 动件的移动。 第三个模式是移动足够距离后，磁发生器6 4 和磁导线6 8 都断电，驱动器 重新锁定。 、 图1 1 9 电磁感应驱动器结构 哈里伯顿公司m h 3 6 1 发明了数字式液压井下控制系统如图1 - 2 0 所示，该系统 采用的是液压驱动方法这是一种全液压、多点智能完井系统，提供简单可靠 的分区控制，包括最复杂的油层。它通过三个液压控制线控制六个流量控制设 备。控制原理是：地面控制器和井下工具是通过压力信号的有和无通信的，当 压力超过2 0 0 0 p s i 信号为“l ”，当低于5 0 0 p s i 为0 ，每个流量控制阀配有解码器 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( d e c o d e r ) ，解码器可以拒绝其他编码和程序。 i l l t r t l j j t h m l t 、j 、i t h i f f f ，f 、 图1 2 0 数字式液压井下控制系统 根据总结，国外各大公司的井下流量控制装置主要有：液压装置，电磁感 应装置，电动机装置，电潜泵装置，被动驱动装置和磁感应装置f 3 州4 7 1 。流量控 制的方法有：液压法，无干扰流量控制法，组合电动流量控制法和磁感应测量 法等。但是将光纤光栅传感技术运用到井下流量控制阀中，通过检测阀门的位 移大小间接测量流量的方法，在国外还是比较少的。 b a k e r 公司把光纤光栅制作成光纤光谱仪，分析油液成分【4 8 】。将光纤的纤芯 剥离出来与油液接触，光在光纤中传播，当光到达纤芯时，若光的入射角小于 临界角，光在纤芯和油液的接触面上发生反射和折射，并且折射光进入油液中。 否则，光发生全反射。当光发生全反射时，反射光会以指数衰减形式越出纤芯， 形成一个渐逝场。因此，光在经过样品液时，总会衰减。这样，可以得到一个 变细的反射光谱。 美国c i d r a 公司在光纤压力监测研究方面处于前沿，他们发现了布喇格光 纤光栅传感器对压力的线性响应【4 9 1 。2 0 0 1 年，该公司的光纤光栅压力传感箍在 英国b p 公司下安装，监测应力变化，结果表明其具有足够高的可靠性【5 们。 以上表明，在国外将光纤光栅运用到对油井的流量监测的方法已经进行了 大量研究和应用。该方法能提供连续、高精度的实时测量数据，并且有长期可 靠性的保证，这代表着当前流量监测技术的发展方向。因此，将光纤光栅应用 到流量控制中具有独特的优势。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 论文的主要研究内容 我国很多油田逐渐进入高含水期，石油工业的开采技术由机械分层开采技 术走向了智能完井技术，并且逐渐市场化成熟化。根据对国内外现状的研究， 结合现有的智能完井技术不能实时准确的测量井下流量的特点，针对当前地面 与井下控制装置之间的信息通讯容易受干扰与传输困难的问题，提出了一种基 于光纤光栅传感的井下流量控制阀，阀中利用光纤光栅的特性设计了开度检测 系统。该系统采用了极具商业价值的光纤光栅传感技术，光栅能够连续、高精 度的实时测量数据，光纤能够准确的传输数据，光纤光栅为智能完井技术的流 量控制方向提供了一种新的可靠性高、稳定性高和抗干扰的流量检测方法。该 系统可以实时获得井下流量信息，减少了传统常规作业，为节约资金提供了新 途径。论文结构及内容安排如下： 第一章绪论主要阐述了课题的研究背景和意义，通过分析油层找堵水新技 术和国内外研究现状，找出现有方法的不足，提出了基于光纤光栅传感的井下 流量控制阀开度检测系统的流量控制新方法。 第二章光纤光栅检测原理主要阐述了光纤光栅检测的基本原理以及利用光 纤光栅测量应变的两种基本结构和计算方法。 第三章首先从整体上提出基于光纤光栅传感的井下流量控制阀系统的总体 方案，然后对井下流量控制阀进行总体结构设计，并对其基本工作原理和装置 密封性进行研究。同时对开度检测系统进行了详细的方案分析，解决了弹性体 的选择问题，并对整个开度检测系统进行理论分析和相关仿真，以确定整个方 案是有效可行的。 第四章详细阐述基于光纤光栅传感的开度检测系统大位移检测实验。首先 明确大位移检测实验目的和实验系统，然后通过实验操作获得所需要的位移与 中心波长相对应的原始数据，并对实验数据进行处理，最后将实验结果和理论 值进行对比分析，最终得出本实验的结论。 第五章总结本论文所做的相关研究、设计和实验内容，并针对基于光纤光 栅传感的井下流量控制阀以及其开度检测系统在油井的实际运用过程中可能出 现的问题，提出可以深入研究的若干内容和方向。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光纤光栅检测原理 近几年，随着光纤光栅制作工艺的不断提高，特别是光纤光栅自动化生产 平台的建立，制作出高性能、低成本的可靠光纤光栅已经成为现实。同时，随 着对波长解调技术的深入研究和成熟，扩大了光纤光栅传感器的应用范围，使 光纤光栅成为目前最有发展前途和最具代表性的无源器件之一【5 l 】。 2 1 光纤光栅检测的基本原理 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性( 外界入射光子和纤芯内锗离子相互作 用收起折射率的永久性变化) ，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在 纤芯内形成一个窄带的( 透射或反射) 滤波或反射镜【5 1 1 。 由耦合波理论可得，光纤可将传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传 输的导模而形成窄带反射，当满足相位匹配条件时，光栅的b r a g g 波长为： 厶= 2 a ( 2 一1 ) 式中，如为b r a g g 波长；，嘧为光纤传播模式的有效折射率；人为光栅周期可 以看出，光纤光栅的反射波长主要取决于光栅周期人和有效折射率力酊p 。因此， 当外部非电量场，如温度、应变、应力等作用于光栅上时。光栅周期就会发生 变化，这样就改变了光纤光栅反射波长的大小。 光纤光栅传感原理如图2 - 1 所示，当宽带光源入射进光纤后，经过光纤光栅 会有波长为式( 2 - 1 ) 的光返回，其他的光将透射。也就是说，光纤光栅反射光 中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况。光纤光栅的中心波长变化与 温度和应变的关系为： 厶= 如l ( + a , ) a t + ( 1 一以) 了a c ti - 如【( + a ) a t + ( 1 一p , ) a s 】 ( 2 - 2 ) l 1 ，3 1 其中p 。= 一去以谚2 【( 1 一u ) p 1 2 一4 p l i 】 二 式中有，耳为光纤扬氏模量：瓯为热膨胀系数：t ；t n 为热光系数；r 为温度的 变化量；a t r 为应力的变化量：p 。和p ：为光纤的弹光系数；以为有效弹光系数 式( 2 2 ) 中，第一项代表温度对光纤光栅反射波长的影响，第二项代表应变对 光栅的作用【引】。普通石英光纤，则有：力= 1 4 6 、p = 0 1 6 、毋i = 0 1 2 、毋2 = o 丑， 则= 0 2 2 。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 光栅光纤 图2 - 1 光纤光栅传感原理图 由于制作光纤光栅传感器的材料本身对温度敏感，所以传感器在测量其他 物理量时，不可避免会受到外界环境温度的干扰。在实现对动态应变的准确检 测中，所处环境的温度是缓慢变化的一个过程，对中心波长变化影响是低频的， 通常不会与动态的应变的激励频率一致，并且，光纤光栅的温度系数较小，其 灵敏度不高，因此，可以通过低频滤波去除环境温度变化对波长变化的影响。 若使用的光纤光栅所处环境温度变化很微小，可忽略不计，中心波长变化主要 受到应变作用的影响，因此，普通石英光纤光栅反射波长的偏移为： 一 华：( 1 一c 弦：0 7 8 占 ( 2 3 ) 如