许辉,李金华，李长江
西安思坦仪器有限公司,西安,710065
摘要：对目前油井分层采油仪器应用现状，提出一种油井无线智能测试仪设计方案。文章中详细介绍了仪器结构，对关键性电路设计及压力脉冲控制设计给出实现方法。井下智能采油开关对油田分层开采下增产降耗具有重要的意义。
关键词：采油开关、压力控制、分层采油
Design of downhole intelligent oil production switch
XU Hui, LI Jinhua, LI Changjiang
(Xi’an Sitan Instrument Co.,Ltd, Xi’an, 710065)
Abstract: according to the application status of oil well separate layer production instrument, a design scheme of wireless intelligent testing instrument for oil well is proposed. In this paper, the structure of the instrument is introduced in detail, and the realization method of the key circuit design and pressure pulse control design is given. The downhole intelligent oil production switch is of great significance for increasing production and reducing consumption under separate layer production.
Key words: production switch, pressure control, separate layer production
井下智能分层采油开关只需一趟管柱就实现了找水、堵水、生产、调层、测试等多项功能。其原理是用封隔器将井下各层位分隔，管柱上对应每一个目的层位安装一套采油开关，找堵水过程中采油开关能按照设定的时间顺序自动打开或关闭油层，无需地面复杂的操作，就可实现油井的找水、堵水措施，达到任意选层开采，降水增油的目的【1】。对于具有压控功能的采油开关，在地面情况有变化需要调整打开关闭时间和顺序的时候，可以通过地面打压力脉冲的方式改变采油开关的油嘴状态进行临时调整。
1．仪器概述
井下智能采油开关为存储式仪器，内置电池供电，下井前根据开采需求在地面设置油嘴的控制时序，下井后仪器根据预设的控制时序自动运行。对于带压控功能的仪器，可以通过地面向井下施加压力脉冲的方式进行干预。在施工时连接油管一同下井，每个生产层位上均装一个井下智能采油开关，层间用封隔器隔开，实现分层开采与调控。井下智能采油开关可用于垂直井、定向井及水平井，可配合机械式封隔器或液压式封隔器配合杆式泵及管式泵使用。采油开关设计有存储式压力计接口，可以外挂两支存储式压力计，进行地层压力测试。
2.仪器机械结构
井下智能采油开关结构可分为油嘴组件、单向阀组件、电机组件、压控组件、电路板组件及电池组件。电机组件带动油嘴组件实现对当前油层的开采与关闭。单向阀组件能够实现井液单向流动，确保井液能够从地层流入仪器，反向阻断。
压控组件能够实时监测油管内压力变化，接收地面向井下施加的压力脉冲信号，通过电路板解码，得到仪器的调控信息。对于需要压控功能型号的仪器，必须安装单向阀组件。井下智能采油开关整机外径为89mm，可外衬108mm割缝筛管，割缝筛管长度可根据现场需要进行选取。仪器上下两端均为油管扣公扣，电池组件端为仪器上端。现场安装时，将上图中开关基体电池端插入油管内，用管钳打紧油管扣。仪器与整体管柱连接完成后，仅开关基体外露，其余部分均包含在油管内。
3．电路设计
整个电路系统主要实现功能是电机正反转控制、上位机通信、定时开关以及霍尔计数和压力采样。电路系统由两部分组成，分别为电机控制电路，主控电路。两电路PCB分开,避免电机控制电路强电流对主控电路干扰。
3.1 霍尔技术
霍尔传感器采用Allegro公司的单极性霍尔开关，在高温高压下具有较高稳定性，灵敏度高、体积小。在霍尔靠近磁钢的过程中，霍尔的3脚Vout产生下降沿，4个磁钢在丝杠圆周上均匀分布，丝杠旋转一周霍尔将产生4个下降沿；丝杠的单圈行程为2mm，用单片机对Vout下降沿计数，当下降沿个数加一时，开度的最小控制行程为0.5mm。
3.2压力测量
压力传感器需在井下永久性进行油管内压力长期采集，为压力波控制实时采集压力数据，对于其所使用的温度和压力，传感器都可以满足在高温150℃，高压60MPa井况下长期使用的要求。压力传感器选择KELLER公司的传感器，其测量精度可达0.25%，传感器经过分辨率标检修正温度漂移和非线性可进一步提高压力采集准确度。
3.3电机驱动
井下智能采油开关电机采用直流碳刷电机，额定12V供电情况下，输出6Nm扭矩，电机电流400mA，转速2.1rpm。电机驱动采用高可靠性的H桥式驱动电路，该电路井下控制芯片通过功率三极管组成的驱动电路来控制两组MOS管和功率放大管的通断继而实现电机的正反转，为了获知电机转动电流大小，井下控制芯片也可以实时监测电机电流并及时控制管脚的状态实现电机的过流保护。在控制芯片的输出管脚和电机控制管脚之间接一个反相器，避免井下控制芯片在初始化时，因管脚状态不确定或欠压导致MOS管和三极管全部导通的情况。行程开关实现了限位和电机在机械上的通断控制，防止电机因电路故障无法停转。
4.压力脉冲控制
当井下智能分层采油开关下井完成后可以采集油管内压力脉冲变化进行相应油嘴动作。因此，可通过压力脉冲方式改变下井前设定好的开关时间序列，即通过在地面打压力脉冲的方式对仪器的开关时间序列进行干预。在地面向油管内按照一定指令格式打水压，将控制命令传输到井下，井下智能分层采油开关测量压力的变化并进行数字解码，控制电机动作打开或关闭产层。带有压控功能的井下智能采油开关器内安装有单向阀，防止加压时液体进入地层。
压力脉冲每一个命令都以高低压组合变化实现，高压需高于低压5Mpa以上，脉冲开始以持续5分钟的高压作为起始位；中间的一段低压用来区分开关器层位，第一层10分钟，第二层20分钟，以此类推；后面紧接的高压为命令，持续5分钟为关命令，10分钟为开命令，20分钟为全开，25分钟为全关。这种方式的优点是可以让地面打压操作最少，只需加两次压即可完成一个层位的操作。
5.结论
本文给出的井下智能分层采油开关设计方案，可实现油井分层油嘴定时开关控制及压力波远程控制。通过下挂存储式压力计配合开关时序可轻松获取到井下分层产液流压和底层恢复压力，仪器机构简单并可多次重复使用，值得推广。
参考文献
钟兴水.油田开发测井技术[M].石油大学出版社,1992
Zhong Xingshui. Oilfield development logging technology [M]. Petroleum University Press, 1992