CN102383761B - 基于光纤光栅传感检测的井下流量控制阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于光纤光栅传感检测的井下流量控制阀，包括有计算机控制系统、动力电源、电机驱动系统、执行机构和光纤光栅检测系统，电机驱动机构，执行机构和光纤光栅检测机构形成流量控制阀，其中：所述的计算机控制系统与动力电源相连，所述的动力电源通过电机驱动系统与执行机构相连，所述的执行机构与光纤光栅检测系统相连。本发明优点主要是：抗干扰能力强，测量方式是绝对的实时的，并具有自校正功能，测量结果具有良好的重复性，减小了驱动系统的驱动力。

Description

基于光纤光栅传感检测的井下流量控制阀

技术领域

本发明涉及能源开采装备技术领域，是具体的是涉及一种基于光纤光栅传感检测的井下流量控制阀。

背景技术

随着国内油气勘探技术的发展，很多油田开采已进入了高含水后期，并且出现越来越多储层复杂的油藏和油气田，常规的完井方式已经不能满足这些井的要求。因此，智能完井作为新型技术，受到越来越多的关注。智能完井在井下引入监测控制系统，它不仅能够实现多层同时开采，也能单独开采其中的某一层，具有采集、传输及分析井眼生产数据、油藏数据和全井生产链数据能力，以远程控制方式改善对油藏动态和生产动态的监控。目前，智能完井技术在国外已经应用到水平井、大位移井、分枝井、边远井和水下采油树井及多层采油井和注水井。然而在我国，智能完井仍是一个相当薄弱的环节。在开采控制过程中，分层开采基本得到实现，但是对流量的精确控制，受到工作环境的制约，依然存在问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术提供一种基于光纤光栅传感检测的井下流量控制阀，其能够减小信号的衰减，提高信号的抗干扰能力，能够实时获得阀门的位移信息，并用以精确控制智能完井的流量，使能源得到合理的开采。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

基于光纤光栅传感检测的井下流量控制阀，主要包括有计算机控制系统、动力电源、电机驱动系统、执行机构和光纤光栅检测系统，电机驱动机构，执行机构和光纤光栅检测机构形成流量控制阀，其中：

所述的计算机控制系统与动力电源相连，用于发射控制信号，

所述的动力电源通过电机驱动系统与执行机构相连，所述的执行机构为滑套阀，其包括有套筒、抗剪环、内滑套和外滑套，用于控制阀门的大小，外滑套和下接头连接，而内滑套和套筒通过在它们之间设置的抗剪环固定连接，内滑套随套筒左右移动，且内滑套的外表面和外滑套的内表面接触配合，外滑套和内滑套上分别设置有外孔和内孔，

所述的执行机构与光纤光栅检测系统相连。     

按上述方案，所述的光纤光栅检测系统包括有推杆、弹簧、弹性体、光纤光栅、光纤解调仪和数据处理系统，其用于实时检测流量控制阀开度的大小，所述的推杆与套筒螺纹连接，推杆的另一端接有弹簧，弹簧可将力传给弹性体，光纤光栅贴合在弹性体上，光纤光栅与光纤解调仪和数据处理系统相连，数据处理系统与计算机控制系统相连。

用光纤光栅检测系统检测流量控制阀开度的过程是：套筒在被驱动而左右移动时，套筒就随之左右移动，这样推杆的另一端就压缩或拉伸弹簧，弹簧又使弹性体产生应变，该应变被光纤光栅感应到，光纤光栅就输出光信号，光信号传回地面后经过光纤解调仪和数据处理系统的处理，最后就得到流量控制阀的阀门的位移量，根据实际需要，光纤光栅检测的是阀门的大位移信号。

按上述方案，所述的电机驱动系统包含有微型电机、减速器，联轴器、传动轴和滚珠丝杠，微型电机与减速器相连，以输出所需动力，联轴器连接减速器的输出轴和传动轴，传动轴和滚珠丝杠之间进行螺纹联接，滚珠丝杠与套筒相连。

所述的微型电机通过减速器和联轴器驱动传动轴旋转，传动轴又带动滚珠丝杠转动，使滚珠丝杠上的套筒做直线运动。

按上述方案，所述的内滑套采用轴对称结构。其完全处于井筒液中，它在移动的过程中不承受井筒液在其上因为压力差产生的压力，只承受由于密封作用产生的摩擦力。因此，无论井筒液压力有多大，电机驱动系统产生的推拉力是不变的。

按上述方案，所述的内滑套的内径左右两端设置有上转换头和下转换头。其可在电机驱动系统失效等紧急情况下使用，使用的过程是：从地面放下辅助油井作业的转位工具，使转位工具作用于上转换头和下转换头，给转位工具施加力，当该力足够大时，作用于套筒和内滑套之间的抗剪环被剪断，内滑套被释放并随着转换工具上下移动。

本发明的动力电源连接流量控制阀和电缆，它的作用就是，根据单片机发送的信号适时的接通或关闭微型电机的电源。

本发明的压力平衡系统结构是电机驱动系统较为关键的环节，它能够平衡井筒内流体的压力，减缓井筒液体对内滑套轴向的作用力，使滚珠丝杠和滑套处于类似大气工作状态。

本发明流量控制阀位移量测量的方法是：当外滑套和内滑套中的外孔和内孔对齐时，流量控制阀打开，流量大小可直接根据两孔大小比例和油筒内处压力值得到；当两孔完全没有对齐时，流量控制阀关闭，流量为零；当两孔部分重叠打开时，通过光纤光栅得到两孔的重叠量，也就是内滑套的位移量，再加上内外孔的大小比例和内外油筒的压力值可计算获得流量大小。

本发明的计算机控制系统包含计算机人机交互界面和单片机系统，人机交互界面用来给单片机发送控制参数和回放数据内容等，单片机系统用于根据控制参数给动力电源发送控制信号。

本发明的工作过程是：地面计算机控制系统通过动力电源将控制信号传到井下微型电机，微型电机通过减速器、联轴器、传动轴和滚珠丝杠(或螺杆)等驱动内滑套，这样就改变了流量控制阀的开度。流量控制阀开度大小的检测是基于光纤光栅的位置检测，阀门在动作的过程中使弹性体产生应变，光纤光栅感应到应变，将其转换为光信号，光信号传到地面后经过光纤解调仪和数据处理系统的预处理，最终转换为阀门的实时位移量，实时位移量最后传到计算机控制系统，再将光信号进行处理得到流量控制阀的位移大小，也就是得到阀门实时开度的大小，这样就通过闭环反馈实时地监测并控制了流量。

本发明与现有的智能完井系统相比，其优点主要是：使用光纤光栅传感器替代普通的传感器，抗干扰能力强，它能从本质上排除各种光强起伏引起的干扰。这种测量方式是绝对的实时的，并具有自校正功能，即在光纤进行定标后，光纤光栅提供的信号是一种绝对变化值，无需知道前一时刻的测量值。测量结果具有良好的重复性。另外，设计的压力平衡系统结构使阀门动作的时候只承受摩擦力，减小了驱动系统的驱动力。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的原理图；

图3为本发明的装配图主视图；

图中：1、电机驱动系统  2、流量控制阀  3、封隔器  4、套管  5、油管  6、微型电机  7、减速器  8、联轴器  9、连接轴  10、丝杠  11、套筒  12、抗剪环  13、外滑套  14、内滑套  15、内孔  16、外孔  17、下接头  18、下转换头  19、推杆  20、弹簧  21、上转换头  22、弹性体  23、光纤光栅。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供的是一种基于光纤光栅传感检测的井下流量控制阀，其总体结构示意图如图1所示：主要包括有计算机控制系统、动力电源、电机驱动系统1、执行机构和光纤光栅检测系统，电机驱动机构，执行机构和光纤光栅检测机构形成流量控制阀2，其中地面的计算机控制系统与井下信号线（电缆线和光缆线）相连，井下信号线随着套管4放到井下，封隔器3作用于套管4和油管5之间，它的作用是封隔各油层。封隔器间的电缆线用于电机驱动系统1，光缆线连接流量控制阀2，用于传输测量的表示阀开度的光信号，光纤光栅检测系统就设计在内滑套机械结构旁，方便实时检测位移信号。

下面结合原理图简单说明本发明的工作过程：

如图2所示：计算机控制系统通过动力电源适时的给电机驱动系统传送控制信号，电机驱动系统根据控制信号驱动执行机构动作，这样改变了流量控制阀的开度大小。光纤光栅检测系统检测到应变，输出相应的光信号，光信号传回地面，经过光纤解调仪，数据预处理，最终转换为流量控制阀的实时位移量，实时位移量最后传给计算机控制系统。综上所述，根据设定的位移信号与实际的位移信号可以实时的控制流量控制阀开度的大小，也就是实时的控制流量。流量的大小是可以根据流量控制阀位移数据、内外孔的大小比例和内外油筒的压力计算获得的，也就是可以准确的得到当前流量大小。

本发明的装配图主视图如图3所示。

本发明的流量控制阀整体上是轴对称结构，两端分别接有连接头，便于上下连接。在流量控制阀内部，中心通孔相对于整体也是对称的，不是偏心式的。为了有效的利用空间，把电机驱动机构和光纤光栅检测机构平行安排在中心通孔两边，电机驱动机构和执行机构安排在同一边，它们通过套筒11连接起来，也就是，电机驱动机构通过套筒11驱动执行机构，光纤光栅检测机构通过测量套筒11的位移量得到阀门的开度大小。

所述的电机驱动系统包含有微型电机6、减速器7，联轴器8、传动轴9和滚珠丝杠10，微型电机6与减速器7相连，以输出所需动力，联轴器8连接减速器7的输出轴和传动轴9，传动轴9和滚珠丝杠10之间进行螺纹联接，滚珠丝杠10与套筒11相连。

所述的微型电机6通过减速器7和联轴器8驱动传动轴9旋转，传动轴9又带动滚珠丝杠10转动，使滚珠丝杠10上的套筒11做直线运动。

所述的执行机构为流量控制阀中处于压力平衡系统结构中的滑套阀，其包括有套筒11、抗剪环12、内滑套14和外滑套13，用于控制阀门的大小，外滑套13固定不动，其与下接头17连接，而内滑套14和套筒11通过在它们之间设置的抗剪环12固定连接，内滑套14随套筒11左右移动，且内滑套14的外表面和外滑套13的内表面接触配合，外滑套13和内滑套14上分别设置有外孔16和内孔15。

当套筒11做直线运动时，内滑套14会随着套筒11左右移动，这样内外滑套就会有相对运动，另外，内滑套14移动的行程有上下限位，不会发生滚珠丝杠10超程等情况。

光纤光栅检测系统主要包括有推杆19、弹簧20、弹性体22、光纤光栅23、光纤解调仪和数据处理系统，其用于实时检测流量控制阀开度的大小，套筒11与推杆19连接在一起，推杆19的另一端接有弹簧20，弹簧20可将力传给弹性体22，光纤光栅23贴合在弹性体22上。因此，套筒11在被驱动左右移动时，推杆19就随之左右移动，这样推杆19另一端就压缩或拉伸弹簧20，弹簧20又使弹性体22产生应变，该应变被光纤光栅23感应到，光纤光栅23就输出光信号，光信号传回地面后经过光纤解调仪和数据处理系统的处理，最后就得到流量控制阀的阀门的位移量。由于实际需要，流量控制阀的行程比较大，这里用光纤光栅检测的是阀门的大位移信号。

流量控制阀开度大小的计算方法：当外滑套13和内滑套14中的外孔16和内孔15对齐时，流量控制阀打开，流量大小可直接根据两孔大小比例和油筒内处压力值得到；当两孔完全没有对齐时，流量控制阀关闭，流量为零；当两孔部分重叠打开时，通过光纤光栅得到两孔的重叠量，也就是内滑套14的位移量，再加上内外孔的大小比例和内外油筒的压力值可计算获得流量大小。

本发明的压力平衡系统结构是电机驱动系统较为关键的环节，它能够平衡井筒内流体的压力，减缓井筒液体对内滑套14轴向的作用力，使滚珠丝杠10和滑套11处于类似大气工作状态。该部分最为关键的是内滑套14的设计。内滑套14采用轴对称结构，完全处于井筒液中，它在移动的过程中不承受井筒液在其上因为压力差产生的压力，只承受由于密封作用产生的摩擦力。因此，无论井筒液压力有多大，电机驱动系统产生的推拉力是不变的。

本发明在紧急情况下使用的结构部分为：在内滑套14的内径左右两端设计有上转换头21和下转换头18。当电机驱动系统失效时，从地面放下辅助油井作业的转位工具，转位工具作用于上转换头21和下转换头18，给转位工具施加力，当该力足够大时，作用于套筒11和内滑套14之间的抗剪环12被剪断，内滑套14被释放并可以随着转换工具上下移动。这样，就将智能流量控制方法转换成传统流量控制方法，由于流量控制阀阀门的行程是有上下限位的，更加便于传统方法的操作，因此，延长了本发明的生命周期。

Claims (4)

1.基于光纤光栅传感检测的井下流量控制阀，其特征在于主要包括有计算机控制系统、动力电源、电机驱动系统（1）、执行机构和光纤光栅检测系统，电机驱动机构，执行机构和光纤光栅检测系统形成流量控制阀（2），其中：

所述的计算机控制系统与动力电源相连，用于发射控制信号，

所述的动力电源通过电机驱动系统（1）与执行机构相连，所述的执行机构为滑套阀，其包括有套筒（11）、抗剪环（12）、内滑套（14）和外滑套（13），用于控制阀门的大小，外滑套（13）和下接头（17）连接，而内滑套（14）和套筒（11）通过在它们之间设置的抗剪环（12）固定连接，内滑套（14）随套筒（11）左右移动，且内滑套（14）的外表面和外滑套（13）的内表面接触配合，外滑套（13）和内滑套（14）上分别设置有外孔（16）和内孔（15），

所述的执行机构与光纤光栅检测系统相连，所述的光纤光栅检测系统包括有推杆（19）、弹簧（20）、弹性体（22）、光纤光栅（23）、光纤解调仪和数据处理系统，其用于实时检测流量控制阀开度的大小，所述的推杆（19）与套筒（11）螺纹连接，推杆（19）的另一端接有弹簧（20），弹簧（20）可将力传给弹性体（22），光纤光栅（23）贴合在弹性体（22）上，光纤光栅与光纤解调仪和数据处理系统相连，数据处理系统与计算机控制系统相连。

2.按权利要求1所述的基于光纤光栅传感检测的井下流量控制阀，其特征在于所述的电机驱动系统包含有微型电机（6）、减速器（7），联轴器（8）、传动轴（9）和滚珠丝杠（10），微型电机（6）与减速器（7）相连，以输出所需动力，联轴器（8）连接减速器（7）的输出轴和传动轴（9），传动轴（9）和滚珠丝杠（10）之间进行螺纹联接，滚珠丝杠（10）与套筒（11）相连。

3.按权利要求1所述的基于光纤光栅传感检测的井下流量控制阀，其特征在于所述的内滑套（14）采用轴对称结构。

4.按权利要求1所述的基于光纤光栅传感检测的井下流量控制阀，其特征在于所述的内滑套（14）的内径左右两端设置有上转换头（21）和下转换头（18）。

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