井下智能流量控制阀开度控制系统设计

史登辉1，刘明尧1，岳慧2，徐伟1

（1.武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070；2.中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，北京100020）

来稿日期：2017-04-12

基金项目：武汉市科技计划项目（2014010202010089）作者简介：史登辉，（1992-），男，湖北武汉人，硕士研究生，主要研究方向：机电一体化技术；

刘明尧，（1963-），男，湖北武汉人，博士研究生，教授，主要研究方向：机器人技术、现代制造技术和机电控制及自动化技术

1 引言

国内油田大部分是多层油藏结构，并且层间结构差异大，因此需要进行分层精细生产，井下流量控制是分层精细生产的核心技术。文献[1]对分层注水进行了研究，采用桥式同心配水器为各层注水实现了分层流量控制；文献[2]提出的分层自动注水方案，依靠单片机控制的井下自动循环开关器，使其在井下按照设定程序自动开启和关闭，实现分层精细注水；文献[3]提出的分层找堵水技术，通过地面加压装置实现井下任意油层阀门的开启和关闭，实现了找堵水分层采油；文献[4-5]研制的智能完井系统，其流量控制方法是采用液压或电动的方式控制井下层段控制阀实现井下各层流量的精确控制。因此，井下流量自动控制阀是实现井下分层生产的关键设备。提出了一种井下流量控制阀开度精确控制方法，研究了控制系统的软硬件设计和控制算法。

2 控制系统总体结构

整个控制系统的结构框图，如图1所示。该控制系统以高性能STM32F103CBT7芯片为主控单元，采用模块化设计，主要包括电源调理模块、电压检测模块、电机驱动控制模块、电流监测模块和位置检测模块。控制系统的工作原理是：事先通过地面设置系统，将井下流量控制阀开度位置和执行电机堵转电流等参数，以RS232协议写入单片机中。当需要井下流量控制阀打开时，地面工作人员只需要设置好开关电源的电压参数，通过供电线缆将高压直流电传输到几千米的井下工作层段。此时井下电压检测模块开始检测供电电压。当电压处于阀门打开所设定的电压区间时，单片机将正转指令传给电机驱动模块，电机就会带动阀门机构进行打开；当检测到的供电电压处于反转所设定的电压区间时，单片机将反转指令传给电机驱动模块，电机就会反转带动阀

摘要：井下流量自动控制是实现油层分层开采和控制的重要手段，井下流量自动控制阀则是现代智能井技术的重要装

备。为实现井下流量控制阀的开度控制，采用直流电机作为执行元件带动阀门机构达到预定的开度位置。以高性能低成本的STM32系列芯片为核心控制器设计了井下智能流量控制阀开度控制系统，提出了控制系统的软硬件设计方案和控制策略。针对流量控制阀的开度控制系统，研究了模糊PID 控制算法。实验结果表明，所开发的开度控制系统结构简单，控制精度高，能够满足井下应用要求。关键词：井下流量控制阀；开度控制；模糊PlD 中图分类号：TH16；TP273

文献标识码：A

文章编号：1001-3997（2017）09增-0110-03

Design of Opening Control System for Downhole lntelligent Flow Control Valve

SHI Deng-hui 1，LIU Ming-yao 1，YUE Hui 2，XU Wei 1

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering ，Wuhan University of Technology ，Hubei Wuhan 430070，China ；

2.Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering ，Beijing 100020，China ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Downhole flow automatic control is an important means to realize the stratification and control of oil layers.The downhole flow automatic control valve is an important equipment of modern intelligent well technology.In order to realize the opening control of the downhole flow control valve ，the DC motor is used as the actuator to drive the valve mechanism to reach the predetermined position.The opening control system of the downhole intelligent flow control valve is designed with the high performance and low cost STM32 series chip as the core controller.The hardware and software design scheme and control strategy of the control system are proposed.Aiming at the opening control system of the flow control valve ，the fuzzy PID control algorithm is studied.The experimental results show that the developed opening control system has simple structure and high control precision ，which can meet the requirements of downhole application.Key Woｒdｓ：Downhole Flow Conｔｒol Vａlve ；Opening Conｔｒol ；Fuzzy PID

Machinery Design ＆Manufacture

机械设计与制造

增刊

2017年9月

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