張鳳輝，薛德棟，徐興安，張潔茹

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300345）①

智能完井井下液壓控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

張鳳輝，薛德棟，徐興安，張潔茹

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300345）①

智能完井系統(tǒng)通過傳感器和地層滑套開關(guān)實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)液層的監(jiān)測(cè)和控制，對(duì)油層實(shí)現(xiàn)了多層合采、層間優(yōu)化、單采等多種模式的切換。介紹了國際上通用的智能完井井下液壓控制系統(tǒng)，并結(jié)合分層開采智能完井的技術(shù)要求，提出了一套智能完井井下流量控制解碼器的設(shè)計(jì)方案，通過操縱井下多目的層滑套的開關(guān)從而實(shí)現(xiàn)分層選擇和控制。設(shè)計(jì)的數(shù)字液力解碼器利用3條液壓管線可實(shí)現(xiàn)最多6個(gè)生產(chǎn)層滑套的控制。該方案簡化了現(xiàn)場(chǎng)安裝液控管線的操作，有助于推動(dòng)智能井配套工具的標(biāo)準(zhǔn)化。

智能完井；液控系統(tǒng)；液壓解碼器

1 智能完井技術(shù)特點(diǎn)

智能完井系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程控制的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下生產(chǎn)層流體參數(shù)的監(jiān)測(cè)和產(chǎn)層的控制，滿足了油井生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。智能完井系統(tǒng)包括井下狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和井下流量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)2個(gè)重要組成部分，井下狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用安裝于井下的傳感器通過通訊系統(tǒng)傳輸對(duì)井下流體動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；井下流量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要借助液壓或電力方式對(duì)井下流量控制閥的開關(guān)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)的控制。井下流量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)無需通過鋼絲作業(yè)即可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)層井下工具的遠(yuǎn)程調(diào)控，實(shí)現(xiàn)油井動(dòng)態(tài)的調(diào)整，從而最大程度地保障了油井的正常生產(chǎn)［1-8］。

目前，國際上主要由Welldynamics、Baker Hughes、Schlumberger、Weatherford 4家公司提供智能完井服務(wù)。Welldynamics公司推出以液壓控制為主導(dǎo)的控制系統(tǒng)，包括微型液力（Mini Hydraulics）、直接液力（Direct Hydraulics）、數(shù)字液力（Digtal Hydraulics）等系統(tǒng)，均由液壓控制。Baker Hughes的智能完井控制系統(tǒng)主要包括InCharge系統(tǒng)和InForce系統(tǒng)，但由于InCharge系統(tǒng)為電驅(qū)動(dòng)方式，在油田生產(chǎn)中存在著不穩(wěn)定性［9-11］，因此逐步退出了市場(chǎng)。

各公司的控制系統(tǒng)性能對(duì)比如表1所示。

表1 智能完井控制系統(tǒng)性能對(duì)比

智能完井技術(shù)在海洋石油開發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是未來中海油向深水進(jìn)軍的趨勢(shì)，給智能完井的發(fā)展提供了更廣闊的空間。海上油田作業(yè)成本高，大斜度井、水平井多，傳統(tǒng)的鋼絲電纜作業(yè)既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。智能完井徹底擺脫了傳統(tǒng)鋼絲電纜投撈作業(yè)，無需電纜作業(yè)即可實(shí)時(shí)對(duì)油井產(chǎn)層參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并可對(duì)產(chǎn)層滑套開度大小進(jìn)行調(diào)整，使各產(chǎn)層均勻開采，提高了最終采收率。

2 智能完井液壓控制系統(tǒng)組成

智能完井液壓控制系統(tǒng)主要由井口液壓信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)、控制管線、井下控制閥3部分組成。井口液壓信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)能夠同時(shí)提供液壓動(dòng)力和液壓信號(hào)［12］，同時(shí)還可以設(shè)置1個(gè)門檻壓力，避免雜散信號(hào)的干擾。液壓信號(hào)包括低壓信號(hào)和高壓信號(hào)，通過壓力信號(hào)的轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)液壓井底閥門的開啟及關(guān)閉。

2.1 直接液壓控制系統(tǒng)

直接液壓控制系統(tǒng)是一種簡單的液壓控制系統(tǒng)，如圖1所示。井下控制閥的打開端分別直接與地面控制系統(tǒng)的管線相連，關(guān)閉端共用1條控制管線。例如：當(dāng)2#管線施加壓力時(shí)，推動(dòng)閥門A液壓缸活塞打開閥門；同樣，3#管線可以控制B閥門的開啟，1#管線可以同時(shí)關(guān)閉2個(gè)閥門。直接液壓控制系統(tǒng)液壓缸直接作用于滑套閥門上，能夠極大地提高由于結(jié)垢而被卡住套筒的移動(dòng)能力。

圖1 直接液壓系統(tǒng)

2.2 微型液力控制系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)簡述

微型液力控制系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從簡單可靠的分層控制到最復(fù)雜的智能井的控制。在微型液力控制系統(tǒng)中，利用智能微型液壓解碼器，僅需1條控制管線就可實(shí)現(xiàn)閥門的雙作用驅(qū)動(dòng)功能。液壓控制閥門通過1條液壓管線，利用微型液壓解碼器，經(jīng)過高低壓的變化實(shí)現(xiàn)活塞的開啟與關(guān)閉。

圖2 微型液控控制系統(tǒng)

微型液力控制系統(tǒng)具有3個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

1） 所需控制管線數(shù)量很少，每個(gè)滑套僅需要1條管線即可以實(shí)現(xiàn)滑套的開關(guān)控制。

2） 采用剛性動(dòng)力打開和關(guān)閉ICV，不依賴機(jī)械或空氣彈簧復(fù)原原理操控ICV。

3） 每完成1次活塞沖程，高壓液被排到井筒油管中，這樣就保證液壓系統(tǒng)中都是新鮮的流體，并將小的碎片和沉積物沖出系統(tǒng)。

2.2.2 微型液壓解碼器設(shè)計(jì)

微型液力控制系統(tǒng)的核心技術(shù)在于微型液壓解碼器的設(shè)計(jì)，如圖3所示。液壓管線分別施加高壓與低壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)管線的開啟與關(guān)閉。當(dāng)管線中施加低壓信號(hào)時(shí)（如圖3a），液壓油分別通過管線1進(jìn)入管線2和管線3，低壓信號(hào)不能使液壓換向閥發(fā)生換向，所以管線2中液壓油進(jìn)入液壓活塞，使液壓活塞打開。當(dāng)管線中施加高壓信號(hào)時(shí)（如圖3b），管線中的高壓油分別進(jìn)入管線2和管線3，管線3中的高壓信號(hào)使液壓換向閥發(fā)生換向，管線2中的液壓油通過液壓閥右側(cè)進(jìn)入液壓閥，使液壓閥關(guān)閉。

圖3 微型液控控制井下解碼器原理

2.3 數(shù)字液力控制系統(tǒng)

2.3.1 數(shù)字式液力控制系統(tǒng)概述

數(shù)字式液力控制系統(tǒng)如圖4所示，整個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)為：

1） 可用在陸上、平臺(tái)或水下／海底。

2） 采用全液壓控制方式，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3） 系統(tǒng)與油管壓力或環(huán)空壓力無關(guān)。

4） 下入深度不受限制。

圖4 數(shù)字式液力控制系統(tǒng)

2.3.2 數(shù)字解碼器設(shè)計(jì)

數(shù)字式液力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件在于井下解碼器，井下解碼器設(shè)計(jì)旨在利用有限的液壓管線實(shí)現(xiàn)盡可能多的目的層位置的選擇。數(shù)字式液力控制系統(tǒng)利用n條液壓管線實(shí)現(xiàn)n×（n－1）層的控制。以3條管線為例可以實(shí)現(xiàn)6個(gè)層位的控制，如圖5所示。

圖5 數(shù)字式液力控制系統(tǒng)井下解碼器層位選擇原理

每個(gè)層位的液壓控制滑套分別由2條液壓管線進(jìn)行控制，不同的組合可以實(shí)現(xiàn)3條液壓管線對(duì)6個(gè)地層的控制。智能井井下解碼原理如圖6所示。

圖6 數(shù)字式液力控制系統(tǒng)井下解碼器原理

如果對(duì)第1層進(jìn)行操作時(shí)（如圖6a所示），利用地面的液壓系統(tǒng)對(duì)管線1施加高壓信號(hào)，高壓油進(jìn)入管線4，通過二位二通液控?fù)Q向閥進(jìn)入管線6，高壓信號(hào)使右側(cè)液控閥打開，液控閥處于打開狀態(tài)。此時(shí)給管線2施加高壓信號(hào)，管線中高壓液壓油會(huì)通過管線5進(jìn)入右側(cè)液控閥，從而實(shí)現(xiàn)管線2中的高壓油對(duì)外界的控制，解碼完成。當(dāng)解碼完成后，液壓控制管線1，2的壓力都?xì)w零。右側(cè)液控閥的控制腔壓力為0，閥在彈簧作用下歸位，回歸關(guān)閉狀態(tài)，完成目的層的關(guān)閉。

利用液壓控制管線1，2實(shí)現(xiàn)對(duì)層2的控制（如圖6b所示），利用地面液壓動(dòng)力系統(tǒng)首先對(duì)管線2施加高壓信號(hào)，高壓油會(huì)通過管線4流經(jīng)左側(cè)液控閥到達(dá)右側(cè)液控閥的控制腔，高壓信號(hào)使右側(cè)液控閥處于打開位置，此時(shí)對(duì)管線1施加高壓信號(hào)，管線1中的高壓原油會(huì)通過管線5流經(jīng)右側(cè)液控閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)底層2滑閥的控制，完成了解碼。當(dāng)解碼完成后，液壓控制管線1，2的壓力都?xì)w零，右側(cè)液控閥的控制腔壓力為0，閥在彈簧作用下歸位，回歸關(guān)閉狀態(tài)，完成目的層的關(guān)閉。

利用上述原理，分別利用1，3、2，3管線可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地層3～6的控制。井下解碼器的使用實(shí)現(xiàn)了利用3條液壓管線對(duì)6層地層的控制。

3 結(jié)論

1） 智能完井系統(tǒng)可以滿足海上油田大斜度井、水平井的需要，可以解決深水鋼絲電纜投撈作業(yè)困難的問題；實(shí)時(shí)對(duì)產(chǎn)層參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并對(duì)產(chǎn)層滑套進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，平衡產(chǎn)層壓力，提高采收率。

2） 微型液控控制井下解碼器利用n條管線實(shí)現(xiàn)了對(duì)n個(gè)地層的識(shí)別和動(dòng)力液引導(dǎo)。通過管線高壓與低壓的變化，實(shí)現(xiàn)了每條管線對(duì)1個(gè)地層的控制。這種系統(tǒng)適用于地層層數(shù)小于3層的油井。

3） 數(shù)字式液力控制系統(tǒng)井下解碼器利用n條液壓管線通過解碼裝置實(shí)現(xiàn)了n×（n－1）個(gè)生產(chǎn)層位的識(shí)別和動(dòng)力液引導(dǎo)。如果不需要解碼裝置，實(shí)現(xiàn)6層的控制最少需要7條液壓管線，解碼裝置的使用大幅減少了管線數(shù)量。

4） 目前智能完井層數(shù)應(yīng)用的最多為6層，使用最多的為2～3個(gè)生產(chǎn)層。對(duì)于2層的智能井系統(tǒng)，則利用微型液控系統(tǒng)；對(duì)于大于3層的智能井，則利用數(shù)字式液力控制系統(tǒng)。這2種系統(tǒng)能滿足油田的需要，同時(shí)也有利于智能井完井配套工具的標(biāo)準(zhǔn)化。

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Study of Key Technologies of Down Hole Hydraulic Control System in Intelligent Well Completion

Intelligent well completion system monitors and controls the down hole with sensor and sliding sleeve，balanced the mode switch between commingling production，interlayer optimization，and tandem completion.The general international intelligent well completion hydraulic control system is introduced in accord with technology standard of intelligent well completion.By such design，layer selection and control in the target zone can be accomplished.Two to six layers can be controlled by three hydraulic lines.In this way，the unnecessary effort in connecting the lines in installation can be avoided.In addition，the design can also speed up the standardization of matching tools in intelligent tool well completion.

intelligent well completion；hydraulic control；hydraulic decoder

TE925.3

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.002

1001-3482（2014）11-0007-04①

2014-05-16

張鳳輝（1968-），男，黑龍江佳木斯人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事油水井測(cè)試技術(shù)研究，E-mail：zhangfh5＠cnooc.com.cn。