林麗君 何明格 王清遠(yuǎn) 馬梓瀚

(1. 成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 2四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 3中國石油西南油氣田公司)

0 引 言

隨著國內(nèi)外天然氣開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，智慧油氣田技術(shù)越來越受到重視。目前，國內(nèi)在氣井的地面集輸管理數(shù)字化監(jiān)控方面已取得長足進(jìn)步，逐步建立了較為完備的數(shù)據(jù)集成體系[1-8]，但涉及地面以下的井筒自動(dòng)化控制技術(shù)較少，尚未實(shí)現(xiàn)油氣田全生命周期生產(chǎn)過程的自動(dòng)化及智能化控制。井下智能工具及工藝技術(shù)作為智慧油氣田領(lǐng)域中的技術(shù)關(guān)鍵，有待取得更大的突破，井下智能控制技術(shù)必是未來智能油田技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。相比國外，國內(nèi)在井下智能工具的研發(fā)上起步較晚，加上國外諸多的技術(shù)封鎖，開展井下智能工具系統(tǒng)自主研發(fā)顯得越發(fā)重要和緊迫[9-11]。

針對(duì)傳統(tǒng)繩索作業(yè)更換節(jié)流嘴的調(diào)產(chǎn)方式作業(yè)周期長、成本較高和風(fēng)險(xiǎn)較大等難題，本文通過集成機(jī)電一體化技術(shù)、氣壓波控制技術(shù)和井下節(jié)流技術(shù)，提出無線控制井下智能調(diào)產(chǎn)方法，配套研制了無線控制井下節(jié)流器，完成室內(nèi)測試及現(xiàn)場試驗(yàn)，以期促進(jìn)國內(nèi)井下智能工具發(fā)展，推動(dòng)我國采氣工藝技術(shù)水平的提升。

1 技術(shù)分析

開采天然氣時(shí)，井下節(jié)流技術(shù)在水合物防治、地面流程簡化、節(jié)約地面建設(shè)投資、多井集氣和集中分離生產(chǎn)等方面具有突出優(yōu)勢(shì)[12-13]。傳統(tǒng)井下調(diào)產(chǎn)技術(shù)主要采用固定式和活動(dòng)式兩種方式，當(dāng)用戶需求變化時(shí)，須采取繩索作業(yè)更換不同尺寸節(jié)流嘴，實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)的節(jié)流功能，這樣會(huì)導(dǎo)致無法及時(shí)調(diào)整天然氣井的產(chǎn)量，影響生產(chǎn)進(jìn)度，增大作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 井下無線智能調(diào)產(chǎn)工藝管串

井下無線智能調(diào)產(chǎn)技術(shù)綜合應(yīng)用機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化控制和無線通信等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制井下節(jié)流的智能化天然氣生產(chǎn)控制技術(shù)，主要包括智能節(jié)流工藝方法和無線控制井下節(jié)流器工具，工藝管串結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 井下無線智能調(diào)產(chǎn)工藝管串Fig.1 Downhole wireless intelligent production adjustment string

井下無線智能調(diào)產(chǎn)設(shè)備主要由井口信號(hào)發(fā)射機(jī)構(gòu)和井下調(diào)產(chǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。井口信號(hào)發(fā)射機(jī)構(gòu)主要依托于現(xiàn)有井口采氣設(shè)備和集輸管道，井下調(diào)產(chǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由研制的無線控制井下節(jié)流器及相關(guān)控制設(shè)備組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 井下無線智能調(diào)產(chǎn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Downhole wireless intelligent production adjustment system architecture

1.2 無線控制井下節(jié)流器

無線控制井下節(jié)流器主要由進(jìn)氣嘴、節(jié)流嘴、閥體、轉(zhuǎn)接套、電氣密封筒、導(dǎo)氣筒、封頭和母套等部件組成，如圖3所示。其中，電氣密封筒內(nèi)封裝有溫壓傳感器、電池、控制電路板和微型電機(jī)，以保證電子元件免受高壓損壞；節(jié)流嘴采用孔板閥結(jié)構(gòu)形式，由動(dòng)瓣和靜瓣組成，依靠動(dòng)瓣的旋轉(zhuǎn)來改變進(jìn)氣通道的面積，實(shí)現(xiàn)井下節(jié)流；封頭端部安裝有溫壓一體傳感器，對(duì)節(jié)流后的壓力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。無線控制井下節(jié)流器最大長度1 050 mm，最大外徑57 mm，壓力等級(jí)35 MPa，溫度等級(jí)90 ℃，適用于外徑73.0 mm油管。

1—進(jìn)氣嘴；2—節(jié)流嘴；3—閥體；4—轉(zhuǎn)接套；5—電氣密封筒；6—導(dǎo)氣筒；7—封頭；8—內(nèi)套。

1.3 井下無線智能調(diào)產(chǎn)控制方法

井下無線智能調(diào)產(chǎn)作業(yè)時(shí)，首先通過控制地面井口生產(chǎn)閥門開度大小，在井口產(chǎn)生一種壓力隨時(shí)間規(guī)律變化的信號(hào)波。該信號(hào)波沿井筒內(nèi)氣體傳輸?shù)骄鹿?jié)流器處，由內(nèi)置的井下信號(hào)接收裝置接收信號(hào)，再通過內(nèi)置控制芯片進(jìn)行信號(hào)編碼同步校驗(yàn)及控制指令解碼，形成地面控制指令，最終實(shí)現(xiàn)地面到井下節(jié)流器處的無線通信。井下節(jié)流器成功提取出配產(chǎn)指令后，井下控制芯片利用集成的開度推算控制模塊向電機(jī)輸出節(jié)流器開度指令，電機(jī)按照開度指令運(yùn)行相應(yīng)的角度，驅(qū)動(dòng)節(jié)流油嘴到達(dá)對(duì)應(yīng)產(chǎn)量開度位置，最終成功執(zhí)行配產(chǎn)指令。同時(shí)，節(jié)流器內(nèi)置的溫度壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測節(jié)流器前后的溫度壓力參數(shù)，井下控制芯片依據(jù)檢測參數(shù)對(duì)實(shí)時(shí)產(chǎn)量進(jìn)行信息融合處理，反饋并檢驗(yàn)配產(chǎn)是否按照指令成功實(shí)施。該項(xiàng)工藝的控制架構(gòu)及信號(hào)流如圖4所示。

圖4 井下無線智能調(diào)產(chǎn)技術(shù)控制架構(gòu)及信號(hào)流Fig.4 Technical control architecture and signal flow of downhole wireless intelligent production adjustment

2 井下無線智能調(diào)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無線控制井下調(diào)產(chǎn)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)用工具設(shè)計(jì)軟件對(duì)系統(tǒng)各組成零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用專業(yè)數(shù)值模擬軟件對(duì)零部件和整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、流體流速場、流體溫度場以及流體壓力場等方面的分析，利用分析結(jié)果對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正和優(yōu)化，重復(fù)上述步驟直至整體結(jié)構(gòu)達(dá)到合理要求，其設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 無線控制井下節(jié)流器設(shè)計(jì)流程Fig.5 Flow chart for design of wireless control downhole choke

2.2 基于氣體壓力波的調(diào)產(chǎn)編解碼方法

系統(tǒng)從地面向井下發(fā)送控制指令信號(hào)幀，如表1所示。幀頭采用固定波形，用來喚醒井下節(jié)流器內(nèi)置控制系統(tǒng)；隨后3組數(shù)碼用來設(shè)定井下節(jié)流嘴開度大??；為提高信號(hào)可靠性，在每一幀數(shù)據(jù)的尾端設(shè)計(jì)增加一個(gè)校驗(yàn)字節(jié)，對(duì)前面的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。

表1 指令信號(hào)幀Table 1 Instruction signal frame

與指令信號(hào)幀相對(duì)應(yīng)，氣井井口壓力波波形按照BCD編碼方式進(jìn)行編碼，通過手動(dòng)形式對(duì)氣井井口閥門進(jìn)行控制。將井口閥門由開到關(guān)在管柱內(nèi)形成的壓力升高作為一次上升沿跳變，反之作為一次下降沿跳變，連續(xù)8個(gè)跳變組成一個(gè)編碼波形，代表一個(gè)4位二進(jìn)制，其中每個(gè)上升沿與下降沿跳變間全開的狀態(tài)表示二進(jìn)制1，半開的狀態(tài)表示二進(jìn)制0。示例：發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù) 0000(數(shù)字0)的波形如圖6所示；表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)0001(數(shù)字1)的波形如圖7所示。以此類推，直至二進(jìn)制數(shù)據(jù)1001(數(shù)字9)。

圖6 二進(jìn)制數(shù)據(jù) 0000(數(shù)字 0)波形Fig.6 Waveform of binary data 0000 (digital 0)

圖7 二進(jìn)制數(shù)據(jù) 0001(數(shù)字 1)波形Fig.7 Waveform of binary data 0001 (digital 1)

井下控制器接收到氣壓波數(shù)據(jù)后，由模糊邏輯推理系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行解碼。模糊邏輯推理系統(tǒng)采用模糊規(guī)則進(jìn)行解碼，具有較強(qiáng)的非線性映射能力且對(duì)參數(shù)擾動(dòng)的魯棒性強(qiáng)，對(duì)井口發(fā)送的氣壓波數(shù)據(jù)解碼精準(zhǔn)。無線控制井下調(diào)產(chǎn)系統(tǒng)采用生產(chǎn)管柱內(nèi)的天然氣脈沖壓力波向井下傳輸控制指令信號(hào)，可大幅節(jié)約井下智能工具的通信成本[14-15]。同時(shí)，本通信方法對(duì)壓力變化范圍以及井口閥門操作時(shí)間無須嚴(yán)格定義[16-17]，因此適用于各種工況的氣井，編碼可靠性高，誤操作率低。

2.3 無線控制井下節(jié)流器控制算法設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)井下節(jié)流的準(zhǔn)確控制，以PID控制方法構(gòu)建無線控制井下節(jié)流器油嘴的開度控制算法。根據(jù)無線控制井下微電機(jī)工作原理，設(shè)計(jì)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)流油嘴控制流程，如圖8所示?？刂莆⒎址匠倘缡?1)所示。

圖8 無線控制井下節(jié)流器油嘴控制流程Fig.8 Flow chart for control of wireless control downhole choke

(1)

式中：L為電機(jī)相電感，R為電機(jī)相電阻，J為電機(jī)和負(fù)載折合到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，f為電機(jī)和負(fù)載折合到電機(jī)軸上的黏性摩擦因數(shù)，Km為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Ke為電機(jī)反電勢(shì)系數(shù)。

由于油嘴機(jī)構(gòu)與電機(jī)的連接近似完全剛性，不會(huì)出現(xiàn)軸向位移的情況，所以設(shè)定電機(jī)編碼器的傳遞函數(shù)H(s)=1。選定電機(jī)參數(shù)為：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=1.0×10-6(N·m·s2)/rad，摩擦因數(shù)f=22.9×10-7，相電阻R=5.9 Ω，電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)Km=36.9×10-3(N·m)/A，相電感L=240 μH，反電勢(shì)系數(shù)Ke=36.9×10-3(N·m)/A。結(jié)合電機(jī)微分方程建立無線控制井下節(jié)流油嘴驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的閉環(huán)控制模型，如圖9所示。

圖9 無線控制井下微電機(jī)系統(tǒng)的控制模型Fig.9 Control model of wireless control downhole micromotor system

設(shè)計(jì)中采用積分分離式PID控制算法，系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)控制器中的積分環(huán)節(jié)開始運(yùn)行，以提高穩(wěn)態(tài)精度；系統(tǒng)響應(yīng)處于瞬態(tài)過程時(shí)，將積分環(huán)節(jié)斷開以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)質(zhì)量。節(jié)流器作為較大負(fù)載的慣性系統(tǒng)，延遲時(shí)間較長。因此，在常規(guī)PID控制中引入積分環(huán)節(jié)，可減小系統(tǒng)穩(wěn)定誤差，提高控制精度。

以階躍信號(hào)為測試信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)按照?qǐng)D9模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)仿真計(jì)算，測試結(jié)果為超調(diào)量8.7%，上升時(shí)間78 ms，調(diào)節(jié)時(shí)間189 ms。說明在無線控制井下節(jié)流器控制系統(tǒng)中加入PID控制后，較好地優(yōu)化了整個(gè)節(jié)流系統(tǒng)的響應(yīng)性能，可為工具實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確穩(wěn)定的節(jié)流調(diào)產(chǎn)提供保證。

3 室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 無線控制井下節(jié)流器室內(nèi)試驗(yàn)

為驗(yàn)證研制的無線控制井下節(jié)流器各項(xiàng)性能參數(shù)，開展了密封承壓、調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)、繩索投撈功能和整機(jī)功能性試驗(yàn)，如表2所示。

表2 無線控制井下節(jié)流器室內(nèi)試驗(yàn)項(xiàng)目Table 2 Laboratory test items of wireless control downhole choke

試驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)在35 MPa、90 ℃條件下，工具整體承壓、密封可靠，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)油嘴開度尺寸多級(jí)調(diào)節(jié)，整機(jī)的密封性能、承壓性能和可調(diào)性能滿足要求。

(2)在模擬井460 m處完成了多次整機(jī)的鋼絲投撈作業(yè)試驗(yàn)，工具的通過性良好，整機(jī)抗震擊性能和可靠性滿足要求。

(3)在模擬井井下460 m井深處完成了多次氣壓波遠(yuǎn)程控制功能試驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)井口針閥產(chǎn)生壓力波，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下節(jié)流器油嘴開度的準(zhǔn)確控制。

3.2 無線控制井下節(jié)流現(xiàn)場應(yīng)用

2019年7月，無線控制井下節(jié)流器在西南油氣田公司A井成功應(yīng)用。A井配產(chǎn)工藝參數(shù)為：井口油壓1.2 MPa，套壓5.5 MPa，節(jié)流器油嘴等效通徑0～10 mm(多級(jí)可調(diào))，配產(chǎn)氣量1.4×104m3/d，產(chǎn)液量1 m3/d。工具坐封于井下2 298.6 m處的工作筒內(nèi)。依據(jù)井場生產(chǎn)要求，需要將該井的產(chǎn)氣量進(jìn)行提高，操作井口針閥發(fā)送氣壓波數(shù)據(jù)(4 1 2 1 4)，成功調(diào)節(jié)井下節(jié)流器油嘴開度，實(shí)現(xiàn)了氣井產(chǎn)量由原0.4×104m3/d調(diào)節(jié)到1.4×104m3/d進(jìn)行生產(chǎn)，順利完成氣壓波無線控制井下節(jié)流調(diào)整氣井產(chǎn)量的作業(yè)任務(wù)，產(chǎn)量變化如圖10所示。

圖10 井下無線智能調(diào)產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用情況(1)Fig.10 Field test (1) of downhole wireless intelligent production adjustment technology

無線控制井下節(jié)流器在井下穩(wěn)定工作4個(gè)月，期間完成了6輪次氣壓波無線遠(yuǎn)程控制井下節(jié)流調(diào)產(chǎn)任務(wù)，均取得成功，如圖11所示。

圖11 井下無線智能調(diào)產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用情況(2)Fig.11 Field test (2) of downhole wireless intelligent production adjustment technology

無線控制井下節(jié)流器現(xiàn)場的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了井下無線智能調(diào)產(chǎn)工藝方法的可行性和工具的可靠性。

4 結(jié) 論

現(xiàn)場成功應(yīng)用表明，井下無線智能調(diào)產(chǎn)技術(shù)各項(xiàng)性能穩(wěn)定可靠，驗(yàn)證了井下智能節(jié)流方式的可行性與先進(jìn)性，相比于傳統(tǒng)的井下節(jié)流工藝技術(shù)，主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

(1)集成微電子技術(shù)、自動(dòng)控制和井下無線通信技術(shù)構(gòu)建的井下無線智能調(diào)產(chǎn)系統(tǒng)，只需利用現(xiàn)有井場采氣井口裝置，即可在地面遠(yuǎn)程無線控制調(diào)節(jié)井下節(jié)流嘴開度大小，革新了傳統(tǒng)關(guān)井和采取繩索作業(yè)更換節(jié)流嘴進(jìn)行井下調(diào)產(chǎn)的方式，可為氣井生產(chǎn)節(jié)約人力、物力和時(shí)間成本。

(2)井下無線智能調(diào)產(chǎn)技術(shù)較好地滿足數(shù)字化天然氣田技術(shù)中數(shù)字化、自動(dòng)化要求，可指導(dǎo)技術(shù)人員依據(jù)生產(chǎn)需要高效調(diào)整天然氣井產(chǎn)量，增強(qiáng)天然氣井開發(fā)安全性，提高運(yùn)行效率，降低運(yùn)行成本。

(3)本文提出的方法和理論能夠?yàn)槠渌轮悄芄ぞ叩难邪l(fā)提供思路，能提升井下采氣工具的技術(shù)水平，可為采氣工藝技術(shù)改進(jìn)提供一定參考。