王 斌，郭巖寶，田曉雨，劉 奔，魏 遼，王德國(guó)

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；2. 中國(guó)石油化工股份有限公司 石油工程技術(shù)研究院，北京 102206；3. 頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100083)

水力壓裂技術(shù)是通過(guò)高壓水力作業(yè)，使油氣層形成裂縫，提高油氣產(chǎn)量的方法[1-3]。近年來(lái)，加大了煤層氣、頁(yè)巖油氣和天然氣水合物等非常規(guī)油氣資源的開(kāi)采力度，但是技術(shù)難度大，分段壓裂技術(shù)逐漸成為解決煤層氣、頁(yè)巖油氣開(kāi)采難題的有效方法。其中，泵送橋塞分段壓裂法由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在壓裂工程上被廣泛使用[4]。該方法首先在水平井趾端首段完成射孔、套筒內(nèi)加沙壓裂，然后完成剩余層段的壓裂[5-7]。

根據(jù)實(shí)際工況的要求，在首段壓裂結(jié)束后，井筒與地層之間會(huì)形成流體通道，要想使整個(gè)壓裂作業(yè)順利進(jìn)行，必須在該通道打開(kāi)之前完成壓力完整性測(cè)試[8]。由于常規(guī)的趾端滑套會(huì)隨著壓力的作用而開(kāi)啟，不能滿足壓力完整性測(cè)試的要求。因此，需要研發(fā)一種能保證在壓力完整性測(cè)試之后開(kāi)啟的智能電控趾端滑套。目前，哈里伯頓等公司都相繼推出了多種規(guī)格的電動(dòng)壓裂滑套[9-16]。國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究正處于試驗(yàn)階段。

筆者針對(duì)常規(guī)趾端滑套無(wú)法在壓力完整性測(cè)試之后開(kāi)啟的問(wèn)題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種智能電控趾端滑套。該滑套能利用壓力傳感器技術(shù)，在水平井多級(jí)壓裂的壓力完整性測(cè)試階段對(duì)壓裂管道內(nèi)的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并能根據(jù)壓力變化自主控制滑套延時(shí)開(kāi)啟。同時(shí)，可通過(guò)與上位機(jī)聯(lián)合控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)該滑套的遠(yuǎn)程監(jiān)控，彌補(bǔ)常規(guī)趾端滑套的缺陷，還能準(zhǔn)確控制滑套的開(kāi)啟時(shí)間，對(duì)提高壓裂裝置的穩(wěn)定性，以及油氣藏的高效開(kāi)發(fā)具有重要意義。

1 智能電控滑套結(jié)構(gòu)

1.1 智能電控滑套工作原理

圖1 智能電控趾端滑套的結(jié)構(gòu)示意

1.2 鎖定系統(tǒng)

由于鎖定系統(tǒng)需要提供較大的力來(lái)平衡壓裂液處的液壓力，這對(duì)電磁鐵的選型將造成一定的影響，故將鎖定系統(tǒng)設(shè)計(jì)成二級(jí)壓力轉(zhuǎn)換裝置，如圖2所示。通過(guò)二級(jí)轉(zhuǎn)換，降低電磁鐵為推桿提供的平衡壓力，節(jié)省耗電量。

圖2 二級(jí)壓力轉(zhuǎn)換裝置示意

設(shè)定壓裂液處需要平衡的液壓力p1=120 MPa，d1=6 mm，d2=18 mm，d3=6 mm，d4=6 mm。根據(jù)帕斯卡定律，將該液壓力進(jìn)行一級(jí)轉(zhuǎn)換：

p1·S1=p2·S2

(1)

式中：p1為推桿1左端壓裂液的壓力；S1為推桿1與左端壓裂液的接觸面積；p2為推桿2左端壓裂液的壓力；S2為推桿2與左端壓裂液的接觸面積。

由式(1)得：

(2)

同理，進(jìn)行二級(jí)壓力轉(zhuǎn)換求得：

(3)

式中：p3為推桿3左端壓裂液的壓力。

這是電流可以通過(guò)的金屬線。有電流通過(guò)的時(shí)候，手碰上它就糟了。所以要在金屬線外面包一層橡膠皮。因?yàn)橄鹉z不導(dǎo)電。”

因此，推桿2對(duì)傳感器的推力F2由式(4)～(5)得

F2=p2·S2

(4)

(5)

式中：F2為推桿2對(duì)傳感器所施加的推力。

同理，由式(4)得推桿3處的推力F3為：

(6)

式中：F3為推桿3對(duì)傳感器所施加的推力。

故電磁鐵采用常開(kāi)的形式，永磁體和電磁鐵僅需要提供41.82 N的合力即可。為了提高鎖定系統(tǒng)的安全系數(shù)，同時(shí)保證電磁鐵提供安全范圍的力，綜合考慮，本文永磁體和電磁鐵提供的力按照3∶1設(shè)計(jì)是合理的，即，永磁體分壓90 MPa，電磁鐵分壓30 MPa。故，永磁體提供的推力F′為：

(7)

式中：F′為永磁體抵抗推桿3的推力所提供的抵抗力。

電磁鐵提供的推力F″為：

(8)

式中：F″為電磁體抵抗推桿3的推力所提供的抵抗力。

1.3 鎖定系統(tǒng)穩(wěn)定性

由于受到p1的作用，鎖定系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)出現(xiàn)在推桿1處。該處破壞將影響鎖定系統(tǒng)的打開(kāi)，進(jìn)而影響趾端滑套的開(kāi)啟。為了驗(yàn)證在壓力完整性測(cè)試狀態(tài)下推桿1是否在壓力作用下發(fā)生膨脹變形，從而影響鎖定系統(tǒng)打開(kāi)，本文通過(guò)ANSYS仿真軟件對(duì)該處的應(yīng)力、應(yīng)變和形變進(jìn)行分析。由圖3a所示，推桿1處徑向截面處的應(yīng)力差值較小，說(shuō)明p1對(duì)徑向截面的影響較?。挥蓤D3b知，推桿1處的軸向應(yīng)變較小，說(shuō)明鎖定系統(tǒng)可較長(zhǎng)時(shí)間保持平衡；由圖3c知，推桿1處的軸向應(yīng)變較小，應(yīng)力集中在受力面。

a 徑向面應(yīng)力云圖

綜合以上計(jì)算和仿真分析結(jié)果，證明鎖定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為合理，可以保證滑套在壓力完整性測(cè)試結(jié)束后安全、準(zhǔn)確地打開(kāi)，為后續(xù)井段的壓裂作業(yè)提供安全保證，也為水平井多級(jí)壓裂系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行創(chuàng)造了條件。

2 電控趾端滑套控制系統(tǒng)

智能電控趾端滑套的控制系統(tǒng)主要由HKM-189-375型壓力傳感器、PIC18F4680型單片機(jī)系統(tǒng)、時(shí)鐘延時(shí)模塊、鎖定系統(tǒng)和上位機(jī)組成。上位機(jī)安裝了通過(guò)Python和OpenGL軟件自主開(kāi)發(fā)的可視化界面軟件。單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)遠(yuǎn)程連接，可實(shí)時(shí)監(jiān)控滑套的位移、速度、加速度和管內(nèi)壓力，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控滑套的功能(如圖4所示)。

圖4 控制系統(tǒng)原理框圖

2.1 控制板設(shè)計(jì)

根據(jù)功能要求，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了智能電控趾端滑套的控制電路，如圖5所示。單片機(jī)系統(tǒng)的RD0口連接電磁鐵線路，電磁鐵(電磁鐵型號(hào)選擇ELE-P25/20)單獨(dú)由BAT2口提供+5 V的電壓，可提供80 N的吸力。RA0口連接運(yùn)放電路(運(yùn)放模塊型號(hào)選用OPA330AIDBVR)，該電路通過(guò)SSR引腳口與壓力傳感器連接；TPS76901-HT為穩(wěn)壓模塊，保障輸出電壓的穩(wěn)定性。

圖5 智能電控趾端滑套的控制電路

考慮到趾端滑套受工作環(huán)境和工作空間的限制，通過(guò)Altium Design軟件設(shè)計(jì)了體積小、耐高溫的PCB板，如圖6所示。PCB板的材料采用覆銅箔環(huán)氧玻纖布層壓板，可耐150 ℃的高溫，具有良好的耐熱性能和力學(xué)性能，可以保證其在井下穩(wěn)定工作。PCB板的尺寸設(shè)計(jì)為64.6 mm×25.4 mm×20.0 mm,保證其能在空間較小的環(huán)境中運(yùn)行,如圖7所示。

圖6 PCB原理設(shè)計(jì)

圖7 PCB板加工實(shí)物

2.2 低功耗控制系統(tǒng)

由于智能電控趾端滑套在壓裂作業(yè)中要獨(dú)立自主地完成所需工作，考慮到控制系統(tǒng)的功耗問(wèn)題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了具有省電模式的控制程序，如圖8所示。當(dāng)電滑套啟動(dòng)后，系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)電量，如果電量過(guò)低，為了不影響剩余井段的壓裂作業(yè)，控制系統(tǒng)會(huì)直接跳出延時(shí)程序并開(kāi)啟滑套，確?；啄苷ｉ_(kāi)啟。當(dāng)電量可以滿足控制系統(tǒng)運(yùn)行，此時(shí)給傳感器供電，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)判斷推桿2處壓力是否為壓力完整性測(cè)試時(shí)的壓力范圍。如果該處無(wú)壓力信號(hào),系統(tǒng)會(huì)進(jìn)一步判斷無(wú)信號(hào)時(shí)間，若長(zhǎng)時(shí)間(此處設(shè)置為45 min)無(wú)壓力信號(hào)，控制系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入省電模式，此時(shí)系統(tǒng)為了減少功耗，會(huì)控制所有元器件進(jìn)入休眠狀態(tài)；若無(wú)信號(hào)時(shí)間較短，系統(tǒng)會(huì)復(fù)位重新運(yùn)行。

圖8 智能電控滑套省電控制軟件流程圖

如果檢測(cè)到該處壓力信號(hào)屬于壓力完整性測(cè)試時(shí)的信號(hào)范圍時(shí)，單片機(jī)控制電磁鐵上電，同時(shí)控制延時(shí)模塊開(kāi)始延時(shí)，壓力傳感器置0(此時(shí)已經(jīng)檢測(cè)到壓力完整性測(cè)試階段壓力信號(hào)，壓力傳感器后續(xù)不再需要，為了降低功耗將其置0)。當(dāng)延時(shí)45 min后，系統(tǒng)控制電磁鐵斷電解鎖，壓裂液被釋放，此時(shí)滑套移動(dòng)并進(jìn)入下個(gè)井段，進(jìn)行壓裂作業(yè)。

2.3 功耗測(cè)試

為了證明本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有良好的省電特性，采用UNI-T高精度可編程直流電子負(fù)載儀測(cè)量其耗電量?？紤]到測(cè)試整個(gè)控制系統(tǒng)耗電量的復(fù)雜性，選擇將單片機(jī)系統(tǒng)和鎖定系統(tǒng)單獨(dú)測(cè)量，2個(gè)系統(tǒng)各測(cè)量20組，每組重復(fù)測(cè)試3次3并取平均值，每組測(cè)試時(shí)間設(shè)計(jì)為45 min。

由圖9可得，單片機(jī)系統(tǒng)的平均耗電量為3.18 A·h，每組測(cè)試的耗電量差距較??；由圖10可得電磁鐵的平均耗電量為0.16 A·h，耗電量較少。

圖9 單片機(jī)系統(tǒng)耗電量

圖10 電磁鐵耗電量

綜合單片機(jī)系統(tǒng)和電磁鐵的耗電量可得整個(gè)控制系統(tǒng)的平均耗電量約為3.34 A·h，因此選用4 A·h的供電電池即可滿足設(shè)計(jì)要求。

3 模擬試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該智能電控趾端滑套控制系統(tǒng)的可行性，考慮到該裝置目前在試驗(yàn)階段，因此通過(guò)模擬試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該控制系統(tǒng)的可行性。模擬試驗(yàn)采用本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)和stm32模擬開(kāi)發(fā)板聯(lián)合完成，通過(guò)控制stm32模擬開(kāi)發(fā)板上的滑動(dòng)變阻器阻值大小來(lái)模擬壓裂過(guò)程中的壓力大小，通過(guò)指示燈的亮滅模擬電磁鐵的通電和斷電。該模擬試驗(yàn)的電路設(shè)計(jì)如圖11所示，OPA314DBV為運(yùn)放電路，其作用是控制滑動(dòng)變阻器運(yùn)行；滑動(dòng)變阻器與PIC18F4680型單片機(jī)的RA0引腳連接；D2小燈電路模擬電磁鐵的通電和斷電，該電路由2N1711三極管驅(qū)動(dòng)。

圖11 智能電控滑套模擬試驗(yàn)電路圖

智能電控趾端滑套模擬試驗(yàn)系統(tǒng)如圖12所示，LED小燈電路、滑動(dòng)變阻器電路、電磁鐵電路全部由stm32模擬開(kāi)發(fā)板提供。本文通過(guò)檢測(cè)階段(如圖12a)模擬壓力完整性測(cè)試階段，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)阻值大小模擬壓力完整性測(cè)試壓力，電源指示燈點(diǎn)亮證明電源電量充足；當(dāng)檢測(cè)到壓力完整性測(cè)試的模擬電壓信號(hào)時(shí)，D2小燈點(diǎn)亮、電磁鐵通電并進(jìn)入延時(shí)階段(如圖12b)，開(kāi)始延時(shí)，該試驗(yàn)設(shè)置的延時(shí)時(shí)間設(shè)置為45 min。

a 檢測(cè)階段

為了驗(yàn)證實(shí)際條件下電磁鐵通電是否能滿足所提供的力，本文通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試電磁鐵通電時(shí)所提供力的大小。為測(cè)試電磁鐵的力，將電磁鐵固定在墻體上(如圖12c)，當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，采用端部為磁性材料的測(cè)力計(jì)來(lái)測(cè)量力大小。為了驗(yàn)證電磁鐵所提供力的穩(wěn)定性，共進(jìn)行20組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

測(cè)試電磁鐵提供力的結(jié)果如圖13所示，每組試驗(yàn)的誤差較小，而且每組試驗(yàn)測(cè)得的電磁鐵力較平均，電磁鐵提供的平均力為11.1 N。由此可得，該智能電控趾端滑套能夠在壓力完整性測(cè)試階段提供足夠大的力來(lái)維持鎖定系統(tǒng)平衡，為后續(xù)井段的壓裂作業(yè)提供較好條件。

圖13 電磁鐵力測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

1) 對(duì)智能趾端滑套的鎖定系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和ANSYS有限元分析，證明其具有較高的可行性；通過(guò)仿真模擬試驗(yàn)，進(jìn)一步證明了該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性；通過(guò)功耗測(cè)試驗(yàn)證了該系統(tǒng)所需的功耗較低，保證了壓裂過(guò)程的順利進(jìn)行。

2) 利用單片機(jī)技術(shù)使該滑套實(shí)現(xiàn)了在延時(shí)結(jié)束后能夠精確、有效地開(kāi)啟，避免了由于高壓環(huán)境對(duì)滑套結(jié)構(gòu)壽命的影響；除此之外，具有省電模式的控制系統(tǒng)和較小尺寸的硬件設(shè)計(jì)，保證了該滑套在實(shí)際工況中具有較高的可行性。

3) 該工具在下井前的功耗控制，以及在下井后如何觸發(fā)滑套的電源開(kāi)啟方式等方面還需要進(jìn)一步研究。

4) 該設(shè)計(jì)對(duì)提高滑套的使用壽命和安全性具有重要意義，對(duì)今后在實(shí)踐工程上的應(yīng)用也體現(xiàn)出較高的可行性，而且將有效提高滑套開(kāi)啟的準(zhǔn)確性，對(duì)趾端滑套未來(lái)的發(fā)展方向起到了指導(dǎo)性作用。

5) 為了進(jìn)一步完善和優(yōu)化該設(shè)計(jì)，下一步將從遠(yuǎn)程監(jiān)控滑套狀態(tài)和功耗兩個(gè)方面做進(jìn)一步研究，從而提高該設(shè)計(jì)在實(shí)際工程應(yīng)用上的優(yōu)越性。