薛德棟 晁圣棋 王立蘋 張鳳輝 郭沛文 詹 敏 張 磊 柴希偉

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452)

智能完井技術(shù)是對不同油氣生產(chǎn)層段或分支井層段進行流量控制，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)油藏生產(chǎn)動態(tài)、實現(xiàn)油藏的實時控制與優(yōu)化開采的一種技術(shù)[1]，主要由地面控制設(shè)備、數(shù)據(jù)監(jiān)測傳輸系統(tǒng)及井下生產(chǎn)控制系統(tǒng)組成?？刂崎y是智能完井技術(shù)的核心工具[2-6]，通常采用液力或電力的方式控制開關(guān)、多位或無級等檔位和開度，其中，液力控制以其穩(wěn)定和長期工作安全性，占據(jù)了智能完井控制閥的主導(dǎo)地位[7-9]，該項技術(shù)長期以來也被外國公司所掌握。為了打破國外對液力控制閥技術(shù)的壟斷，筆者在研究多檔位液控閥的液壓控制方案及其結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析液控閥流量壓差關(guān)系，并開展智能完井多檔位液控閥高溫高壓井況模擬試驗。本文研究可為液控閥后續(xù)優(yōu)化設(shè)計提供思路和方法。

1 液壓控制方案優(yōu)選

1.1 直接液力控制方案

直接液力控制方案是通過N條進液控制管線與1條共用回液管線，實現(xiàn)對N個液控閥的檔位調(diào)節(jié)控制[10-12]。通過液控管線1、2分別控制液控閥1、2，液控管線3為液控閥1與液控閥2共用的回液管線，從而實現(xiàn)3條液控管線控制2個液控閥(圖1)。但對于產(chǎn)層段數(shù)較多的目標(biāo)井而言，需要下入多個液控閥，本方案多條液控管線同時下入，不僅會造成現(xiàn)場施工作業(yè)復(fù)雜，而且防砂段尺寸擁擠容易磕碰損傷管線，存在一定施工難度和管柱安全風(fēng)險。因此該方案通常適用于分段數(shù)不大于3層的目標(biāo)井。

圖1 直接液力控制閥原理示意圖

1.2 微型液力解碼器方案

微型液力解碼器方案是通過N條液控管線控制N個閥。本方案在液控管線1與液控閥1中間加入微型液壓解碼器(圖2)，通過液控管線1的高低壓力變化，就可實現(xiàn)對液控閥1的控制，液控閥2同理[10-12]。該方案對短程控制效果顯著，但對于幾千米井深的目標(biāo)井，液控管線存在壓力損失和延遲現(xiàn)象，因此容易造成液控閥誤動作。

圖2 微型液力解碼器控制閥原理示意圖

1.3 數(shù)字液力解碼器方案

數(shù)字液力解碼器液控方案通過全液力編碼解碼器來控制液控閥的動作。每個液控閥均配有1個解碼器(圖3)，通過獨立的壓力順序識別碼實現(xiàn)對各個液控閥的檔位調(diào)節(jié)[10-12]。數(shù)字液力解碼器方案可通過3條液控管線控制6個液控閥，實現(xiàn)了有限空間內(nèi)較少管線對多目標(biāo)層位液控閥的有效控制，不僅降低了現(xiàn)場操作及安裝的復(fù)雜性和作業(yè)風(fēng)險，而且實現(xiàn)了海上油田的智能開發(fā)，因而成為目前較為推崇的智能液控方式。

圖3 數(shù)字液力解碼器控制閥原理示意圖

2 多檔位液控閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

多檔位液控閥由液壓系統(tǒng)、換檔控制機構(gòu)、導(dǎo)向運行機構(gòu)、限位機構(gòu)、開度調(diào)控機構(gòu)和密封系統(tǒng)組成，如圖4所示。其中，換檔控制機構(gòu)決定了液控閥能否精確有效調(diào)節(jié)各檔位，密封系統(tǒng)決定液控閥能否長期有效的工作，因此需要對這2個核心機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，以保證多檔位液控閥的可靠性。

圖4 多檔位液壓控制閥結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 換檔控制機構(gòu)優(yōu)化

改進前的液控閥換檔控制機構(gòu)為直線型設(shè)計(圖5)，在液力作用下，每個檔位的控制由鎖緊機構(gòu)完成，由于這種鎖定結(jié)構(gòu)在高液壓力作用下有擊穿的可能性，因而使檔位有效控制與鎖定存在一定的不確定性。

圖5 直線型換檔控制機構(gòu)示意圖

優(yōu)化后的液控閥換檔控制機構(gòu)為旋轉(zhuǎn)型設(shè)計(圖6)，導(dǎo)向槽的不等長設(shè)計實現(xiàn)了對液控閥的換檔，其長度需滿足液控閥的換檔行程S的要求(式(1))；導(dǎo)向圓柱在導(dǎo)向槽內(nèi)的上下運動實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)導(dǎo)向槽換向角α的正切值大于二者的摩擦系數(shù)μ時，導(dǎo)向圓柱即可順利換檔。

圖6 旋轉(zhuǎn)型換檔控制機構(gòu)示意圖

(1)

ΔL=πd/n

(2)

式(1)、(2)中：S(α)為液控閥換檔行程，mm；α為液控閥換向角，(°)；h、hu、hd：分別為導(dǎo)向槽上下端部圓心的縱坐標(biāo)差，mm；ΔL為單個導(dǎo)向槽寬度，mm；d為心軸直徑(根據(jù)目標(biāo)井確定)，mm；n為換檔檔位數(shù)量。

由式(1)可知，液控閥換向角越小，則液控閥換檔行程越小。縮短行程須要導(dǎo)向圓柱在受到垂直方向力時能夠沿設(shè)計的軌道順暢滑動。取導(dǎo)向圓柱和導(dǎo)向槽的摩擦系數(shù)為鋼材摩擦系數(shù)μ=0.2，在不計重力的情況下，滑動導(dǎo)向圓柱能夠沿設(shè)計軌道順暢滑動的條件為tanα≥0.2(即α≥11.3°)，結(jié)合式(1)、(2)即可計算出液控閥換檔行程，從而得出導(dǎo)向槽長度。

2.2 密封系統(tǒng)選型

閥嘴封密的密封效果與井況、工況及密封結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系[13-15]，主要包括3種結(jié)構(gòu)：①常規(guī)膠件密封結(jié)構(gòu)，通過橡膠密封件與軸孔的過盈配合實現(xiàn)液壓密封，由于裝配過程中的剪切損傷及后期軸孔的往復(fù)運動磨損，因此存在長期井下應(yīng)用老化、失去密封性能的風(fēng)險；②金屬+膠件雙密封結(jié)構(gòu)，屬于冗余雙密封結(jié)構(gòu)，但由于結(jié)構(gòu)密封裸露于液體中，存在磨損、沖蝕密封失效風(fēng)險；③不祼T形密封結(jié)構(gòu)(圖7)，其密封膠件兩側(cè)均有檔圈，提高了膠件的密封性能和防損壞性能，液控閥采用“T”型密封形式，結(jié)構(gòu)采用不裸、冗余結(jié)構(gòu)，密封擋圈采用金屬材料，在高溫差、高壓差等條件開關(guān)閥時，可降低井內(nèi)液體對膠件的沖擊，保證了液壓控制閥長期工作的密封性能。因此，不祼T形密封結(jié)構(gòu)的密封性能是最優(yōu)的。

圖7 T形密封結(jié)構(gòu)示意圖

3 液控閥流量壓差關(guān)系分析

為保證油井的精細(xì)開采，需要通過多檔位液控閥實現(xiàn)對不同層段產(chǎn)液量的精細(xì)調(diào)控。為了達(dá)到精細(xì)調(diào)控的效果，對液控閥設(shè)置8個檔位：8檔為液控閥全關(guān)狀態(tài)，7檔為液控閥全開狀態(tài)，1～6檔為產(chǎn)液量的精細(xì)調(diào)節(jié)；每增加1檔位，則增加1個直徑為3 mm的過流孔；第7檔位額外增設(shè)了1個20 mm×16 mm的長方形過流孔道，以滿足大于800 m3/d的產(chǎn)液要求。通過軟件ANSYS Fluent模擬1～7檔位產(chǎn)液量與閥嘴壓差的關(guān)系，結(jié)果如圖8所示。

圖8 多檔位液控閥流量壓差圖

由圖8可知，液控閥在1～6檔位時，不同檔位產(chǎn)液量隨壓差的變化不大，可滿足小排量的精細(xì)調(diào)節(jié)控制產(chǎn)量；在7檔位時，相同壓差下產(chǎn)液量較1～6檔位增大明顯。即液控閥在滿足小排量精細(xì)調(diào)控的同時，也能夠滿足大排量開發(fā)的需求。8個檔位流量壓差均可近似擬合為平方根函數(shù)曲線關(guān)系，表達(dá)為

(3)

式(3)中：Q為液控閥流量，m3/d；p為油嘴前后壓力損失，MPa。

4 高溫高壓井況模擬試驗

智能井多檔位液控閥高溫高壓井況模擬試驗的目的，是檢驗工具在高溫高壓井況下的各項等性能，以確保工具性能可靠。

1)液控閥功能性試驗。試驗溫度125 ℃，環(huán)境壓力15 MPa。試驗結(jié)果表明，在液壓作用下，液控閥的上腔和下腔壓力均呈規(guī)律性周期變化：上下腔壓力在導(dǎo)向運行機構(gòu)開始換檔過程中存在微小壓力波動，換檔壓力約為5 MPa。

2)液控閥整機密封性能試驗。試驗溫度125 ℃，液控閥中心管打壓35 MPa、穩(wěn)壓20 min。試驗結(jié)果表明，液控閥中心壓力在試驗全過程中保持不變，驗證了液控閥嘴“T”型密封及整體密封的性能良好。

3)液控閥承壓差開啟性能試驗。試驗溫度125 ℃，閥內(nèi)外壓力差10 MPa。試驗結(jié)果表明，多檔位液控閥具有平穩(wěn)導(dǎo)向、換檔、限位、開度調(diào)控的功能。

5 結(jié)論

1)對于多檔位液控閥的換檔控制機構(gòu)，其旋轉(zhuǎn)可通過導(dǎo)向圓柱在導(dǎo)向槽內(nèi)的上下運動實現(xiàn)，換檔可通過導(dǎo)向槽換向角的正切值大于二者的摩擦系數(shù)計算獲得。

2)多檔位液控閥8個檔位的排量均隨壓差的增大而增加，檔位設(shè)置既可滿足對小排量的精細(xì)調(diào)控，也能滿足800 m3/d的大排量開發(fā)需求。