李瑞豐，張亮，劉景超，楊建義

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

0 引言

油田開發(fā)過程就是油藏和油井的生產管理過程，其主要目標是最大限度地提高產量和采收率。智能完井技術是采集井下溫度、壓力及流量等參數，監(jiān)測產層生產動態(tài)，根據油井生產情況，通過地面控制系統(tǒng)對目標層位滑套開度進行智能調節(jié)，實現油井的穩(wěn)產，從而使測量更精確，油井管理更科學。

目前，智能完井技術因其數字化、智能化的特點得到國內外的廣泛關注，特別在穩(wěn)油控水、實時監(jiān)測、智能調節(jié)生產動態(tài)等方面優(yōu)勢明顯，可實現科學地管理油井、提高采收率、經濟開發(fā)油田的目標[1]。智能完井關鍵技術包含地面控制系統(tǒng)、井下數據采集及傳輸技術、井下生產流體控制技術等[2]。地面控制系統(tǒng)作為智能完井技術的控制中心，既要給井下液控滑套提供驅動動力，又要通過液控管線中液壓油的壓力及管線中的進油量、回油量數據采集、分析處理，對液控滑套的運動情況進行反饋，實現對液控滑套精準控制。

1 地面控制系統(tǒng)介紹

地面控制系統(tǒng)（Ground Control System，GCS）主要包括地面液壓控制單元和地面操作控制站，框架圖如圖1所示。地面控制系統(tǒng)主要是對液控滑套的驅動與精準控制及對井下實時數據的處理[3]。

圖1 地面控制系統(tǒng)框架圖

地面液壓控制單元需要特別考慮長距離的液壓傳輸壓力損失影響、液控滑套的動作時間及液控滑套的位置反饋等。地面操作控制站對采集的井下溫度、壓力及流量數據進行分析處理，生成實時曲線，可形象直觀地反映井下狀況，并與油藏開采方案對比，為開采方案優(yōu)化或生產方案調整提供數據支持[4]。

2 地面控制系統(tǒng)現狀

國內在智能完井領域的研究還處于起步階段，目前關于智能完井系統(tǒng)的研究僅限于理論研究和技術引進層面，還未形成商業(yè)化產品。地面控制系統(tǒng)作為智能完井技術的三大關鍵技術之一，其設計及研究能決定整套系統(tǒng)是否達到預期目的。

國外多家技術服務公司如Well Dynamics公司、Baker Oil Tools公司和Schlumberger公司等，已經形成了較為成熟的智能完井技術，并獲得大量的現場應用[5]。地面控制系統(tǒng)對比如表1所示。

表1 地面控制系統(tǒng)對比表

通過對比分析，斯倫貝謝、哈里伯頓和貝克休斯的地面控制系統(tǒng)各有特點，也有需要提升的部分。斯倫貝謝的地面液壓控制單元適用區(qū)域有一定的局限性。哈里伯頓和貝克休斯的地面控制器只能就地手動操作，對使用人員要求較高，現場使用有一定的局限性。哈里伯頓和貝克休斯的地面控制系統(tǒng)只能就地手動控制模式，在系統(tǒng)擴展上有一定的難度。

為滿足現場需求，提出一種集成直接液力驅動和數字解碼驅動兩種模式的地面控制系統(tǒng)方案。系統(tǒng)采用先導控制模式，由低壓控制高壓，可在上位機實現遠程控制調節(jié)液控滑套開度。在緊急情況下，就地和上位機都能關閉系統(tǒng)，使設備處于安全狀態(tài)。

3 地面控制系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)設計依據

地面控制系統(tǒng)的直接控制對象為井下液控滑套，根據滑套開度調節(jié)過程中的壓力變化，設計控制系統(tǒng)相關參數。液控滑套運動及壓力變化曲線圖如圖2所示。其中，滑套在開啟時的壓力約為10.3 MPa，經過不同開度位置時的壓力為7～8 MPa。

圖2 液控滑套運動及壓力變化曲線圖

3.2 地面控制系統(tǒng)詳細設計

3.2.1 模塊化設計思想

本次設計的地面控制系統(tǒng)需要滿足直接液力驅動和數字解碼驅動兩種模式的要求，考慮到系統(tǒng)設計和維護方便，同時提高系統(tǒng)功能的可擴展性，地面控制系統(tǒng)采用模塊化設計思想。液控滑套的液壓驅動是共用的，針對數字信號輸出設置了單獨的液壓調節(jié)回路。選擇數字解碼驅動模式時，只需打開數字信號的調壓回路即可。

3.2.2 地面控制系統(tǒng)的驅動壓力

液體在管道中流動時克服由黏性而產生的摩擦阻力及液體質點碰撞所消耗的能量，稱為能量損失。這種能量損失表現為壓力損失。壓力損失ΔP分為沿程壓力損失ΔPλ和局部壓力損失ΔPξ兩類?？倝毫p失為所有的沿程壓力損失和所有的局部壓力損失之和，即

據研究，在長距離的液壓傳遞過程中，壓力損失主要體現為沿程壓力損失，局部壓力損失占比很小，可以忽略不計。

考慮到在液控滑套動作過程中，液壓管線中有較大壓力損失，地面控制系統(tǒng)的輸出壓力為液控滑套的臨界運行壓力P臨界和壓力損失ΣΔP之和，即

液壓控制管線的內徑較?。?.048 mm），管線內壁非常光滑，且在進油過程中液壓油流速較小?？烧J為液壓油在液控管線中的流動近似層流。對于層流，非等溫時的不銹鋼液壓管線，λ≈75/Re，液壓油的雷諾系數Re=ρυd/μ，其中μ為液壓油黏度。

液壓油在管線中流動的壓力損失可由達西公式估算[7]：

式中：λ為管路的沿程阻力系數；l為管路的長度，m；d為管路的直徑，m；ρ為液壓油的密度，kg/m3；v為液體的平均流速，即為平均進油量與管線截面積之比（v=Q/A），m/s。

由此可以判定，當選用液壓油、管線類型和長度確定后，壓力損失只和進油量有關。當進油量增大時，管線的壓力損失也相應增大?？砂凑站乱嚎鼗滓蟮倪\動時間和最大進油量，計算出平均進油量，最終可以計算出地面液壓控制系統(tǒng)的最大輸出壓力[8]。按照設計數據計算：

假定井下液控滑套執(zhí)行最大容積為410 mL，若要求在30 min內完成動作，則平均注入速度為13.7 mL/min，計算壓力損失為43.7 MPa。井下液控滑套驅動壓力為10.3 MPa，則地面液壓單元需要輸出壓力為54 MPa。本次地面控制系統(tǒng)中選用的是柱塞泵，考慮到液壓泵的效率及使用周期，系統(tǒng)的壓力應為液壓泵輸出壓力的0.7～0.8倍，所以選擇液壓泵的最大輸出壓力為69 MPa，即地面控制系統(tǒng)的最大輸出壓力為69 MPa。

3.2.3 井下滑套的液壓傳遞

按照地面控制系統(tǒng)的最大輸出壓力69 MPa，進行了模擬分析，在井下滑套閥不動作的情況下，液壓傳遞如圖3所示。

圖3 井下滑套的液壓傳遞

從地面控制系統(tǒng)對管線開始打壓至達到井下滑套閥驅動壓力10.3 MPa，需要6 min時間。實際上井下液控滑套在液壓驅動下開始做滑行運動，直至運動到位，壓力迅速上升。運動軌跡如圖2所示?；组y在滑行中，引起壓力損失，系統(tǒng)又迅速補壓（時間極短）。簡化運動模型，可假定井下滑套一直在壓力10.3 MPa下推動，且可看做均速。則系統(tǒng)的壓力損失為58.7 MPa，按照公式（4）計算平均流量為18.4 mL/min，則執(zhí)行最大容積410 mL所需要的時間為22 min。綜上，按照最大輸出壓力69 MPa，井下滑套閥執(zhí)行最大容積所需的時間約為28 min。理論公式計算時間和模擬計算時間基本一致。

3.2.4 控制方式設計

井下液控滑套作為井下執(zhí)行機構需要液壓驅動，本次設計的液控滑套需要正反運動兩次才能完成動作。在系統(tǒng)第一次啟動時，需要確認現場情況，本地和遠程上位機共同開啟，系統(tǒng)投入運行后，液控滑套的控制只需在上位機操作即可。在緊急情況下，就地和中控均可單獨關閉井下液控滑套。電磁閥是用電信號控制液信號，用于上位機遠程控制液控滑套，手拉閥作為應急就地控制液控滑套的關閉，既能保證現場設施安全，又能保證設備安全使用。

為降低現場操作的風險，地面控制系統(tǒng)對驅動壓力的控制采用先導控制模式。系統(tǒng)選用的高壓先導閥即兩位三通常閉型控制閥，其控制原理如圖4 所示。當先導端PIOLT無控制壓力時，先導閥的出口OUT與泄放口EX導通，當先導端PIOLT有控制壓力時，先導閥的進口IN與出口OUT導通。先導端的控制壓力為低壓，這樣就實現了以低壓控制高壓。

圖4 高壓先導閥控制原理圖

3.2.5 井下液控滑套的精準定位

井下液控滑套具有開啟、關閉或者局部開啟位置狀態(tài)，其位置決定了進油口的面積，是決定油井生產層流量的重要參數，因此滑套的位置精確定位至關重要[9]。關于液控滑套的位置目前主流有兩種反饋方式，一種是通過在地面監(jiān)測液壓管線的回油量來確定閥門的位移量，另一種是在井下安裝位移傳感器來監(jiān)測閥門位移量。本次地面控制系統(tǒng)設計采用監(jiān)測流量的策略，通過高壓高精度流量計對井下滑套閥所需流量進行計量，同時對供油管線中的瞬時流量進行監(jiān)測?；赜凸芫€中高精度流量計對管線中的回油量進行計量，同時對瞬時流量進行監(jiān)測。地面控制系統(tǒng)上位機通過數據采集系統(tǒng)對系統(tǒng)中的供油流量計信號、回油流量計信號、電磁閥信號、壓力變送器信號進行采集、記錄和分析。對井下滑套閥的判定依據有：供油流量計瞬時流量基本為零；累計供油流量與動作容積相等；回油流量計瞬時流量基本為零；累計回油流量與動作容積相等。在試驗數據的支持下，供油回路中的壓力信號及作用時間也可作為判定滑套閥狀態(tài)的輔助條件。

3.2.6 與數字解碼驅動的融合

直接液力驅動模式為3根管線控制2個滑套，2個滑套用2根管線分別實現單獨開啟，共同使用1根管線回油，其中回油管線也可供油，用于滑套的反向打壓，直接液力驅動模式實現2個滑套閥分別開啟，同時關閉。

數字解碼驅動模式需要輸出高壓驅動液壓和信號液壓。高壓驅動液壓用于驅動滑套閥，信號液壓用于選擇層位，井下液壓解碼器根據液壓信號指令選擇和引導高壓動力液進入目的層的滑套，實現對滑套閥的控制[10]。

數字解碼驅動模式分兩步執(zhí)行，先選擇需要操作的目標層位，然后將高壓動力液引向目標層位控制滑套動作。第一步輸出信號液壓，先是第一條管線開始打壓，如5 MPa，待井底壓力建立之后，保持壓力。接著第二條管線打壓，如5 MPa，待井底壓力建立之后，保持壓力。井下數字解碼器收到信號液壓后，打開對應生產層的滑套，或者對應的滑套開度。第二步輸出驅動液壓，在第1條管線或第2條管線輸出驅動液壓，直到打開滑套。第3條管線根據需要進行打壓或回油。

3.2.7 地面控制系統(tǒng)整體框圖

兼容直接液力驅動和數字解碼驅動兩種模式的地面控制系統(tǒng)整體框圖如圖5所示。

圖5 地面控制系統(tǒng)流程圖

4 地面操作控制站

地面操作控制站主要用于數據接收分析、處理和反饋，根據開采方案遠程控制井下滑套，主要由計算機、上位機數據接收處理軟件、液壓系統(tǒng)遠程控制軟件和報表打印機組成。由于井下復雜的物理環(huán)境及井深度，其技術難點在于數據的準確性、可靠性和實時性。根據目前初步方案的參數，編寫了地面操作控制站上位機的人機界面（功能測試版）。

初步方案的參數如下：1）液壓油箱的高度為400 mm，液壓油液面低于150 mm中控報警；2）地面控制系統(tǒng)的最大輸出壓力為69 MPa；3）控制回路最大壓力為1.03 MPa；4）進油、回油管線中的最大流速為13.7 mL/min。

地面操作控制站（功能測試版）操作界面如圖6所示。地面操作與控制系統(tǒng)硬件（模擬調試）如圖7所示。

圖6 地面操作控制系統(tǒng)操作界面

圖7 地面操作與控制系統(tǒng)硬件（模擬調試）

5 結語

地面控制系統(tǒng)作為智能完井技術的控制中心，集遠程控制液控滑套、實時監(jiān)測生產層動態(tài)、實時數據處理分析于一體，實現油井整個生命周期開采數據的完整記錄，提高了油藏管理水平。地面操作控制站的主要任務是對井下生產數據實時處理和反饋，同時還對井下大數據分析處理，優(yōu)化開采方案及實時閉環(huán)生產閉環(huán)管理，為建設智能生產油田提供數據支持。根據決策的優(yōu)化開采方案，使油井的開采按照最優(yōu)的方案實施，實現對油井全生命周期管理，最終提高油氣采收率。