RFID智能滑套設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

黎 偉， 夏 楊， 陳 曦

（1. 西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500；2. 石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西南石油大學(xué)），四川成都 610500）

近年來，隨著水平井鉆井技術(shù)的發(fā)展和對(duì)低滲透油氣藏開發(fā)技術(shù)研究的不斷深入，利用水平井技術(shù)可以有效開發(fā)低滲透、特低滲透及致密性油氣藏。水平井分段壓裂在增大油藏接觸面積、提高儲(chǔ)層動(dòng)用程度方面具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，且能更大程度地縮短施工時(shí)間、降低開發(fā)成本[1-3]。國(guó)外智能滑套分段壓裂技術(shù)已成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，智能滑套激活成功率達(dá)到了86%，并在縮短施工時(shí)間和降低成本方面顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)[4-8]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)滑套分段壓裂技術(shù)的研究與應(yīng)用也日趨增多[9-12]。隨著油氣田勘探開發(fā)技術(shù)快速發(fā)展，油氣開發(fā)作業(yè)正在向智能化、低成本化和高效化方向發(fā)展。為了優(yōu)化傳統(tǒng)壓裂技術(shù)，基于RFID智能滑套的水平井分段壓裂技術(shù)及其配套工具RFID智能滑套應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)壓裂技術(shù)耗時(shí)長(zhǎng)，操作復(fù)雜，后期需鉆銑，重復(fù)壓裂時(shí)需重新下放管柱，不可作為生產(chǎn)管柱使用，導(dǎo)致作業(yè)成本高于RFID智能滑套壓裂技術(shù)[13-14]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，單井壓裂成本占總投資的35%，而壓裂作業(yè)中壓裂液費(fèi)用、壓裂工具和技術(shù)服務(wù)費(fèi)占?jí)毫炎鳂I(yè)總費(fèi)用的58%，改進(jìn)壓裂工具和優(yōu)化技術(shù)方案對(duì)降低壓裂成本具有顯著作用[15-18]。

相對(duì)于傳統(tǒng)的水平井壓裂技術(shù)，RFID智能滑套壓裂技術(shù)可實(shí)現(xiàn)分段壓裂作業(yè)、可選擇性壓裂作業(yè)和重復(fù)壓裂作業(yè)，其配套工具RFID智能滑套還實(shí)現(xiàn)了壓裂管柱全通徑，為完井作業(yè)后進(jìn)行其他相關(guān)作業(yè)提供了通道，降低了起下管柱的次數(shù)和成本。RFID智能滑套壓裂管柱后續(xù)還可以作為生產(chǎn)管柱。為此，筆者闡述了RFID智能滑套壓裂技術(shù)原理，通過與傳統(tǒng)壓裂技術(shù)的實(shí)施方式進(jìn)行對(duì)比，分析了RFID智能滑套壓裂技術(shù)的優(yōu)勢(shì)；對(duì)RFID智能滑套結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，結(jié)合單元功能試驗(yàn)及室內(nèi)樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了RFID智能滑套單元功能的可行性及整機(jī)運(yùn)作的可靠性。RFID智能滑套可為實(shí)現(xiàn)油氣開發(fā)作業(yè)智能化提供技術(shù)支持或參考，在改善油田采收率、降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率等方面具有良好的應(yīng)用前景。

1 RFID智能滑套壓裂技術(shù)原理

水平井分段壓裂是提高油氣井產(chǎn)量的有效措施之一，傳統(tǒng)的多級(jí)投球分段壓裂技術(shù)使用封隔器和滑套將水平井分隔為若干層段，壓裂施工時(shí)依次投入不同直徑的閥球，以打開相應(yīng)的滑套進(jìn)行壓裂，分段壓裂完成后返排出閥球。該技術(shù)分段壓裂級(jí)數(shù)受限，且流道內(nèi)通徑自上而下逐級(jí)減小，壓裂完成后需鉆銑球座以達(dá)到全通徑，儲(chǔ)層改造開發(fā)過程復(fù)雜，壓裂作業(yè)成本較高[19-21]。

RFID智能滑套壓裂技術(shù)，是將封隔器與RFID智能滑套通過多級(jí)串聯(lián)，組成壓裂管柱，將油井分為若干壓裂層段，井口投送RFID標(biāo)簽球控制滑套做出相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)全通徑的分段壓裂、可選擇性壓裂和重復(fù)壓裂等施工作業(yè)。其壓裂管柱后期不僅可作為生產(chǎn)管柱，還可進(jìn)行找堵水作業(yè)。RFID智能滑套壓裂施工流程為[22]：

1）將壓裂管柱組裝好并下至設(shè)計(jì)井深，然后井口投球、加壓，坐封封隔器，所有滑套均處于關(guān)閉狀態(tài)。

2）地面壓裂機(jī)組連接壓裂管匯，投球器串聯(lián)在壓裂機(jī)組與壓裂管柱之間，將寫入信號(hào)的RFID標(biāo)簽球裝入投球器內(nèi)；地面壓裂機(jī)組發(fā)出壓力脈沖信號(hào)，最底層智能滑套識(shí)別該脈沖信號(hào)后，滑套開啟，開始?jí)毫炎畹讓踊讓?duì)應(yīng)的地層。

3）最底層滑套對(duì)應(yīng)的地層壓裂達(dá)到施工要求后，調(diào)整排量，投球器投入對(duì)應(yīng)RFID標(biāo)簽球，關(guān)閉最底層智能滑套，加壓一段時(shí)間，根據(jù)監(jiān)測(cè)壓力判斷智能滑套是否成功關(guān)閉；經(jīng)過設(shè)定延時(shí)時(shí)長(zhǎng)后，開啟下一層智能滑套，提高排量，壓裂下一層滑套對(duì)應(yīng)的地層。

4）重復(fù)步驟3），即可依次壓裂剩余層段；完成最頂層壓裂后，投入RFID標(biāo)簽球關(guān)閉最頂層滑套，此時(shí)所有滑套均處于關(guān)閉狀態(tài)。

5）壓裂機(jī)組發(fā)出壓力脈沖信號(hào)，打開最底層智能滑套，然后投入RFID標(biāo)簽球，打開井下所有其余滑套，開井投產(chǎn)，返出所有RFID標(biāo)簽和多余壓裂液。

傳統(tǒng)壓裂（多級(jí)投球壓裂滑套）與RFID智能滑套的工作方式對(duì)比結(jié)果見表1。從表1可以看出，RFID智能滑套壓裂技術(shù)對(duì)提高油氣開發(fā)效率和降低壓裂作業(yè)成本具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2 RFID智能滑套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 RFID智能滑套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

RFID智能滑套由通訊單元、電控單元、電動(dòng)單元、傳動(dòng)單元和滑套單元等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RFID智能滑套結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of the RFID intelligent sliding sleeve

通訊單元主要由天線及天線接頭組成，天線是由一根長(zhǎng)的導(dǎo)線繞在非導(dǎo)磁材料的天線內(nèi)筒上，負(fù)責(zé)接收RFID標(biāo)簽信息（見圖2（a））；電控單元主要由電控板和電池組成，負(fù)責(zé)分析天線接收到的信息并給電動(dòng)單元發(fā)出相應(yīng)指令，控制電動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)（見圖2（b）），其中電動(dòng)單元主要由電機(jī)與絲杠傳動(dòng)軸組成；傳動(dòng)單元的核心為絲杠螺母副，負(fù)責(zé)將電動(dòng)單元的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑套單元的軸向運(yùn)動(dòng)，從而控制滑套單元的開啟和關(guān)閉（見圖2（c））。通訊單元、電控單元和電動(dòng)單元均處于嚴(yán)格的密封環(huán)境中，確保無(wú)液體侵入，避免RFID智能滑套的電路系統(tǒng)失效。

圖2 RFID智能滑套部分單元功能Fig. 2 Functions of partial units of the RFID intelligent sliding sleeve

2.2 關(guān)鍵部件模擬分析

RFID智能滑套的天線外套筒、電控外套筒和滑套外套筒要求保證智能滑套內(nèi)部機(jī)構(gòu)的正常工作。為此，運(yùn)用模擬分析方法，分析和校核了天線外套筒、電控外套筒和滑套外套筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為優(yōu)化初步設(shè)計(jì)零部件的結(jié)構(gòu)提供參考，縮短設(shè)計(jì)周期。

2.2.1 天線外套筒

建立天線外套筒三維模型，劃分網(wǎng)格并優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，天線外套筒右端面全約束，另一端施加588 kN拉伸載荷，設(shè)定外壓為40.0 MPa，計(jì)算出天線外套筒的最大應(yīng)力為452.97 MPa（見圖3），而天線外套筒35CrMo材質(zhì)的屈服強(qiáng)度≥835 MPa，安全系數(shù)≥1.84，理論上安全，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 天線外套筒應(yīng)力分布云圖Fig. 3 Stress distribution cloud map on antenna outer sleeve

2.2.2 電控外套筒

建立電控外套筒三維模型，劃分網(wǎng)格并優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，電控外套筒一個(gè)端面施加全約束，另一端施加588 kN拉伸載荷，設(shè)定外壓為40.0 MPa，計(jì)算出電控外套筒的最大應(yīng)力為784.83 MPa（見圖4），而其35CrMo材質(zhì)的屈服強(qiáng)度≥835 MPa，安全系數(shù)≥1.06，雖然相對(duì)較小，但從圖4可以看出，應(yīng)力較大區(qū)域?yàn)殡娍赝馓淄捕瞬康囊恍〔糠郑瑢?duì)該部分安裝組合部件的影響較小，因此滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.3 滑套外套筒

建立滑套外套筒三維模型，劃分網(wǎng)格并優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，滑套外套筒一個(gè)端面施加全約束，另一端施加588 kN拉伸載荷，外壓設(shè)定為40.0 MPa，計(jì)算出滑套外套筒最大應(yīng)力為590.68 MPa（見圖5），而滑套外套筒35CrMo材質(zhì)的屈服強(qiáng)度≥835 MPa，安全系數(shù)≥1.41，部件強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 電控外套筒應(yīng)力分布云圖Fig. 4 Stress distribution cloud map on the electric control outer sleeve

圖5 滑套外套筒應(yīng)力分布云圖Fig. 5 Stress distribution cloud map on the outer sliding sleeve

天線外套筒、電控外套筒和滑套外套筒的強(qiáng)度校核結(jié)果表明，其力學(xué)性能均滿足使用要求。由上述各部件的應(yīng)力分布云圖可知，應(yīng)力較大部位分布在部件邊緣薄壁處，這可為RFID智能滑套關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考。

3 單元功能試驗(yàn)及樣機(jī)室內(nèi)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證各單元功能的可行性，開展了RFID智能滑套單元功能試驗(yàn)。在單元功能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研制出2套R(shí)FID智能滑套樣機(jī)，并進(jìn)行了樣機(jī)室內(nèi)試驗(yàn)。

3.1 單元功能試驗(yàn)

3.1.1 通訊單元

通訊單元主要負(fù)責(zé)信號(hào)接收，為防止信號(hào)被屏蔽，天線內(nèi)套筒為非導(dǎo)磁材料，天線纏繞其上。測(cè)試結(jié)果表明，天線磁場(chǎng)強(qiáng)度分布較為穩(wěn)定。當(dāng)RFID標(biāo)簽球經(jīng)過天線段時(shí)，天線進(jìn)行信號(hào)識(shí)別，并將識(shí)別的信號(hào)傳遞到電控單元，完成通訊。模擬不同工況，在流體速度0～5 m/s條件下投入RFID標(biāo)簽球，循環(huán)多次，天線均能接收到信號(hào)，表明RFID通訊可靠，且能滿足井下通訊要求。

3.1.2 電控單元與電動(dòng)單元

電控單元負(fù)責(zé)將通訊單元接收的信號(hào)分析并發(fā)送給電動(dòng)單元，精確控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向及圈數(shù)，并為電控及電動(dòng)單元提供電能。試驗(yàn)時(shí)，在電機(jī)輸出軸上作好參考標(biāo)記，將含有正反轉(zhuǎn)及一定角度的模擬信號(hào)直接傳輸?shù)诫娍貑卧?，觀察電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)方向及角度；經(jīng)過多次單元試驗(yàn)驗(yàn)證并對(duì)電控單元控制程序進(jìn)行改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)了電控單元精確控制電動(dòng)單元的功能。

3.1.3 滑套單元

傳動(dòng)單元將電動(dòng)單元電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為軸向位移，控制滑套的開啟和關(guān)閉。滑套層間設(shè)有密封圈，阻力較大，電機(jī)需克服摩擦阻力并控制滑套完成開啟和關(guān)閉。試驗(yàn)時(shí)，拉力和壓力傳感器檢測(cè)滑套單元在開啟、關(guān)閉過程中所需的軸向作用力，反向計(jì)算出電機(jī)所需的輸出轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過驗(yàn)算電機(jī)輸出的扭矩滿足預(yù)設(shè)要求，滑套單元能正常工作。

通訊單元、電控單元與電動(dòng)單元和滑套單元的功能試驗(yàn)結(jié)果表明，各單元的功能均能實(shí)現(xiàn)，且工作情況良好，驗(yàn)證了各單元的可靠性，同時(shí)為整機(jī)功能性驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)。

3.2 樣機(jī)室內(nèi)試驗(yàn)

對(duì)研制的RFID智能滑套樣機(jī)進(jìn)行了室內(nèi)加壓試驗(yàn)，測(cè)試了滑套在高溫高壓工況下滑套密封和開啟關(guān)閉的可靠性，并進(jìn)行了室內(nèi)投球試驗(yàn)，測(cè)試了電機(jī)對(duì)滑套開度的控制性能。

3.2.1 室內(nèi)加壓試驗(yàn)

RFID智能滑套右側(cè)與帶有閥門的液壓管線堵頭相連，左端接高壓泵的液壓管線，接通泵的電源，將泵排量調(diào)節(jié)至最大，向滑套內(nèi)泵入120 ℃液壓油，排出滑套內(nèi)空氣，直到右端液壓管線閥門口有連續(xù)液體流出，關(guān)閉右端液壓管線的閥門；調(diào)節(jié)泵閥門，依次將泵壓升至10，30，50和70 MPa，分別穩(wěn)壓1.0 h，觀察各個(gè)過程中泵壓是否下降；測(cè)試密封性能后，測(cè)試滑套高壓載荷下開啟和關(guān)閉的可靠性，因高壓泵的排量較小，難以帶動(dòng)RFID標(biāo)簽球移動(dòng)，故進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)借助輔助通訊方式控制滑套的開啟和關(guān)閉，測(cè)試滑套在泵壓10，30，50和70 MPa條件下的開啟和關(guān)閉功能是否正常。

不同泵壓下的測(cè)試結(jié)果見表2。從表2可以看出，滑套在溫度120 ℃、壓力10～70 MPa條件下密封效果良好，且滑套內(nèi)部壓力越大，滑套從關(guān)閉狀態(tài)到全開啟狀態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)。

表 2 RFID智能滑套樣機(jī)加壓試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Pressure test results of prototype of RFID intelligent sliding sleeve

3.2.2 投球試驗(yàn)

從RFID智能滑套上接頭端投入1#RFID標(biāo)簽球控制滑套全開，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，從滑套孔處觀察滑套的運(yùn)動(dòng)情況，滑套停止移動(dòng)時(shí)暫停計(jì)時(shí)，記錄全開啟時(shí)間；1.0 min后，投入2#RFID標(biāo)簽球控制滑套關(guān)閉，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，從滑套孔處觀察滑套運(yùn)動(dòng)情況，滑套停止移動(dòng)時(shí)暫停計(jì)時(shí)，記錄關(guān)閉時(shí)間；1.0 min后，投入3#RFID標(biāo)簽球控制滑套開度達(dá)到1/4，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，從滑套孔處觀察滑套運(yùn)動(dòng)情況，滑套停止移動(dòng)時(shí)暫停計(jì)時(shí)，記錄開啟1/4開度的時(shí)間；再投入2#RFID標(biāo)簽球關(guān)閉滑套。重復(fù)上述步驟，投入相應(yīng)標(biāo)簽球，分別測(cè)試滑套開啟1/2和3/4開度時(shí)的啟閉情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，投入標(biāo)簽球后，信號(hào)均可被天線接收，通過信號(hào)傳輸接頭傳遞至電控腔室內(nèi)，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使滑套達(dá)到預(yù)設(shè)開度。

室內(nèi)樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，該RFID智能滑套密封性能良好，滑套通訊成功率高，滑套窗口開度連續(xù)可調(diào)，且開啟和關(guān)閉功能可靠性好。

4 結(jié)論與建議

1）RFID智能滑套壓裂施工簡(jiǎn)單，理論上可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，全通徑、分段壓裂，可選擇性壓裂和重復(fù)壓裂等，克服了傳統(tǒng)多級(jí)投球壓裂操作復(fù)雜、效率低和成本高等缺點(diǎn)。

2）RFID智能滑套在120 ℃、70 MPa條件下的通訊成功率良好，滑套開啟和關(guān)閉功能可靠性高，可連續(xù)精確控制滑套1/4開度、1/2開度、3/4開度、全開和全閉。

3）RFID智能滑套壓裂技術(shù)和配套R(shí)FID智能滑套的研究對(duì)降低分段壓裂施工成本，提高油氣采收率，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝難度，推動(dòng)油氣開發(fā)作業(yè)向智能化和高效化發(fā)展提供了技術(shù)參考，并展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。

4）RFID智能滑套進(jìn)行了部分功能的室內(nèi)驗(yàn)證試驗(yàn)，密封性能及可靠性良好，但目前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證還存在一些難題，需進(jìn)一步驗(yàn)證和研究含砂介質(zhì)出入滑套窗口時(shí)的密封可靠性。