井下電控滑套研制與試驗

劉義剛,張志熊,鄒明華,晁圣棋,張 樂,丁德吉

(1.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)①

渤海油田的地層非均質(zhì)性嚴重，油層較厚，產(chǎn)液剖面不均衡。隨著渤海油田開發(fā)的不斷推進，含水也不斷上升，部分主力油田進入高含水期，為提高開采效率，已逐步開展分層開采技術的應用[1-4]。

目前，渤海油田有近500口分采井，絕大部分采用機械滑套作為配產(chǎn)工具，機械滑套的開啟或關閉需要鋼絲作業(yè)，對于井斜較大的井，作業(yè)困難，甚至部分井需要用到專門的連續(xù)油管作業(yè)。針對這些作業(yè)問題，渤海油田曾經(jīng)嘗試過用智能滑套[5-6]作為配產(chǎn)工具進行分層開采，而智能滑套內(nèi)置電池，其壽命受電池壽命的影響，該技術沒有在渤海油田成功推廣。筆者研制了一種電控滑套，形成了以電控滑套為配產(chǎn)工具的新型分層開采工藝。

1 現(xiàn)有機械滑套技術分析

以機械滑套作為配產(chǎn)工具的分層開采工藝管柱如圖1所示。機械滑套設置在各個層段，各層段之間通過定位密封和插入密封進行分層，產(chǎn)液通過機械滑套的進液口(也是出液口)進入生產(chǎn)管柱，經(jīng)帶孔管流入套管，然后由電泵舉升至地面。機械滑套適應于防砂段內(nèi)徑≥82.55 mm，適用井斜≤60°。

圖1 機械滑套分采工藝管柱示意

在需要開啟或關閉某一層時，鋼絲連接機械滑套開關的專用工具，到位后，通過震擊下壓或上提機械滑套內(nèi)置的機械開關，實現(xiàn)滑套的開啟或關閉。某種機械滑套及其配套使用的開關工具[7-8]如圖2～3所示。

圖2 機械滑套示意

圖3 機械滑套開關工具示意

機械滑套作為分層配產(chǎn)工具在渤海油田使用廣泛，其成本較低。但機械滑套的開關一般是通過鋼絲作業(yè)進行的，當遇到大井斜的作業(yè)井，則需要動用連續(xù)油管作業(yè)，其開關操作略顯繁瑣。渤海油田一口井下入了4套機械滑套，為了測試各層靜壓，開啟滑套6次，關閉滑套7次，耗時30 h以上。另外，機械滑套工作狀態(tài)只能是全開或全關，無法有效調(diào)節(jié)各層的生產(chǎn)壓差，難以對各層進行合理、高效開采。

2 電控滑套

電控滑套與機械滑套相比，最大的不同點在于電控滑套采用鋼管電纜作為傳輸載體，地面發(fā)送指令通過鋼管電纜傳遞給電控滑套，電控滑套收到指令后進行開關動作。電控滑套分層開采工藝管住如圖4所示。

圖4 電控滑套分采工藝管柱示意

與機械滑套分層開采工藝相比，電控滑套增加了鋼管電纜、地面工況機及相應的上位機。工況機一是通過鋼管電纜給井下的電控滑套供電，二是進行數(shù)據(jù)通信傳輸，三是與上位機進行通信；上位機內(nèi)含操作軟件，可對電控滑套發(fā)送指令，顯示電控滑套的狀態(tài)信息等。

2.1 結(jié)構及原理

電控滑套主要由下接頭、電纜連接頭、滑環(huán)導電機構、調(diào)節(jié)臂機構、控制線路、限位機構、陶瓷閥機構、過濾網(wǎng)、主體部分、外套管、壓力傳感器等組成，如圖5所示。主體部分用于連接其上的工具，提供過流通道，并設置電纜連接口，用于將生產(chǎn)控制器通過電纜連接起來。在主體部分圓周上的一部分增加過濾網(wǎng)，防止一些大尺寸的雜物進入電控滑套內(nèi)部；外套管連接主體部分和下接頭，并將電機、控制線路等保護起來，同時提供主過液通道；下接頭用于連接其下的工具，提供主過流通道，在其一側(cè)設置電纜連接口，將電控滑套通過電纜連接起來。

圖5 電控滑套結(jié)構示意

電控滑套的線路主要由單片機、指令信號檢波/前置放大/整形單元、井下信號功率放大、井下數(shù)據(jù)信號調(diào)制載波單元、管柱/地層壓力計、溫度傳感器、各模擬信號放大處理單元、閥開度、上/下限位測量單元、電機工作電流測量單元、纜頭電壓測量單元、電機功率驅(qū)動單元、數(shù)據(jù)存貯單元、變速電機等組成。

電控滑套的調(diào)節(jié)過程：地面工況機通過鋼管電纜發(fā)送調(diào)節(jié)指令，電控滑套接受到指令后，經(jīng)過解碼電路解碼，電機控制電路開啟電機工作。由調(diào)節(jié)臂將作用力傳遞給調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)開度大小。調(diào)節(jié)臂轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生脈沖信號，電控滑套的內(nèi)置芯片通過采集脈沖信號確定調(diào)節(jié)閥的行程，當達到調(diào)節(jié)閥開度所需值時，芯片通過電機控制電路關閉電機，完成開度調(diào)節(jié)。

2.2 技術參數(shù)

最大外徑 ?114 mm

中心通徑 ?44 mm

工作壓差 40 MPa

工作溫度 120 ℃

閥調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩 ≤3 N·m

電機轉(zhuǎn)矩 8 N·m

調(diào)節(jié)行程 54 mm

單層產(chǎn)液量 500 m3/d

2.3 技術特點

1) 開度可無級調(diào)節(jié)，并可在線直讀，隨測隨調(diào)。

2) 能夠完成數(shù)據(jù)通訊，壓力、溫度、流量的實時監(jiān)測，流量調(diào)控，驗封等功能。

3) 滿足高液量、油水混合條件下對流量測試的要求。

4) 具有防砂卡能力。

3 試驗與分析

3.1 整體試壓試驗

對電控滑套進行了整體試壓和調(diào)節(jié)試驗。將電控滑套置于套筒中，從套筒加壓至50 MPa，并保持3 d，期間不定時檢測電控滑套的狀態(tài)信息，對其進行開度調(diào)節(jié)，觀察其是否能正常工作，如圖6所示。

圖6 電控滑套整體試壓試驗

經(jīng)測試，電控滑套在50 MPa壓力下能正常工作，其開度可正常調(diào)節(jié)。

3.2 聯(lián)調(diào)試驗

將6套電控閥與地面工況機通過5 000 m鋼管電纜串聯(lián)起來，地面工況機通過RS-485轉(zhuǎn)USB連接電腦，測試電控滑套能否正常通信、調(diào)節(jié)，如圖7所示。

圖7 電控滑套與地面工況機聯(lián)機試驗

試驗過程：①通過上位機控制地面工況機讀寫電控滑套層位位號，編號，通信是否正常；②直讀電控滑套壓力、溫度值，驗證地面工況機是否可以實時監(jiān)測電控滑套，并能完成壓力、溫度的測量；③通過上位機控制地面工況機向電控滑套發(fā)送開度調(diào)節(jié)指令，電控滑套按照指令進行開度調(diào)節(jié)。

試驗結(jié)果：地面工況機與6套電控滑套均能正常工作，可以通過上位機對各個電控滑套進行測試與開度調(diào)節(jié)，正調(diào)或者反調(diào)均能順利進行，如圖8所示。

圖8 聯(lián)調(diào)試驗測試

3.3 試驗井試驗

將電控滑套連接管柱并下入試驗井，電控滑套下入深度203.46 m，試驗井外套管為?339.7 mm，內(nèi)套管為?244.5 mm，電控滑套所在管柱從上至下依次設置有電泵系統(tǒng)、封隔器、電控滑套，電控滑套的電纜連接孔連接鋼管電纜，鋼管電纜至地面與地面工況機連接，地面工況機與上位機連接，封隔器密封?244.5 mm套管。從地面通過?339.7 mm套管供水，啟動電泵后，水通過電控滑套進入電控滑套管柱內(nèi)，并通過電泵舉升至地面。

從試驗結(jié)果看，通過上位機發(fā)送調(diào)節(jié)指令，上位機測調(diào)軟件顯示通信成功，電控滑套的開度不斷變化，正調(diào)或者反調(diào)均可。當正調(diào)至電控滑套全開狀態(tài)時，開度顯示100%，測調(diào)軟件顯示電控滑套為全開狀態(tài)，當反調(diào)至電控滑套全關狀態(tài)時，開度顯示為0，測調(diào)軟件顯示電控滑套為全關狀態(tài)。

對電控滑套進行流量調(diào)節(jié)試驗，使電控滑套的開度處于30%、50%、70%、80%、100%，記錄流經(jīng)電控滑套的流量，對應的流量分別為65、183、242、254、270 m3/d，說明開度越大，流量越大。

4 結(jié)論

1) 研制的電控滑套可實現(xiàn)分層開采，與常規(guī)分采工藝比較，效率更高。

2) 通過試驗檢驗了電控滑套的可靠性。電控滑套工作壓力高，滿足現(xiàn)場使用要求，并可進行多級串聯(lián)，各級電控滑套均能正常工作；可實現(xiàn)多層分層開采的需求、在線正調(diào)或反調(diào)開度，且可實現(xiàn)開度的無級調(diào)節(jié)，用于精細注入作業(yè)。正調(diào)情況下，開度增大，過流量也增大，反調(diào)則反之。

3) 電控滑套不僅適應于分層開采工藝，而且在其它機械滑套使用的場合，也可使用電控滑套來完成，例如作為洗井工具等。