智能完井系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

李瑞豐* 劉傳剛 張 亮 劉景超 張璽亮 楊建義

（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）

1 概述

海上油氣田多層系、油藏非均質(zhì)性較強、層段間干擾嚴(yán)重，常規(guī)分采技術(shù)調(diào)整生產(chǎn)層位手段有限，不能控制油井的水氣錐進問題，開采效果差，油氣藏水淹或進入高含水期，致使油井過早水侵而造成全井的快速水淹報廢，生產(chǎn)周期短，單井利用率低，油藏采收率降低。[1]

智能完井技術(shù)可通過井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析解釋、生產(chǎn)動態(tài)優(yōu)化計算及遠(yuǎn)程井下流體控制的方式最終實現(xiàn)閉環(huán)式的油井生產(chǎn)智能化管理，在提高采收率及降低油氣井后期生產(chǎn)調(diào)控費用等方面具有明顯優(yōu)勢[2]。智能完井系統(tǒng)包括地面控制單元，井下數(shù)據(jù)傳輸單元，井下測量單元，井下生產(chǎn)流體控制單元四部分，其技術(shù)核心在于實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和產(chǎn)量的優(yōu)化控制[3]。

智能完井技術(shù)在1997 年被首次應(yīng)用于挪威的海上油田的開發(fā)，通過技術(shù)升級及系統(tǒng)完善，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于北海、墨西哥灣、海灣地區(qū)等，為深水、海上、無人平臺及老油田的開發(fā)帶來了希望。據(jù)不完全統(tǒng)計，陸地及海上油田采用智能完井系統(tǒng)開發(fā)的油氣井已超過2000 口，未來隨著深水開發(fā)及無人平臺的廣泛應(yīng)用，智能完井技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用規(guī)模將進一步擴大[4-6]。

2 中海油智能完井系統(tǒng)研究

為實現(xiàn)國產(chǎn)化的智能完井系統(tǒng)開發(fā)，鑒于直接液力式智能完井系統(tǒng)是通過液控管線將液壓直接作用在井下流量控制器上，推動井下流量控制器液壓缸活塞運動，實現(xiàn)流量控制器的開度調(diào)節(jié)的控制原理，其具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠性高的特點，中海油依托“十三五”國家科技重大專項子課題，針對n+1 直控電測的智能完井系統(tǒng)開展了一系列的研究，形成了一套適用9-5/8″套管井2 層獨立控制的智能完井關(guān)鍵工具產(chǎn)品，主要包括井下流體生產(chǎn)控制總成和井下參數(shù)測量總成兩部分。

2.1 井下流體生產(chǎn)控制總成

井下流體生產(chǎn)控制總成是通過地面液壓控制單元作為壓力輸出源，以液壓油為傳壓介質(zhì)，實現(xiàn)井下流量控制器的開度調(diào)節(jié)，最終滿足井下目標(biāo)層的最優(yōu)化生產(chǎn)的需要。

中海油開發(fā)了適用9-5/8″套管井2 層獨立控制的井下流量控制總成。包括地面液壓站、上位機、三根一組整體塑封的1/4″液控管線組、過電纜液控管線封隔器和井下流量控制器工具。其中，地面液壓站可實現(xiàn)本地/遠(yuǎn)程兩種模式的3 路液壓輸出控制，單路最大輸出壓力8500psi，具備輸出壓力、輸出流量及井下流量控制器開度狀態(tài)監(jiān)測功能；過電纜液控管線封隔器密封達壓差50MPa，耐溫150℃，可滿足6 條管線的穿越。井下流入控制原理圖見圖1。

圖1 井下流入控制原理圖

2.1.1 井下流量控制器

圖2 為井下流量控制器的結(jié)構(gòu)示意圖。井下流量控制器主要由上接頭、外筒、軌道套活塞、開度套、導(dǎo)向釘、下接頭等部分組成。

圖2 井下四級流量控制閥結(jié)構(gòu)示意圖

井下流量控制器的工作原理：開度套在軸向上分布有不同直徑大小的孔道滿足井下流體的流動，軌道套、導(dǎo)向釘、活塞和下中心管組成中心管路，活塞前后腔分別連接有液控管線可實現(xiàn)活塞腔的進油和回油，活塞在液壓作用下上下運動，帶動軌道套和下中心管做軸向移動，軌道套為J 形槽結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向釘?shù)竭_J 形槽的設(shè)計位置時，中心管路鎖定，下中心管與開度套不同位置的流道孔實現(xiàn)對應(yīng)，從而通過不同次數(shù)的壓力作用實現(xiàn)地面對井下各目標(biāo)層的井下流量控制器的開度調(diào)節(jié)。

2.1.2 地面控制單元

地面控制單元由地面液壓站和上位機組成，其控制流程見圖3。地面控制單元通過對井下傳感器采集的溫度、壓力及流量等電信號通過解碼、降噪處理后轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號并繪制相關(guān)的曲線，為技術(shù)人員進行油藏開發(fā)方式優(yōu)化調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐，指導(dǎo)生產(chǎn)井人為干預(yù)措施的制定。根據(jù)生產(chǎn)井生產(chǎn)調(diào)控需要，實現(xiàn)地面對井下流量控制器的開度調(diào)節(jié)。

圖3 地面控制單元流程圖

地面液壓站是井下流量控制器開度調(diào)節(jié)的動力來源，可實現(xiàn)本地控制和借助上位機的遠(yuǎn)程控制2 種控制模式，滿足井口區(qū)和無人平臺的控制需求。地面液壓站可通過計量輸出流體體積、回油流體體積、輸出壓力值等參數(shù)來判斷井下流量控制器是否執(zhí)行了相應(yīng)的開度調(diào)節(jié)動作，但在對地面液壓站進行設(shè)計時，鑒于井下流量控制器常位于井下1000m 以上的深度處，液壓傳遞所用的液控管線內(nèi)徑較小，屬于長管線小流量的流動范疇，同時傳壓介質(zhì)液壓油本身具有粘性，在設(shè)計輸出壓力時需考慮長距離液壓傳輸壓力損失的影響，即液壓控制站輸出的壓力應(yīng)為井下流量控制器的臨界驅(qū)動壓力和管線壓力損失之和：

長距離液壓傳遞過程中，液壓油在液控管線中的流動為層流。液壓油在液壓管線中流動的壓力損失?P損失可根據(jù)達西公式進行計算：

式中，λ 為液控管線的沿程阻力系數(shù)，無量綱；l 為液控管線的長度，m；d 為液控管線的直徑，m；ρ 為液壓油的密度，kg/m3；ν 為液壓油在液控管線中的平均流速，平均進油量與管線截面積之比v=，m/s。

對于層流流動，沿程阻力系數(shù)λ≈75/Re，液壓油的雷諾系數(shù)，其中μ 為液壓油的粘度。

將公式帶入達西公式得到：

由沿程壓力損失公式可知，當(dāng)液壓油型號、管線尺寸和管線長度確定后，沿程壓力損失只和進油的流量大小有關(guān)。進油流量增大，液控管線的沿程壓力損失也增大。

2.2 井下參數(shù)測量總成

井下參數(shù)測量總成包括地面數(shù)據(jù)采集模塊、信號電纜和井下溫度、壓力、流量傳感器3 個組成部分，其主要功能是通過傳感器采集井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為電信號，借助信號電纜實現(xiàn)信號的傳輸，在地面通過數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及電信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化，最終實現(xiàn)實時監(jiān)測生產(chǎn)層位參數(shù)的目的。井下參數(shù)測量原理如圖4 所示。

圖4 井下參數(shù)測量原理框圖

2.2.1 地面參數(shù)測量采集模塊

將井下傳感器傳回的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過通訊接口將數(shù)字信號傳送給地面控制單元，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理與存儲。模塊技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 地面電纜測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)表

2.2.2 井下傳感器

井下測量傳感器是將目標(biāo)層測量的參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號，并通過信號電纜傳送至地面控制系統(tǒng)，實現(xiàn)目標(biāo)層生產(chǎn)參數(shù)的測量。通過對比選型，中海油智能完井系統(tǒng)選用電子式溫度傳感器及壓力傳感器做為井下傳感器進行井下生產(chǎn)參數(shù)的測量，技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 中海油智能完井系統(tǒng)用傳感器參數(shù)表

2.2.3 信號電纜的選型

信號電纜可實現(xiàn)井下傳感器與地面控制系統(tǒng)的信號通訊。中海油智能完井系統(tǒng)信號電纜選用銅芯線直徑1.29mm 的單股單芯電纜，芯線電阻率≤14.4Ω/km（20℃），絕緣電阻每千米電纜≥49200 兆歐，信號衰減很小，通訊可靠性高。

3 結(jié)論和建議

3.1 智能完井技術(shù)通過井下數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析解釋、生產(chǎn)動態(tài)優(yōu)化計算及遠(yuǎn)程井下流體控制最終實現(xiàn)閉環(huán)式的油井生產(chǎn)智能化管理。

3.2 針對深水、水下井口、無人平臺等復(fù)雜工況，可采用智能完井技術(shù)進行開發(fā)，降低后期修井成本，提高采收率。

3.3 受國外專利技術(shù)及產(chǎn)品制約，進口智能完井技術(shù)成本較高，需開展技術(shù)自主化升級、產(chǎn)品系列化和可靠性等攻關(guān)，形成耐高溫、高可靠性、多層多級的智能完井技術(shù)，滿足海上油氣開發(fā)的需求。