液控型智能完井關(guān)鍵工具的研究與先導(dǎo)性試驗

張衛(wèi)平， 沈澤俊， 廖成龍， 錢 杰， 張國文， 李 明

中國石油集團科學(xué)技術(shù)研究院

0 引言

近年來，隨著油氣資源開采逐步向深層、復(fù)雜地層和海洋地區(qū)發(fā)展，水平井分支井應(yīng)用增多、深海及灘海油田的比重增加，開發(fā)難度不斷加大，主要面臨以下問題：①多層段高溫高壓深井測試成本高、風(fēng)險大、生產(chǎn)控制難；②水平井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井日益增多，層間干擾嚴(yán)重，局部含水上升快，缺乏有效分采和控制手段；③海上油田和海外油氣業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，需要先進的生產(chǎn)完井方式[1]。

智能完井系統(tǒng)是集井下動態(tài)監(jiān)測與生產(chǎn)實時控制為一體的前沿技術(shù)，能夠優(yōu)化生產(chǎn)、管理油藏和提高采收率，是當(dāng)前油氣開采發(fā)展趨勢的代表性技術(shù)。井下動態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)是智能完井系統(tǒng)的“眼睛”，按監(jiān)測方式主要分為電子傳感器和光學(xué)傳感器，其中應(yīng)用光纖傳感器進行井下各參數(shù)測量是主要發(fā)展方向。生產(chǎn)實時控制子系統(tǒng)是智能完井系統(tǒng)實施優(yōu)化生產(chǎn)的執(zhí)行系統(tǒng)，按驅(qū)動方式主要分為液壓、電子和電液混合三種方式，其中液壓驅(qū)動具有較高的安全性、適應(yīng)高溫高壓井況等優(yōu)點，在國外及海上油田的實際應(yīng)用中占比較大。國外智能完井技術(shù)經(jīng)過近30年的發(fā)展已經(jīng)成熟，各大油氣公司均擁有自主品牌的智能完井系統(tǒng)并獲得了廣泛應(yīng)用,如Baker Hughes公司的MultiNode全電動智能完井系統(tǒng)和Inforce液壓智能完井系統(tǒng)，WellDynamics公司的Smart Well智能完井系統(tǒng)，以及Weatherford公司的Simply Intelligent光纖監(jiān)測智能完井系統(tǒng)等。國內(nèi)智能完井技術(shù)目前初步形成了具有自主產(chǎn)權(quán)的智能完井系統(tǒng)，但應(yīng)用時間較短，系統(tǒng)的可靠性和耐久性有待進一步驗證[2- 10]。

基于上述情況，中國石油集團科學(xué)技術(shù)研究院研制了一套新型液控型智能完井系統(tǒng)。該系統(tǒng)的生產(chǎn)控制采用了液壓遠(yuǎn)程驅(qū)動方式，井下動態(tài)監(jiān)測采用光纖傳感器測量井下參數(shù)。液控型智能完井系統(tǒng)在吐哈油田進行了現(xiàn)場試驗，實現(xiàn)了多層段油井的分層測控。

1 液控型智能完井系統(tǒng)的原理及主要裝備

1.1 技術(shù)原理

液控型智能完井系統(tǒng)主要包括兩部分：井下流動控制子系統(tǒng)和井下動態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液控型智能完井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

井下流動控制子系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程液壓驅(qū)動的方式，主要包括井下液控滑閥、地面液壓控制站、管纜穿越式封隔器等關(guān)鍵裝備。井下液控滑閥安裝在每個層段的射孔部位附近，通過固定在油管上的液壓控制管線與地面液壓控制站相連接。單個滑閥需要兩根液壓控制管線，當(dāng)滑閥數(shù)量超過兩個時，液壓控制管線的數(shù)量(n+1個)則取決于井下滑閥的數(shù)量(n個)，其中一根液控管線作為公共管線而存在。由于液壓控制管線的存在，需要采用管纜穿越式封隔器對各層段進行封隔。

井下動態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)基于光纖技術(shù)研制，可以實時測量井下各層的溫度、壓力和整個井筒的溫度剖面。井下光纖溫度壓力傳感器部署在各個產(chǎn)層段附近，使用一根通訊光纜連接到地面解調(diào)設(shè)備。同時，該通訊光纜可以作為分布式溫度傳感器測量整個井筒的溫度剖面。

1.2 井下液控滑閥

井下液控滑閥是液控型智能完井系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備，是井下流動控制系統(tǒng)的直接執(zhí)行機構(gòu)，主要作用是控制某一層段流體的流入與流出，并控制流體流量的大小，其結(jié)構(gòu)原理圖見圖2。液控滑閥的上端設(shè)計有一個活塞液壓缸結(jié)構(gòu)。液壓缸分為上下兩個部分，兩根液控管線分別連接在上液缸和下液缸上。在活塞桿上通過軸承連接有V型槽結(jié)構(gòu)的圓筒，可隨活塞桿上下移動并發(fā)生轉(zhuǎn)動。在滑閥的外壁上對應(yīng)V型槽處安裝有兩個定位銷釘，該銷釘僅可在V型槽內(nèi)上下活動。在V型槽圓筒的下面連接有一個過流圓筒，在過流圓筒上安裝有多個不同大小的油嘴。對應(yīng)過流圓筒部位的滑閥外壁上，設(shè)計一外側(cè)過流孔。當(dāng)滑閥活塞桿在液壓力作用下上下運行時，帶動V型槽圓筒運動。由于V型槽和固定銷釘?shù)淖饔茫沟没钊麠U的每次運動不能超過J型槽的上下死點。同時由于活塞桿運動，使得當(dāng)每次固定銷釘處于J型槽的上下死點時，過流圓筒上的某個油嘴則對準(zhǔn)外側(cè)過流孔，從而使得定流量的流體流入滑閥內(nèi)部。圖2中V型槽上3、4、5、6數(shù)字分別對應(yīng)過流直徑為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm的油嘴。

圖2 井下液控滑閥原理圖

為避免在長期沖蝕的情況下發(fā)生內(nèi)徑變大的情況，滑閥上使用的油嘴采用了專業(yè)定制的碳化鎢合金材料，具有耐磨、耐沖蝕的特點。由于油嘴是法向進液，朝向油嘴的滑套內(nèi)壁處存在被液流沖蝕或刺穿的風(fēng)險。因此，滑套采用42 CrMo合金調(diào)質(zhì)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后硬度可達(dá)到229～269 HB。此外，滑套內(nèi)壁采用了等離子噴涂碳化鎢表面處理工藝提高表面硬度，以最大程度的降低產(chǎn)液的沖蝕影響。

為滿足高溫情況下能正常工作，井下液控滑閥的所有密封圈均采用聚四氟乙烯材質(zhì)。操作者將滑閥放入高溫加熱設(shè)備的內(nèi)腔，在經(jīng)過150 ℃持續(xù)加溫24 h后，對滑閥進行了抗內(nèi)壓和動作測試。滑閥在75 MPa的情況下保壓10 min沒有泄漏，滑閥的動作調(diào)節(jié)準(zhǔn)確可靠。

主要技術(shù)指標(biāo)(適用于?127 mm套管)：流量調(diào)節(jié)級數(shù)為6級，分別是全開、全關(guān)和4個中間狀態(tài)(油嘴直徑分別為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm)；最大工作壓力70 MPa；最大工作溫度150 ℃；長度2 000 mm；最小內(nèi)徑40 mm；最大外徑 110 mm。

1.3 地面液壓控制站

地面液壓控制站是井下流動控制子系統(tǒng)的控制單元，主要作用是遠(yuǎn)程輸出高壓小流量流體給井下液控滑閥，控制滑閥的正反向運動和運動速度，并在地面反映滑閥的運動狀態(tài)。根據(jù)井下液控滑閥的要求，地面液壓控制站必須輸出高壓小流量的液體[11]，其原理結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 地面液壓控制站原理圖

液壓站通過壓縮空氣驅(qū)動高壓氣驅(qū)液泵，從而得到最大100 MPa的工作壓力。高壓出口共分四個回路，每個回路分別設(shè)有高壓截斷閥、高壓卸荷閥和壓力表，通過高壓截止閥的開關(guān)設(shè)定四個回路供排油狀態(tài)，實現(xiàn)井下不同滑閥的開關(guān)控制。在輸入端和輸出端均安裝了流量計和壓力計，用來判斷井下液控滑閥的運行速度和判斷滑閥的運行狀態(tài)是否到位。

主要技術(shù)指標(biāo)：輸出工作壓力范圍0～100 MPa(可調(diào))；輸出流量10～850 mL/min(可調(diào))；輸入/輸出壓力接口為4路；工作介質(zhì)為抗磨液壓油及高黏度指數(shù)合成液壓油；總功率不大于10 kW。

1.4 井下光纖動態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)

井下光纖動態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)是智能完井系統(tǒng)的“眼睛”，是構(gòu)成主系統(tǒng)的核心部件和關(guān)鍵因素，能夠單獨或集成應(yīng)用于油氣生產(chǎn)井及注水井、稠油熱采井等在線實時監(jiān)測。該系統(tǒng)通過光纜采集并傳輸安裝在井下管柱上的溫度、壓力、分布式溫度等各類傳感器產(chǎn)生的信號，能夠?qū)崿F(xiàn)在地面監(jiān)測裝置中實時監(jiān)測井下各項參數(shù)，如圖4所示。該系統(tǒng)由井下傳感器及載體、信號傳輸通道、地面解調(diào)儀三部分組成。井下溫度壓力傳感器安裝在與油管相連接的傳感器托筒上。信號傳輸通道主要由光纜、相應(yīng)的光纜連接和保護元器件組成。地面解調(diào)儀則分為井下溫度壓力解調(diào)器和分布式測溫解調(diào)器。井下光纖溫度傳感器和壓力傳感器集成安裝在一個裝置上，光纖壓力傳感器采用光纖法布里—帕羅腔結(jié)構(gòu)測壓原理研制，光纖溫度傳感器則采用光纖光柵(FBG)的測溫原理研制。井下分布式測溫光纖則集成在井下光纜上，結(jié)合了光纖時域反射技術(shù)和自發(fā)拉曼散射的溫度效應(yīng)研發(fā)。

圖4 井下光纖動態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

井下光纜設(shè)計采用三層金屬管成纜工藝，見圖5。外徑6.35 mm，最內(nèi)側(cè)管內(nèi)徑3.0 mm，在保證加工工藝成熟可靠的同時，實現(xiàn)了光纜耐受150 ℃高溫和70 MPa高壓、耐井下腐蝕環(huán)境的設(shè)計。

圖5 井下光纜結(jié)構(gòu)示意圖

主要技術(shù)指標(biāo)：光纖溫度傳感器測溫范圍0～150 ℃，精度±0.5℃；光纖壓力傳感器測壓范圍0～70 MPa，精度±0.05 MPa；井下分布式測溫光纖測溫范圍0～150 ℃，精度±1℃，空間分辨率0.25 m。

2 現(xiàn)場試驗與效果分析

液控型智能完井在吐哈油田的一口采油井上成功進行了現(xiàn)場試驗。試驗井井深2 972 m，原開采方式為兩層混合開采，地質(zhì)設(shè)計要求將該井分為兩層并進行分層開采，落實各生產(chǎn)層的單層生產(chǎn)狀況。

2.1 生產(chǎn)管柱設(shè)計

智能完井生產(chǎn)管柱與其它常規(guī)完井管柱相比，其最大特點在于生產(chǎn)管柱上需要攜帶各種管纜：如流動控制需要的液壓控制管線或電纜，井下實時監(jiān)測所需要的光纜或電纜等。生產(chǎn)管柱上攜帶的管纜對起下管柱會產(chǎn)生一些影響，頻繁的起下管柱對管纜的壽命也將造成損害。因此，在設(shè)計智能完井生產(chǎn)管柱時，應(yīng)盡量考慮盡可能減少后期的修井作業(yè)。

液控型智能完井生產(chǎn)管柱由井下液控滑閥、傳感器托筒、穿越式封隔器、桿式抽油泵、液壓控制管線、光纜、管纜保護卡子等工具組成。根據(jù)地質(zhì)設(shè)計的要求，該井的生產(chǎn)管柱設(shè)計見圖6。

圖6 液控型智能完井生產(chǎn)管柱設(shè)計圖

兩個層段之間使用Y441型管纜穿越式封隔器進行分隔，在每個層段各部署了1套井下液控滑閥和1套光纖溫度壓力計托筒。兩套井下液控滑閥通過3根液壓控制管線連接到地面液壓站。下層的托筒上安裝了2只光纖溫度壓力傳感器，可以分別同時測量油管內(nèi)和下層環(huán)空的壓力溫度。上層的托筒上安裝了1只光纖溫度壓力傳感器，用來測量上層環(huán)空的壓力溫度。光纖傳感器通過光纜連接到地面解調(diào)儀，光纜中的一根光纖作為分布式溫度傳感器用來測量全井筒溫度剖面。舉升設(shè)備采用了桿式泵，可以在不動生產(chǎn)管柱的情況下實現(xiàn)檢泵作業(yè)。

2.2 管纜穿越式封隔器試驗效果分析

在封隔器到達(dá)指定位置后，為確保封隔器在坐封之后不會因下壓差過大或管柱蠕動而提前解封，采取“先坐封后坐掛”的方式，在坐封前將生產(chǎn)管柱上提0.3 m。坐封前將兩個液控滑閥調(diào)節(jié)到關(guān)閉狀態(tài)，以確保油管內(nèi)能夠憋壓。

通過安裝在生產(chǎn)管柱上的光纖壓力傳感器傳回的數(shù)據(jù)驗證了封隔器的坐封過程和坐封效果(表1),在封隔器坐封過程中，油管內(nèi)壓力隨泵車壓力變化而同步遞增，說明油管內(nèi)能夠憋壓，且壓力作用在了封隔器上使其坐封。

表1 封隔器坐封過程中壓力變化對比表

在封隔器坐封3 d后，油井僅開采上層的生產(chǎn)過程中，根據(jù)光纖壓力傳感器監(jiān)測，上層環(huán)空壓力逐漸遞減，下層環(huán)空壓力變化不大，說明上下兩層沒有串通，封隔器坐封可靠，見圖7。

圖7 油井上層生產(chǎn)過程中環(huán)空壓力對比曲線

在封隔器坐封138 d后，油井僅開采下層的生產(chǎn)過程中，根據(jù)光纖壓力傳感器的監(jiān)測，上層環(huán)空壓力(24.15 MPa)和下層環(huán)空壓力(4.5 MPa)均基本穩(wěn)定，二者差值在19.65 MPa，驗證了該封隔器坐封的耐久性與可靠性，見圖8。

圖8 油井下層生產(chǎn)過程中環(huán)空壓力對比曲線

2.3 井下液控滑閥試驗效果分析

井下液控滑閥成功入井后，根據(jù)現(xiàn)場要求共對其進行了三次操作，每次操作的結(jié)果均得到后期驗證。

2.3.1 封隔器坐封前關(guān)閉兩個滑閥

按照現(xiàn)場試驗要求，在坐封封隔器之前，必須將兩個滑閥由全開調(diào)節(jié)至全關(guān)狀態(tài)。按照滑閥調(diào)控規(guī)則，確定由公共管線加壓，一次調(diào)節(jié)兩個滑閥至全關(guān)。本次滑閥調(diào)節(jié)歷時59 min。通過地面判斷，滑閥運行壓力到達(dá)設(shè)定壓力40 MPa時，液控管線的進油量、回油量均達(dá)到0，初步判定兩個滑閥均運行到位，處于關(guān)閉狀態(tài)。

之后在封隔器驗封過程中，通過地面泵車上的壓力表和放置在井下的光纖壓力傳感器的數(shù)據(jù)對比，驗證了本次滑閥調(diào)控的準(zhǔn)確性：在地面泵車壓力達(dá)到30 MPa時，下層油管內(nèi)壓力為55.439 MPa，上層環(huán)空壓力為24.448 MPa，下層環(huán)空壓力為25.798 MPa，說明油套環(huán)空與油管內(nèi)完全不聯(lián)通，兩個滑閥調(diào)節(jié)到全關(guān)狀態(tài)成功。

2.3.2 打開上滑閥

在封隔器坐封后，按照現(xiàn)場要求，需要將上層滑閥調(diào)節(jié)至全開狀態(tài)，以求取上層產(chǎn)狀。按照滑閥調(diào)節(jié)規(guī)則，將滑閥從全關(guān)狀態(tài)調(diào)節(jié)到全開狀態(tài)需經(jīng)歷五個步驟：全關(guān)—6 mm—3 mm—5 mm—4 mm—全開。操作人員嚴(yán)格按照滑閥調(diào)節(jié)規(guī)則和流程，對上層滑閥進行了打開操作，共用時185 min。

在之后油井上層生產(chǎn)的過程中，通過井下光纖壓力傳感器從側(cè)面驗證了本次滑閥調(diào)控的準(zhǔn)確性。如圖7(a)所示，在上層生產(chǎn)期間，上層油套環(huán)空的壓力逐漸下降，最終呈基本穩(wěn)定狀態(tài)，說明上層參與了生產(chǎn)，驗證了上滑閥處于全開狀態(tài)。如圖7(b)所示，在上層生產(chǎn)期間，下層油套環(huán)空壓力無明顯變化，說明油井下層不參與生產(chǎn)，下層滑閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

2.3.3 關(guān)閉上滑閥并打開下滑閥

在經(jīng)過15 d后的生產(chǎn)后，由于上層產(chǎn)液量逐步降低，需要進行換層生產(chǎn)。進行換層操作需關(guān)閉上層滑閥并打開下層滑閥。同樣按照滑閥調(diào)節(jié)規(guī)則，操作人員關(guān)閉上層滑閥用時56 min，打開下層滑閥用時4 h。

第一步：關(guān)閉上層滑閥。調(diào)節(jié)前上層環(huán)空壓力為5.81 MPa,至第3 d上層環(huán)空壓力恢復(fù)至24.03 MPa，表明上層滑閥已關(guān)閉;第二步：打開下層滑閥。如圖9(a)所示,在下層滑閥調(diào)節(jié)過程中油管內(nèi)壓力曲線呈現(xiàn)明顯的5次變化，與下滑閥的5次調(diào)節(jié)過程和時間相對應(yīng)，說明下滑閥的5次調(diào)節(jié)均達(dá)到目標(biāo)，下滑閥已調(diào)節(jié)至全開狀態(tài)。如圖9(b)所示，下層環(huán)空壓力在調(diào)節(jié)過程中和調(diào)節(jié)后不斷下降，從24 MPa下降最終穩(wěn)定到4.5 MPa左右，說明下層滑閥已經(jīng)打開，下層開始正常生產(chǎn)。

圖9 調(diào)層生產(chǎn)過程中壓力變化曲線圖

2.4 井下動態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)實驗效果分析

光纖監(jiān)測系統(tǒng)取到的數(shù)據(jù)在總體趨勢上表現(xiàn)良好，在封隔器坐封、驗封、滑閥調(diào)節(jié)驗證、油井生產(chǎn)等過程中發(fā)揮了重要作用。

在完井后坐封時，油管內(nèi)壓力傳感器實時監(jiān)測了坐封壓力過程，并與泵車壓力表基本吻合。在產(chǎn)層調(diào)整時，通過3支壓力傳感器壓力值的壓力變化曲線可直觀驗證滑閥操作對井下壓力變化的過程，為產(chǎn)層調(diào)整提供了可靠的壓力數(shù)據(jù)。在完井后及時的對井下光纖測溫系統(tǒng)進行了調(diào)試和標(biāo)定，通過井筒溫度剖面曲線可直觀看出全井段溫度變化、泵座的位置的溫度變化和采油層的溫度(見圖10)。

圖10 井筒溫度剖面曲線

3 結(jié)論

(1)研制的井下液控滑閥采用了V型槽結(jié)構(gòu)，能夠進行單層段的6級流量調(diào)節(jié)，并通過液壓遠(yuǎn)程控制的方式，在不動管柱的情況下實現(xiàn)多層分采與合采，具有換層生產(chǎn)簡單方便、安全性高的特點。

(2)井下光纖動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r測量井下單點的溫度、壓力和全井筒溫度剖面等參數(shù)，為封隔器的驗封、井下滑閥調(diào)節(jié)及生產(chǎn)監(jiān)測和分析提供了數(shù)據(jù)支撐。

(3)液控型智能完井的現(xiàn)場試驗準(zhǔn)確實現(xiàn)了多層段油井的分層開采與合采，獲取的各項實時監(jiān)測數(shù)據(jù)為診斷井下工況和優(yōu)化生產(chǎn)提供了判斷依據(jù)，滿足了油井實時測控和多層分采的技術(shù)需求。