智能完井井下液控滑套開度變化判定方法研究

李瑞豐，劉景超，張 亮，劉傳剛，劉亞鑫

（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）

智能完井技術(shù)能夠?qū)τ筒嘏c完井管柱的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸和分析，結(jié)合油藏?cái)?shù)值模擬形成生產(chǎn)管理決策，通過地面控制系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)層位液控滑套開度閉環(huán)控制，達(dá)到重新配置井身結(jié)構(gòu)目標(biāo)[1]。根據(jù)預(yù)測(cè)，智能完井技術(shù)可使油藏采收率提高10%[2]。智能完井技術(shù)涉及地面控制、井下測(cè)量、井下流量控制等技術(shù)，流量控制是智能完井技術(shù)的核心[3]，通過滑套開度變化與封隔器均衡儲(chǔ)層的壓力、流速，對(duì)油藏各層段或分支進(jìn)行選擇性注入或生產(chǎn)，提高油井產(chǎn)能，無需進(jìn)行修井作業(yè)，使油井管理更科學(xué)[4-5]。

1 井下流量控制系統(tǒng)

液壓驅(qū)動(dòng)井下流量控制系統(tǒng)是目前的主流，通過液控管線將液力作用在滑套上，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)液控滑套開度變化。液控滑套處于井下生產(chǎn)狀態(tài)，無法直觀觀察，滑套開度位置精確判斷至關(guān)重要[6]，也是智能完井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需要解決的首要問題。

2 液控滑套開度判定方法

液控滑套開度判定包括監(jiān)測(cè)回油量反映閥門位移和安裝位移傳感器監(jiān)測(cè)閥門位移。受井下環(huán)境影響，電子元件壽命短，管線及液壓油膨脹/壓縮使體積計(jì)量存在誤差，存在誤判可能。為掌握液控滑套開度調(diào)節(jié)過程，準(zhǔn)確判斷液控滑套開度狀態(tài)，開展壓力損失分析和活塞受力運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析。

2.1 壓力損失分析

圖1 為液控滑套控制管線沿程損失分析圖。

圖1 液控滑套控制管線沿程損失分析

其中：

1-控制柜；

1-1-地面控制柜油箱液壓油密度為ρ；

2-地面控制柜壓力輸出壓力P1、液面高度Z1、流速V1；

3-進(jìn)油管線；

4-液控滑套活塞；

5-回油管線；

6-回油壓力P2、液面高度Z2、流速V2。

假定：控制柜油液充足，進(jìn)油管線液面高度Z1，油箱液面在滑套開度調(diào)節(jié)過程中無變化，泵出口輸出壓力P1；回油管線所在液面高度Z2，回油管線壓力P2；油液為不可壓縮流體，密度為ρ；進(jìn)油管線流速V1，回油管線流速V2；流體沿程阻力損失hf；進(jìn)/回油動(dòng)能修正系數(shù)為α1和α2。

由流體流動(dòng)能量方程：

進(jìn)/回油液控管線內(nèi)徑相同均為3.048 mm，進(jìn)油過程中，流量較小，油液在管線中的流動(dòng)近似層流，則α1=α2=1，V1=V2。

公式（1）可做簡(jiǎn)化為：

公式（2）表示：在等截面直管中，粘性損失的能量是由壓力和重力克服粘性力做功來提供，沿程水力損失等于位勢(shì)頭和靜壓頭的變化之和[7]。

公式（2）可改寫為：

公式（3）表示沿流動(dòng)方向上壓強(qiáng)的變化包括高度變化引起的靜水壓力變化Δpg=ρg（z1-z2）和粘性耗散導(dǎo)致的壓降Δpf=ρghf[7]。

2.2 活塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

如圖2：活塞處于靜止?fàn)顟B(tài)，截面積為A，活塞腔內(nèi)原有壓力P，流體密度ρ?；钊运俣葀 在微小時(shí)間Δt 內(nèi)移動(dòng)微小距離vΔt（1-1→2-2），活塞右側(cè)流體壓力增加ΔP，密度增加Δρ，壓力波以速度a0傳播到達(dá)3-3 位置，此時(shí)3-3 處流體增加Δp 的壓力并開始以速度v 運(yùn)動(dòng)。

圖2 活塞運(yùn)動(dòng)壓力波傳遞示意

略去流體與活塞腔壁面剪切應(yīng)力，活塞壓縮液體產(chǎn)生的壓力波傳播速度a0是流體壓縮性和質(zhì)量的物理量，壓縮性小，彈性模量K 值大，a0值也越大，密度越大，流體慣性大，a0值越小[7]。

圖3 為壓力轉(zhuǎn)化示意圖。

圖3 壓力轉(zhuǎn)化示意

其中：

1-控制柜；

2-泵出口，壓力P1；

3-進(jìn)油管線；

4-進(jìn)油管線末端，壓力P進(jìn)末；

5-活塞前端，壓力P活塞前；

6-液控滑套活塞摩擦力P摩擦；

7-活塞后端，壓力P活塞后；

8-活塞腔末端，壓力P活塞腔末；

9-回油管線；

10-回油管線壓力P2。

活塞腔、進(jìn)回油管線充滿油，控制柜輸出壓力P1，活塞腔進(jìn)油管線末端壓力P進(jìn)末=0，油液在壓差Δp=p1作用下以平均流量Q1流入進(jìn)油管線，泵輸出壓力P1全部轉(zhuǎn)化為進(jìn)油管線的沿程損失。

壓力波傳到4 位置，活塞靜摩擦力P摩擦使活塞面5 所受壓力P活塞前從0 增加至P摩擦,克服活塞靜摩擦阻力，活塞開始運(yùn)動(dòng)，此過程油液以平均流量Q2流入進(jìn)油管線。泵輸出壓力P1轉(zhuǎn)化為進(jìn)油管線沿程損失與前活塞面所受壓力P2，進(jìn)油流量降低。

在活塞面5 受壓力為P摩擦?xí)r, 活塞開始運(yùn)動(dòng)壓縮后端液體，壓力波未傳播至8 位置，泵輸出壓力P1轉(zhuǎn)化為進(jìn)油管線沿程損失、活塞摩擦力及活塞后端液體壓縮增加的壓力P活塞后，進(jìn)油流量降低。

壓力波傳播至8 位置時(shí)，回油管線構(gòu)成壓差，形成流動(dòng)系統(tǒng)，泵輸出壓力轉(zhuǎn)化為進(jìn)/回油管線沿程損失、活塞摩擦力，進(jìn)油流量降低并出現(xiàn)回油流量，活塞持續(xù)運(yùn)動(dòng)，P活塞后升高，回油流量升高。

活塞運(yùn)動(dòng)到8 位置停止運(yùn)動(dòng)，P1與P活塞前仍存在壓差，進(jìn)油管線仍有油液進(jìn)入，P活塞前持續(xù)增大，直至等于泵輸出壓力P1，此過程進(jìn)油瞬時(shí)流量持續(xù)減少；活塞停止運(yùn)動(dòng)，P活塞后無壓力補(bǔ)充，但持續(xù)推動(dòng)回油管線流體回流，此過程回油管線內(nèi)流量從峰值持續(xù)減少。

2.3 滑套開度變化判定依據(jù)

根據(jù)能量守恒、質(zhì)量守恒、液控滑套活塞受力及流量變化，提出液控滑套開度變化的判定依據(jù)：

（1） 供油累計(jì)體積、回油累計(jì)體積與液控滑套活塞腔動(dòng)作容積值三者數(shù)值接近。

（2） 供油流量出現(xiàn)流量平穩(wěn)后下降的趨勢(shì)。

（3） 回油流量出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。

3 液控滑套開度變化判定與驗(yàn)證

3.1 液控滑套開度變化驗(yàn)證管柱方案

智能完井管柱結(jié)構(gòu)見圖4。封隔器上方接上層液控滑套，封隔器下方接Y-tool。Y-tool（初期不下入堵塞器）一端接電泵，一端接旁通管，旁通管接下層液控滑套和工作筒（帶堵塞器下入）。

圖4 試驗(yàn)井和海試井智能完井試驗(yàn)管柱圖

其中：

1-上滑套開啟管線；

2-上滑套；

3- 9-5/8″套管；

4-關(guān)閉管線；

5-下滑套開啟管線；

6-下滑套；

7- 7″尾管掛；

8-頂部封隔器；

9-篩管；

10-顆粒；

11- 7″尾管。

3.2 井下液控滑套的開度判定及驗(yàn)證

通過液控管線打壓，記錄和監(jiān)測(cè)打壓過程壓力流量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)液控滑套多級(jí)開度調(diào)節(jié)（見表1）。

表1 供油/回油液控管線累計(jì)計(jì)量體積統(tǒng)計(jì)

圖5 為高低壓回路液壓油累計(jì)體積對(duì)比曲線圖，由圖5 可知，無論低壓/高壓實(shí)測(cè)累計(jì)體積均與理論體積變化趨勢(shì)一致，判定液控滑套執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

圖5 高低壓回路液壓油累計(jì)體積對(duì)比曲線

4 結(jié)論

（1） 液控滑套是智能完井井下流量控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其開度位置精確判斷至關(guān)重要。

（2） 液控滑套活塞腔進(jìn)回油量與活塞腔容積對(duì)比，結(jié)合流量變化趨勢(shì)可判定液控滑套開度狀態(tài)。

（3） 試驗(yàn)井液控滑套開度狀態(tài)判定準(zhǔn)確，該判定方法對(duì)后續(xù)智能完井系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具有參考和借鑒意義，為建設(shè)數(shù)字油田提供支持。