智能井井下液壓控制信號傳輸特性研究

喻貴民， 許亮斌， 謝仁軍， 盛磊祥， 何東升

（1. 中海石油（中國）有限公司, 北京 100010；2. 中山大學海洋工程與技術學院, 廣東珠海 519082；3. 中海油研究總院有限責任公司, 北京 100028；4. 西南石油大學機電工程學院, 四川成都 610500）

智能完井系統(tǒng)主要由井下儀表和井下流量控制系統(tǒng)、地面動力控制系統(tǒng)、井眼內(nèi)的通訊系統(tǒng)構成[1-2]。井下流量控制有電控和液壓控制2種方案[3]。由于液壓控制較為可靠，目前絕大多數(shù)的井下流量控制都采用地面液壓系統(tǒng)[4-5]，經(jīng)井口到井下的液壓管線把液壓動力和控制信號傳到井下，選擇需要控制的油氣層，驅(qū)動井下的滑套對井下目的層進行開度控制，從而實現(xiàn)選擇性控制井下油氣層進行生產(chǎn)的目的。

地面液壓控制信號通過井眼中細長的液壓管線傳至井下。由于液壓管線的摩阻，液壓控制信號會發(fā)生衰減，其傳至井下后可能不再具有與地面液壓控制信號具有相同的形態(tài)，不容易被井下設備識別；由于傳輸距離長，通常地面液壓控制信號傳至井下需要較長時間，這意味著其不能及時傳至井下，由此也增大了井下控制的難度。MWD井下液壓通信技術已廣泛應用于鉆井作業(yè)[6-7]，在完井工具遠程啟動中[1]和供水系統(tǒng)[8]也有應用，但這些井下信號都是在鉆柱或完井管柱中傳輸?shù)?，管徑較大（如文獻[7]中為φ127.0 mm鉆桿），受井眼尺寸限制，智能井井下傳輸液壓控制信號的液壓管線很細，大多為φ6.35 mm液壓管線，二者尺寸相差一個數(shù)量級。由于管內(nèi)介質(zhì)速度與管徑的平方成反比，管內(nèi)流動的摩阻與速度的平方成正比，即摩阻與管徑的4次方成反比，智能井液壓管線的摩阻極大，由此帶來極大的信號衰減，MWD的信號傳輸理論不能應用到智能井液壓控制信號傳輸上。

國外智能完井井下控制設備早已實現(xiàn)商業(yè)化[2,9]，但關于智能井井下控制信號傳輸方面的研究也很少，文獻[10]在30年前對φ6.35 mm管線進行了測試，只得出了傳輸速度與理論解很吻合等結論，而測試長度遠小于實際井深，未涉及液壓信號傳輸特性方面的研究。之后，關于這方面的研究很少見到。上述研究中，均未考慮管線溫度、壓力變化對液壓油黏度的影響，而智能井控制管線從井口到井底溫度、壓力變化大。為此，筆者嘗試考慮這些因素，探討井下液壓信號的傳輸特性，以期為進一步研究井下液壓控制系統(tǒng)提供參考。

智能井井下控制要求快速、準確，以下先討論液壓控制信號的傳輸速度，再研究其傳輸特性。研究液壓控制信號的傳輸特性，即分析智能井眼溫度、壓力變化對液壓油黏度的影響，根據(jù)特征線方程，結合智能井井下工況，研究井下液壓控制信號特性及其工程影響因素，進而得出液壓控制信號在液壓管線中的傳輸特性。

1 液壓控制信號的傳輸速度

考慮液壓管線的連續(xù)性，結合材料本構關系，可以得到壓力波在液壓管線內(nèi)的傳播速度[11]：

式中：a為壓力波（液壓控制信號）在液壓管線內(nèi)的傳播速度，m/s；El為介質(zhì)的體積彈性模量，Pa（通常液壓油的體積彈性模量為1.2～2.0 GPa[9]，先取中間值1.6 GPa）；ρm為介質(zhì)密度，kg/m3；Di為液壓管線內(nèi)徑，m；Ep為液壓管線彈性模量，約210 GPa；h為液壓管線壁厚，m；C1為與液壓管線固定方式有關的系數(shù)；μ為液壓管線泊松比，取0.3。

式（1）中，El?Ep，根號下分母近似為1，即管線固定方式影響很小。壓力波的傳播速度主要取決于介質(zhì)的彈性模量和密度。通常液壓油的體積彈性模量為1.2～2.0 GPa，實際工作中液壓油不可避免地會混入氣體或氣泡，其體積彈性模數(shù)可取0.7～1.4 GPa，液壓油的彈性模數(shù)Km=1 GPa[12]。液壓管線的內(nèi)外徑和壁厚分別取4.572，6.35和0.889 mm，代入式（1）求得壓力波的傳播速度為1 075.5 m/s。

如果液壓油內(nèi)含有氣體，壓力波傳播速度的計算公式可簡化為：

其中

式中：Vt為介質(zhì)總體積，m3；下標l，g和m分別表示液體、氣體和混合介質(zhì)。

式（3）可寫為：

32#液壓油40 ℃時的運動黏度為32×10-6m2/s，空氣密度也采用40 ℃時的密度，ρg=1.128 kg/m3。由此可計算出標準大氣壓下管線內(nèi)壓力波的傳播速度，見圖1。從圖1可看出，常溫常壓下，介質(zhì)內(nèi)不含氣時壓力波的傳播速度約為1 400 m/s，即使介質(zhì)中含1%氣，壓力波的傳播速度也會降至低于200 m/s，意味著常溫常壓下地面液壓控制信號向下的傳輸速度為液體介質(zhì)中的1/7，地面控制井下執(zhí)行機構需要很長時間；但當介質(zhì)壓力提高至5 MPa時，在含氣量在0～1%時，壓力波的傳播速度基本維持不變。因而，在安裝液壓管線時，除排盡管線內(nèi)空氣外，管線內(nèi)液壓油的壓力最好保持在5 MPa以上。

圖1 不同含氣量和壓力下管線內(nèi)壓力波的傳輸速度Fig.1 Pressure wave speed in the pipeline under different air content and pressures

2 溫黏溫壓效應的影響

液壓控制信號以式（6）所計算的速度向下傳播，由于液壓油黏性產(chǎn)生的水力損失，下傳信號發(fā)生衰減。同時，由于地溫梯度和井深變化，井眼內(nèi)的溫度、壓力從上到下是變化的，液壓油在不同溫度和壓力下的黏度可用Roelands關系式表示[13]：

式中：η為液壓油不同溫度和壓力下的黏度，Pa·s；η0為液壓油在標準大氣壓、溫度T0=313.15 K下的黏度，Pa·s；T為溫度，K；p為壓力，Pa。

對陸地井，由于地溫梯度，井眼溫度向下逐漸升高；而對深水井，海床溫度較低，井眼溫度先隨著井深增加逐漸下降，后由于地溫梯度而隨井深增加不斷上升。假設深水井的井深為3 000 m，泥線距海面500 m，泥線處溫度為5 ℃，井口溫度為20 ℃，地溫梯度為3 ℃/100m，可得32號液壓油運動黏度隨井深的變化曲線，如圖2所示。從圖2可以看出，液壓油運動黏度隨井深增加變化較大，在井口處為76.0×10-6m2/s、在泥線處為174.6×10-6m2/s、在井底處為9.8×10-6m2/s，最高處與最低處相差近18倍。因此，根據(jù)不同井深的黏度計算水力摩阻是必要的。

圖2 液壓油運動黏度隨井深的變化曲線Fig.2 Variation curve of viscosity of hydraulic oil with well depth

同樣，液壓油密度與溫度、壓力也有一定關系。對本算例井，密度變化幅度在5%之內(nèi)，相對較??；同時，考慮密度變化會使特征線方程求解變得復雜，因此本文暫不考慮液壓油密度的變化問題。

3 液壓控制信號傳輸特性分析方程

應用一維不定常流動的運動方程和連續(xù)方程，可得到描述液壓控制信號傳輸特性的基本方程[14]：

式中：H為能量水頭，m；U為管線內(nèi)介質(zhì)的流速，m/s；f為沿程阻力損失系數(shù)；x為井深坐標，m；t為傳輸時間，s；α為井斜角，（°）；g為重力加速度，m/s2。

式（8）為雙曲型偏微分方程組，它們有2條特征線。沿著特征線偏微分方程可以轉(zhuǎn)變?yōu)槿⒎址匠?，從而得?條特征線C+、C-上方程的解。井深-壓力傳播時間平面上的差分網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 井深-壓力傳播時間平面上的差分網(wǎng)格Fig.3 Differential grids on the plane of well depth and the transmission time of pressure

2條特征線C+、C-上方程的解分別為[15]：

其中

式中：S為管線內(nèi)圓面積，m2；Δx為管線分段長度，m；Q為流量，m3；下標A，B和W為圖3對應點的參數(shù)。

2條特征線C+、C-上求解方程對應的離散格式：

其中

式中：下標P，M為特征線C+、C-上的參數(shù)；下標i-1，i和i+1分別為前一、當前和下一離散點的參數(shù)，i=1，…，N（N為深度方向離散總數(shù)）。

由此可知：

3.1 邊界條件

控制管線上游端接地面控制系統(tǒng)，下游端接井下控制裝置。上游由液壓泵注入液壓油，管線內(nèi)壓力緩慢升高至設定壓力，再停泵。考慮使用變頻電機驅(qū)動液壓泵，液壓泵的流量線性增加，直至最大流量，繼續(xù)加壓直至達到設定壓力。這樣，上游邊界條件為：

式中，αt為常數(shù)。

下游邊界條件主要有2種：1）井下直接連控制裝置，需要一定壓力才能打開，此時下端相當于堵頭，流量為0；2）推動井下液缸實現(xiàn)一定動作，需要先注滿液缸（容積為V0）升壓，或在動作的時候也需要一定推力，可將其簡化為，開始井下壓力為0，達到一定容積后再升至設定壓力。即：

3.2 井下壓力傳播特性

考慮第一種下游邊界條件，管線下端直接控制設備，需要一定的壓力才能打開，即井底流量為0。上游邊界條件為式（19），下游邊界條件為式（20）。設上游最大壓力為40 MPa，介質(zhì)為32#液壓油，忽略液壓油密度的變化，考慮其壓黏效應，對應壓頭為4 802 m。井口緩慢增加流量，在10 s中內(nèi)流量由0線性增加到0.9 L/min。設模擬計算時間為4 000 s，井深3 000 m。設管路有回油，井底液壓油的油壓自動平衡，可不計液柱靜壓力。模擬計算可得：井口液壓泵的流量在0～0.9 L/min時，井口壓力尚未達到最大，管內(nèi)壓力分布如圖4所示，此時井口壓力為22.4 MPa，向井下傳至500 m時壓力衰減為不足1 MPa。

圖4 流量達到0.9 L/min時管線內(nèi)的壓力分布Fig.4 Pressure distribution in the pipeline at a flow rate of 0.9 L/min

繼續(xù)以0.9 L/min的流量泵入液壓油，在18.3 s時井口壓力達到最大，即設定的40 MPa。由于管線壓力衰減，壓力并不能同步傳到井底（如圖5所示），在離井口1 000 m的井下，管線內(nèi)壓力僅0.2 MPa。要使井底壓力達到設定壓力，需在井口繼續(xù)加壓。受井口設備壓力等級和泵送設備流量限制，井口不能提供更大壓力，最多只能維持40 MPa。同時，不能提供更大流量，最多只能保持0.9 L/min。保持井口壓力為40 MPa，壓力會沿著管線繼續(xù)向下傳播，管線沿途壓力將逐漸升高。

圖5 井口壓力達到40 MPa時管線內(nèi)壓力分布Fig.5 Pressure distribution in the pipeline under a wellhead pressure of 40 MPa

0～4 000 s全部加載時間內(nèi)管線內(nèi)壓力、時間和井深的關系如圖6所示。圖6中，在時間軸或井深軸上任意切片，就可得到任意時間從井口到井底或任意井深全部加載時間管線內(nèi)的壓力變化。

圖6 0～4 000 s加壓時間內(nèi)管線內(nèi)壓力、井深與時間的關系曲面Fig.6 Relation surface of pipeline pressure, well depth,and time during a pressure applied period of 0-4 000 s

如取井口（井深0 m）和井底（井深3 000 m）的位置，畫管線內(nèi)壓力隨時間的變化曲線，結果如圖7所示。

圖7 井口和井底管線內(nèi)壓力與時間的關系曲線Fig.7 Variation curves for well head and bottom hole pressure in the pipeline over time

從圖7可以看出：在井口，管線內(nèi)壓力在很短的時間內(nèi)就可升至地面設定壓力；而在井底，管線內(nèi)壓力上升緩慢，加壓至1 480 s時管線內(nèi)壓力才達到38 MPa，約為井口設定壓力的95.0%；加壓至2 000 s時井底管線內(nèi)壓力達到39.35 MPa，為井口設定壓力的98.4%；繼續(xù)加壓至3 000 s時，井底管線內(nèi)壓力為39.9 MPa，約為設定壓力的99.8%；繼續(xù)加壓至4 000 s時，井底管線內(nèi)壓力為39.99 MPa，為設定壓力的99.98%。在地面加壓初期，井下管線內(nèi)壓力上升較快，壓力曲線較陡，曲線斜率隨著壓力升高而逐漸降低，當井底管線內(nèi)壓力接近于井口壓力時，壓力上升非常緩慢。分析認為，這是受井口和井底壓差逐漸變小的影響造成的。可見，要把地面壓力全部傳至井下，需要經(jīng)歷較長的時間。

3.3 模型驗證試驗

為了驗證模擬模型的可靠性，建立了液壓信號管線傳輸試驗臺架。臺架由液壓信號發(fā)生器、液壓管線、控制臺和控制軟件組成，其控制界面如圖8所示。試驗在室內(nèi)進行，因為室內(nèi)不能模擬管線內(nèi)液壓油的梯度溫度，模型統(tǒng)一按當時室溫8 ℃設置液壓油溫度。測試管線長度1 000 m、內(nèi)徑3.048 mm、壁厚1.651 mm。由此得出管線出口（1 000 m）處試驗壓力和模擬計算壓力，如圖9所示。

圖8 液壓信號傳輸特性試驗裝置的控制界面Fig.8 Control interface of the hydraulic signal transmission characteristic test device

圖9 試驗測得和模擬計算所得管線出口壓力Fig.9 Tested and calculated pressures at pipeline ends

從圖9可以看出，在300 s和1 200 s之間，試驗測得和模擬計算所得管線出口壓力相近，而在試驗開始和后半段，兩者差值較大。分析認為，可能是開始試驗時有壓力脈動和試驗系統(tǒng)有微小泄漏所致。

由于管線進口壓力難以保持恒定，改用試驗測得和模擬計算所得管線出口壓力與管線進口壓力的比來表示，如圖10所示。從圖10可以看出，計算壓力比在840 s時達到95.3%，而試驗壓力比在1 080 s時才達到95.3%，相差約240 s，這種延后可能是管線彈性等因素導致的。但是，試驗壓力比和模擬計算壓力比相差較小，總體變化趨勢基本一致，表明模型較為準確、可靠。

圖10 試驗和模擬計算管線出口壓力與進口壓力比Fig.10 Ratios of tested and calculated pressures at pipeline ends to wellhead pressures

3.4 液壓控制信號的傳播特性

對于驅(qū)動井下設備，液壓管線只需要向井下提供液壓動力。如要向井下提供40 MPa的壓力，根據(jù)前述參數(shù)，至少需要25 min才能傳遞95%的壓力到井下。如果要向井下傳送液壓控制信號，需要采用某種波形調(diào)制信號。

下面假設采用矩形波向下傳送液壓控制信號，來考察矩形波在液壓管線中的傳播特性。

設矩形波高壓信號為5 MPa，低壓信號為1 MPa。由于壓力信號傳到井底大約需要1 500 s時間，為保證信號在井底能被正確識別，應加長信號持續(xù)時間。設高低壓信號持續(xù)時間為3 000 s，信號周期為6 000 s，計算時間為10 000 s，在地面向井下發(fā)送約3個半波，高低壓信號的壓力變化仍用斜坡流量加壓或降壓方式，可得井口、井底矩形波信號隨時間的變化曲線，如圖11所示（圖11中，藍色線條表示井口發(fā)出的壓力信號，紅色線條表示達到井底時的壓力信號）。

圖11 井口、井底矩形波信號隨時間的變化曲線Fig.11 Variation curves of rectangular signals with time at well head and bottom hole

從圖11可以看出，在1 500 s時，井底壓力為4.8 MPa，為井口壓力的96%；在3 000 s時，井底壓力為4.99 MPa，為井口壓力的99.9%；在3 050 s時，井口壓力已降至1 MPa，由于壓力傳輸滯后，井底壓力仍為4.99 MPa，為井口壓力的99.9%。在1 500～3 000 s間井底壓力一直升高，逐漸接近于最大井口壓力5 MPa。受井下管線彈性和摩阻的影響，井底波形并不像井口一樣呈方波狀，而是表現(xiàn)出平滑上升和下降，且井底最大壓力點有少許延后，大致為50 s。其井底壓力上升沿與單獨向井下加壓的上升曲線相同，而井底壓力下降沿的壓力下降方式與上升沿類似，都是開始下降（或上升）的斜率較大，而接近井口給定壓力時下降（或上升）趨勢變緩。但是，井底壓力下降沒有井底壓力上升快，在4 500 s時井底壓力為1.15 MPa，與井口壓力相差15%；直至5 000 s時井底壓力才降至1.05 MPa，與井口壓力相差5%之內(nèi)；同樣，由于滯后，井口壓力在6 000 s時開始上升，在6 050 s時井口壓力達到4.94 MPa，而在井底，6 050 s時壓力依然為1 MPa?？傊孛婢匦螇毫Σ▊鞯骄潞?，矩形波的直角變?yōu)閳A角，尖角變鈍，要在井底正確識別地面液壓控制信號，需要足夠長的信號周期。在這里，信號周期約為6 000 s，因此，要快速有效地實現(xiàn)井下控制，信號要盡量簡單。

3.5 液壓控制信號及動力信號的傳輸特性

液壓控制信號傳至對井下目的層的解碼器，解碼器解碼液壓控制信號，控制目的層的滑套。對井下滑套施加動力信號，動力信號通常比控制信號壓力大，以克服打開滑套時的阻力，將滑套打開。

下面討論先在井口施加5 MPa控制信號、再施加40 MPa動力的情況，得到井口壓力、井底壓力隨時間的變化曲線，見圖12。從圖12可以看出，與前面類似，無論是控制信號，還是液壓動力，在壓力上升沿，開始都是上升陡峭，接近設定壓力時，壓力上升變緩，再逐漸逼近井口設定壓力；同時，井底信號比井口有所延遲。

圖12 井口和井底的矩形波信號對比Fig.12 Comparison of rectangular signals at well head and bottom hole

3.6 井下滑套的控制

智能井主要是對井下各油層進行生產(chǎn)控制，實現(xiàn)多層優(yōu)化生產(chǎn)，而開啟井下生產(chǎn)滑套是智能井井下控制的重要內(nèi)容。

假定開啟井下滑套有2種方式：1）滑套所受阻力為0，如剛下入井中的滑套，潤滑性良好，沒有結垢或其他開啟阻力，開啟滑套無需額外動力，則直接由井口控制裝置向井下滑套泵送液壓油，推動滑套，直到滑套達到最大開啟位置，滑套完全打開，管線壓力升高至最大允許壓力；2）開啟滑套需要克服一定阻力，如需要克服一定井下阻力才能打開滑套，且開啟力和位移成一定關系（如線性關系）。

第1種方式下，假設井下液缸容積為0.5 L，液壓油由井口傳到井下液缸，推動活塞前進，液缸注滿液體，系統(tǒng)再建立壓力，系統(tǒng)最大壓力為40 MPa，模擬計算時間為4 000 s，則井口壓力、井底壓力隨時間的變化曲線如圖13所示。

圖13 驅(qū)動無阻力井下滑套時井口和井底壓力隨時間的變化曲線Fig.13 Variation curves of pressure over time at well head and bottom hole when powering downhole sliding sleeves without resistance

從圖13可以看出，地面加壓約300 s時，井底液缸注滿0.5 L液體，液缸達到滿行程，系統(tǒng)開始建立壓力。

第2種方式下，假設井下液缸容積為0.5 L，液壓油由井口傳到井下液缸，當液缸壓力超過20 MPa時，活塞克服阻力緩慢推動液缸，在30 MPa時活塞到達終點，在20～30 MPa時活塞位移與壓力呈線性關系?；钊斑M，液缸注滿液體，系統(tǒng)再進一步建立壓力，設系統(tǒng)最大壓力為70 MPa，模擬計算時間為4 000 s，則井口和井底壓力隨時間的變化曲線如圖14所示。

圖14 驅(qū)動有阻力井下滑套時井口和井底壓力隨時間的變化曲線Fig.14 Variation curves of pressure over time at well head and bottom hole when powering downhole sliding sleeves with resistance

從圖14可以看出，井口施加壓力約80 s后，井底壓力才開始建立，300 s左右時井底壓力達到20 MPa，開始推動井底活塞前進；進一步增加壓力活塞進一步前進，540 s左右時井底壓力達到30 MPa，活塞達到行程終點；進一步加壓，在1 900 s左右井底壓力達到66.5 MPa，即地面壓力的95%。

4 管線內(nèi)徑、加壓方式、井眼環(huán)境、黏度的影響

由式（8）可知，液壓信號傳輸?shù)闹饕绊懸蛩赜兴俣萓、管線內(nèi)徑Di、沿程阻力系數(shù)f等，其中管內(nèi)介質(zhì)速度與液壓泵的加壓方式、管內(nèi)徑有關；阻力系數(shù)與介質(zhì)黏度有關，黏度主要取決于井眼溫度，而深水井井眼溫度的變化圍很大。以下分別分析這些工程因素的影響。

4.1 管線內(nèi)徑的影響

考慮強度問題，需要采用更大壁厚的液壓管線。但受空間限制，一般不會選擇外徑更大的液壓管線。因此，仍然選用φ6.35 mm液壓管線，但為提高其強度，將0.889 mm的壁厚增大至1.651 mm。這樣，液壓管線內(nèi)徑變?yōu)?.048 mm。由式 （1）可知管線內(nèi)壓力波的傳播速度會受到管線內(nèi)徑的影響。把內(nèi)徑3.048 mm代入式 （1），其他參數(shù)不變，得出壓力波傳播速度為1 067.5 m/s，與內(nèi)徑4.572 mm管線中壓力波傳播速度（1 075.5 m/s）相差不大。

采用與3.2節(jié)相同的數(shù)據(jù)進行計算，可知4 000 s時井底壓力與井口壓力仍有不小差別，此時井底壓力為39 MPa，為井口壓力的97.7%；3 220 s時井底壓力為井口壓力的95.0%。對照3.2節(jié)，內(nèi)徑為4.572 mm時，井底壓力達到井口壓力的95.0%需要1 500 s，4 000 s時井底壓力為井口壓力的99.9%，由此可知，內(nèi)徑3.048 mm管線內(nèi)壓力向下傳播的速度約慢1倍。內(nèi)徑4.572和3.048 mm液壓管線井底壓力隨時間的變化曲線如圖15所示。

圖15 內(nèi)徑4.572和3.048 mm管線井底壓力隨時間的變化曲線Fig.15 Variation curves of bottom hole pressure over time with inner diameters of 4.572 mm and 3.048 mm

4.2 加壓方式的影響

在此前的計算中，假設液壓控制系統(tǒng)的流量可以無級調(diào)節(jié)，這時典型（如3.2節(jié)數(shù)據(jù)）的流量曲線如圖16所示，泵的排量由0到15.0 mL/s、再到7.4×10-4mL/s平滑變化。通常井口采用定量泵為系統(tǒng)提供動力，要實現(xiàn)7.4×10-4mL/s的流量，即約為15.0 mL的1/20 000，即使采用變頻電機也不容易實現(xiàn)流量的準確控制。

圖16 典型的流量時間曲線Fig.16 Typical flow rate-time curve

另一種解決方案，是直接使用普通定速電機驅(qū)動定量泵，泵的排量不能調(diào)整，只能通過調(diào)整定量泵的開啟時間來控制系統(tǒng)壓力。設定量泵的排量為15.0 mL/s。如果開泵時間可以無限短，也能實現(xiàn)前述的微小流量加壓的效果，但受硬件系統(tǒng)和控制成本的限制，開泵時間不能過短，如10×10-3s，更可靠的辦法是設定一個高低壓界線，如高于設定值的10%則停止加壓，低于設定值的10%則繼續(xù)加壓。模擬計算得出的井口和井底壓力隨時間的變化曲線如圖17所示。

從圖17可以看出，采用這種加壓方式，其井口壓力波動較大，并在最后穩(wěn)定于90%的設定壓力。受管線摩阻的影響，井底壓力的建立方式與前幾種工況相同，也是緩慢升壓。并在加壓初期升壓較快，當井底壓力接近井口壓力時，壓力上升變緩，最后穩(wěn)定于90%的設定壓力。

圖17 普通電機加壓時井口和井底壓力隨時間的變化曲線Fig.17 Variation curves of pressure over time at well head and bottom hole using a ordinary motor for pressure application

4.3 井眼環(huán)境的影響

在深水井中，海床溫度一般較低，甚至可能低至接近0 ℃，為此，采用前面假設的海床溫度為5 ℃。在陸地井，井內(nèi)溫度在井口溫度上按地溫梯度沿著井深升高，其他采用與3.2節(jié)相同的數(shù)據(jù)。為便于對比，同時給出了深水井和陸地井井底壓力隨時間的變化曲線，如圖18所示。

從圖18可以看出：在陸地井中，井底壓力很快就能達到井口設定壓力，在約580 s時井底壓力達到38 MPa（井口設定壓力的95%），在1 500 s時井底壓力達到設定壓力40 MPa；而在深水井中，由于受海床低溫的影響，井底壓力上升緩慢得多，大致在1 500 s時井底壓力才能達到井口設定壓力的95%，在2 000 s時井底壓力為39.3 MPa，在4 000 s時井底壓力才達到40 MPa。可見，在深海井下流量控制中，由于海床溫度低、液壓油黏度增大、摩阻增大，控制信號要延遲得多。

圖18 陸地井和深水井井底壓力隨時間的變化曲線Fig.18 Variation curves of bottom-hole pressure over time in onshore and deep-offshore wells

4.4 液壓油黏度的影響

為分析液壓油黏度對井口壓力信號傳輸?shù)挠绊?，采用與4.3節(jié)相同的參數(shù)，考察了常規(guī)陸地井中22#、32#和46#液壓油的傳輸特性。結果為，采用22#液壓油時，井底壓力要達到95%的井口壓力，只需要不到7 min；采用32#液壓油，約需要10 min；采用46#液壓油，則需要13 min。而井底壓力要達到井口壓力相同，采用22#液壓油，只需要不到17 min；采用32號液壓油，需要25 min；采用46#液壓油，33 min后仍達不到。由此，建議采用22#或32#液壓油作為向井下傳輸控制信號的介質(zhì)。

5 結論與建議

1）低壓下液壓油含氣量對壓力波的影響很大，但當管線內(nèi)壓力超過5 MPa時含氣量影響較小，因此建議液壓控制信號壓力高于5 MPa，這時壓力波傳播速度接近于不含氣的液壓油傳播速度。管線的固定方式、管線壁厚對壓力波的傳播速度影響較小。

2）目前智能井主要用于深水高產(chǎn)油氣井，海底溫度較低，從井口到海床，溫度逐漸降低，再往下受地溫梯度影響，溫度逐漸升高，管線中液壓油的溫度不是恒定的，其黏度變化較大?？疾煲簤嚎刂菩盘柕膫鬏斕匦詴r，必須計入溫黏效應的影響。

3）壓力信號下傳存在較大衰減和延時，井下流量控制裝置控制時間設定應與具體的井深對應。

4) 液壓管線的管徑、井口加壓方式、液壓油黏度對井底壓力的建立有較大影響，建議采用4.572 mm及以上內(nèi)徑管線、使用32#或黏度更小的液壓油。