無線射頻控制分層測試技術

徐月強，楊鐵峰，梁躍東，任廣慶，馬占研

1.中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院（黑龍江大慶 163853）

2.大慶油田油氣井工程質(zhì)量監(jiān)督站（黑龍江大慶 163853）

許多油藏呈層狀分布，不同地層的巖層狀況、產(chǎn)液性能等參數(shù)均存在較大差異，給試油試采工作帶來很大的難度。分層測試可以解釋分層參數(shù)。經(jīng)歷了封層上返、逐層測試的發(fā)展，這一方法仍存在需要多次起下管柱、施工周期長、試油成本高，且易對儲層造成污染等問題，因此連續(xù)分層測試成為新的發(fā)展方向。江漢油田研制了一種井下分采分測的智能開關器，這種智能開關器下一趟管柱便能夠?qū)露鄬咏Y構進行測試，為評價油田挖掘潛力提供了依據(jù)[1]。勝利油田又將毛細鋼管測壓技術與井下智能開關技術相結合，通過凡爾時間編程在開關器內(nèi)設定動作時間，實現(xiàn)目的層的更換，并通過多級結構能夠保證其不受層數(shù)限制[2-3]。上述智能開關器能夠良好執(zhí)行預定動作，但管柱下井后無法針對井下環(huán)境進行調(diào)節(jié)，泛用性較差。針對上述問題，設計了基于無線射頻通信的分層測試管柱，通過投入電子標簽，可以在任意時間對任意開關器的動作進行調(diào)節(jié)，將電纜直讀技術良好的通信性能與智能測試管柱的優(yōu)勢相結合，使其獲得極高的試油測試應用價值。

1 智能開關測試閥結構設計

智能開關測試閥由控制天線、動力驅(qū)動、重復開關滑套三部分組成，外徑110 mm、內(nèi)通徑40 mm、長度2 200 mm，上下接頭螺紋為278″（73.025 mm）外加厚油管螺紋，整體方案如圖1所示。

圖1 智能開關測試閥整體方案圖

控制天線總成集成有滑套控制、無線通信、參數(shù)監(jiān)測及存儲模塊；動力驅(qū)動總成由電機驅(qū)動活塞系統(tǒng)、液壓驅(qū)動系統(tǒng)及相應供電單元構成，其中當供電單元中的高溫電池組在一次施工作業(yè)完成后、電量耗盡時，可通過螺紋的方式實現(xiàn)整體快速更換；重復開關滑套采用機械式軸向運動滑套，執(zhí)行過流口開、關切換動作，滑套沖蝕損壞后，通過螺紋連接可實現(xiàn)整體快速更換[4-5]。

1.1 控制與天線總成技術方案

智能開關測試閥無線通信系統(tǒng)可實現(xiàn)電子標簽控制指令的無線收發(fā)，將滑套開關動作指令傳輸至核心控制器進行解碼，從而驅(qū)動電機動作，實現(xiàn)井下智能滑套的無線開關控制。無線通信收發(fā)天線采用纏繞式高增益天線，以此增加天線覆蓋面積、提高信號穿透能力，無線通信頻率2.4 GHz、增益20 dB，沿天線方向有效通信距離大于2 m，無線指令收發(fā)頻率500 次/s，可實現(xiàn)控制指令以小于10 ms的速率有效收發(fā)，保證了電子標簽與智能滑套間無線通信的可靠性[6-8]。控制與天線總成內(nèi)置的溫度、壓力傳感器通過流道分別與管內(nèi)及地層聯(lián)通，實現(xiàn)管內(nèi)、管外溫度壓力雙參數(shù)監(jiān)測及存儲。

1.2 動力驅(qū)動總成技術方案

動力驅(qū)動總成包括電機驅(qū)動活塞機構、液壓開關驅(qū)動機構及配套的電源模塊，其中電機驅(qū)動機構以插接方式布置于智能滑套外徑與內(nèi)通徑形成的環(huán)形空間內(nèi)，總體結構方案如圖2所示。

采用雙“微型電機+電磁閥+絲杠螺母柱塞機構”方式，通過1級活塞與2級活塞面積差實現(xiàn)最終滑套增力開關。1級活塞腔體驅(qū)動機構電機采用最大輸出扭矩12 N·m 的直流減速電機，經(jīng)絲杠螺母轉(zhuǎn)換后，直線推拉力約為0.8 t，1 級與2 級活塞腔體截面積比為1∶2，經(jīng)雙電機驅(qū)動后，2 級活塞腔體推拉力約為3.2 t，可為開關滑套提供充足動力，且兩級液壓系統(tǒng)均采用設備自帶液壓源，不與井下介質(zhì)聯(lián)通，避免流失損耗的同時，始終保持腔體內(nèi)往復流動的液壓油清潔，從而保證井下高壓、多砂工況下的可靠重復開關。

供電單元采用內(nèi)置高溫電池組為井下智能滑套的電機、無線通信系統(tǒng)、溫壓監(jiān)測及控制電路進行供電，通過螺紋連接實現(xiàn)與測控總成的快速拆裝，螺紋旋緊到位后，供電單元末端的導電觸頭與測控總成的導電滑環(huán)接觸，完成電源聯(lián)通。供電單元的設計容量是測控系統(tǒng)所需功耗的近3 倍，能夠滿足井下智能滑套控制電路各環(huán)節(jié)可靠工作兩個月以上[9]。

1.3 開關滑套技術方案

開關滑套采用純機械機構，通過螺紋可實現(xiàn)與測控總成的快速拆裝，具有結構簡單、拆裝方便、成本低廉的特點，可作為噴砂、石油或天然氣試采工藝的消耗件與測控總成配套。開關滑套結構除油管接頭、外殼體、連接件外，主要由用于重復開關的閥芯與閥體組成，閥體處于靜止狀態(tài)，環(huán)向開關有6個過流孔，等效過流面積直徑大于50 mm，閥芯通過往復軸向運動實現(xiàn)閥體過流孔的通斷切換。開關滑套結構如圖3所示。

圖3 開關滑套方案圖

2 無線射頻控制分層測試管柱設計及實驗流程

實驗井以S29-3 井為例，實驗一趟管柱測試三層，分別為F9 號層（1 803.1～1 808.0 m）、F6 號層（1 728.4～1 733.6 m）、F5 號層（1 716.4～1 720.8 m）,管柱結構如圖4所示。從下至上為壓力計托筒、盲接頭、油管3 根、智能開關測試閥C、P-T 封隔器、油管短接、智能開關測試閥B、剪銷封隔器、油管短接、智能開關測試閥A、延時坐封封隔器、油管。

圖4 S29-3井實驗管柱示意圖

實驗流程：首先在地面對測試管柱進行調(diào)試，保證各執(zhí)行元件能夠正常動作，壓力測試結果正常，將3 個智能開關閥調(diào)節(jié)至關閉狀態(tài)，準備下井；將壓力測試管柱投放到井下指定深度，坐封封隔器；投入電子標簽，控制智能開關測試閥C 打開，其他兩個智能開關測試閥保持關閉狀態(tài)，進行抽汲作業(yè)；投入電子標簽，控制智能開關測試閥C 關閉，靜止一段時間；投入電子標簽，控制智能開關測試閥B打開，其他兩閥保持關閉狀態(tài)，進行抽汲作業(yè)；投入電子標簽，該標簽控制閥A打開同時閥B關閉，進行抽汲作業(yè)；投入電子標簽，該標簽控制閥B、C 同時打開，此時三組閥同時開啟狀態(tài)，靜止一段時間后將測試管柱從井下取出，至地面進行數(shù)據(jù)處理。

3 井下多層壓力測試管柱井下實驗結果

從上而下層一、層二、層三的三組壓力溫度曲線分別為智能開關測試閥C、B、A測得的曲線數(shù)據(jù)，當控制閥C 打開時層一曲線圖中明顯可見壓力驟降，說明閥C 正常打開，抽汲壓力波動顯示明顯，并且其他兩閥壓力無波動，說明三組閥開關狀態(tài)；當控制閥C 關閉，壓力明顯恢復，正常關閉；當控制閥B 打開時從層二曲線圖中明顯可見壓力驟降，說明閥B正常打開，抽汲壓力波動顯示明顯，并且其他兩閥壓力無波動，說明三組閥開關狀態(tài)；當同時控制閥A打開閥B關閉時從層三曲線圖中明顯可見壓力驟降，說明閥A正常打開，抽汲壓力波動顯示明顯，并且其他兩閥壓力無波動，說明三組閥開關狀態(tài)正常；當同時控制閥B、閥C打開，三組閥同時開啟，曲線變化同步，說明打開正常。從實驗數(shù)據(jù)可見，每步操作均正常工作，達到預定要求，實驗成功。

4 結論

通過井下實驗結果，不同層段的智能開關閥均能夠有效識別電子標簽的信號，且不會引起其他層段的誤動作。這種方法能夠?qū)⒂欣|直讀與井下存儲式技術的優(yōu)勢相結合，兼顧了井下多層測試管柱的可靠性與泛用性，推進了分層井下測試技術的發(fā)展。該技術實現(xiàn)了一趟管柱測試多層，同時實現(xiàn)井下壓力溫度數(shù)據(jù)實時獲取，為地面即時研判提供依據(jù)，大大提高了施工效率、縮短了施工周期、降低了施工成本。經(jīng)分析，以一趟管柱測試三層為例，單井可縮短施工周期5～7 天，單井節(jié)約施工成本10余萬元，具有較高的應用前景。