深水全電控智能完井工藝研究

韋紅術，魏裕森，程心平

（1.中海石油深海開發有限公司，廣東 深圳 518054；2.中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300457）

0 引言

深水開發井鉆完井、修井費用高昂，在開發生產過程中應當盡量避免或減少修井活動，同時深水井中大位移井、水平井較多，常規鋼絲電纜、連續油管作業無法滿足井下多層生產調控需求。對于多層合采井，伴隨著生產開發進入中后期，層間壓力差異大，層間矛盾突出，導致分采率低，無法滿足采收率要求。常規合采方式難以滿足多層開采需求，同時多層合采作業周期長、效率低，難以實現開采經濟性要求。因此，需要建立適用于南海深水的智能完井工藝，這既是國內深水油氣資源勘探開發技術的需求，也是急需解決的重大技術和生產問題。

1 智能完井技術國內外研究現狀

智能完井是一種井下永久監測控制系統，它是一種能夠采集、傳輸和分析井下生產狀態、油藏狀態和整體完井管柱生產數據等資料，并且能夠根據油井生產情況，以遠程控制的方式及時對油層進行監測控制的完井系統。

智能完井技術在國外經過30余年的研究，主要以Halliburton、Baker Hughes、Schlumberger為代表的國外油服企業，積累了大量相關技術。目前，出現了幾種典型的智能完井工藝。

SCRAMS電動液力油藏分析與管理系統：采用電液復合控制，利用電力系統控制井下解碼器，液力系統實現井下滑套的控制，配合電子傳感器以實現井下參數的采集。智能井下系統響應快，數據量豐富，為地面決策提供參考。InForce全液力系統：采用全液控系統，利用液壓動力實現井下滑套的控制，適用于溫度較高的智能井場合。InCharge全電控系統：采用全電控系統，利用一條電纜實現井下電控滑套的控制及井下參數的采集和處理，集成化程度高、管線數量少[1-5]。

目前，在智能完井工藝方面，國內部分研究機構做了相關的研究：西南油氣田分公司等多家單位開展了氣井永置式井下壓力溫度監測技術研究；大連理工大學的井下智能閥門控制系統，采用單片機控制技術，功耗低且耐高溫，解決了機械傳動閥門的眾多問題，為油井分層采油技術提供新的解決方案；中石化勝利油田也對智能井開關技術進行了相關研究。

2 深水全電控智能完井管柱設計

2.1 全電控分層采油管柱組成及工作原理

全電控分層采油管柱主要由電纜、調控工作筒、分層工具及其他配套工具組成，如圖1所示。

完井時，電纜隨完井采油管柱下入，借助于保護器固定于生產管柱，電纜既可為井下供電，又可傳輸信號。在每個采出層段下入一個調控工作筒，配合上下連接的分層工具實現分層配產，各級調控工作筒通過一根電纜與水下終端設備相連，實時采集該層段壓力、流量、溫度等數據，然后傳輸至控制終端，實現數據的實時監測。

圖1 深水全電控分層采油管柱Fig.1 Deep water full electric control separate layer production string

各級調控工作筒可全天候工作，傳輸信號為分時工作。該工藝目前可以實現對單井最多8個層位的調節，井深可達為5km。通過預置的電纜實現了井下多個層位的實時監測和調節，減少了鋼絲電纜作業次數，提高了開發效率，適用于深水油氣田開發。

2.2 主要技術參數

1）適用于防砂完井及套管完井方式。

2）單層最大采出量800m3/d。

3）分層采出層數8層。

4）耐溫150℃。

5）耐壓60MPa。

2.3 管柱特點

1） 適用于深水開發井：針對深水開發井修井費用高等問題，利用全電控智能完井方式實現了井下的參數實時監測和控制，減少了作業費用，提高作業效率。

2）調控集成化：井下信號的傳輸和井下油嘴的調控均采用一條鋼管電纜完成，管線數量少，作業風險低。

3） 不動管柱洗井：管柱采用了可洗井過電纜插入密封，可以實現不動管柱的洗井功能。

圖2 調控工作筒結構示意圖Fig.2 Structural of control cylinder

3 電纜調控工作筒設計

3.1 調控工作筒整體結構及功能

調控工作筒為整個工藝的核心組成部分，主要由傳感部分和調控部分組成，實時采集井下溫度、壓力、流量等參數，通過信號處理裝置，實現與陸地終端的通訊，并接收地面指令，實現井下油嘴的控制，從而實現產出量的調整。調控工作筒由上下接頭、流量測試單元、一體化可調油嘴、壓力測試單元及電路倉等部分組成，如圖2所示。

調控工作筒可以接收地面控制指令，實時監測層段的溫度、壓力和流量，實現產出量的自動調整，并通過油嘴前后壓力監測，實現直讀式封隔器驗封。

3.2 調控工作筒技術參數

1）調控工作筒外徑尺寸為114mm，長度1100mm。

2）最大內通徑：44mm。

3）最大單層采油量800m3/d。

4）耐溫150℃。

5）耐壓60MPa。

6）壓力精度0.1%FS。

3.3 一體化可調油嘴

3.3.1 一體化油嘴結構特點

一體化油嘴由電機、減速器、絲杠及油嘴等組成。井下微型電機通過減速器帶動絲杠旋轉運動，轉化為油嘴的上下運動，從而實現油嘴開度大小的調節。油嘴結構與絲杠結構采取多重動密封結構，保證油嘴的可靠性。油嘴結構采用平衡壓設計，20MPa壓差順利開啟。同時，油嘴結構采用特殊三通結構，過流面積增大一倍。減速器減速比高，控制精確。油嘴采用氮化硅陶瓷材料，耐沖蝕。同時，一體化油嘴設置了霍爾傳感器，可實現油嘴開度的地面直讀。

3.3.2 一體化油嘴參數

1）油嘴最大當量直徑22.6mm。

2）流量調節范圍0m3/d～800m3/d。

3）電機最大扭矩8N.m。

4 深水全電控智能完井方案研究

圖3 一體化可調油嘴Fig.3 Integrated adjustable nozzle

圖4 深水油氣田開發模式Fig.4 Development mode of deep water oil and gas field

深水開發井普遍采用水下采油樹生產模式，遠程控制終端通過電力載波、液壓控制等方式對水下采油樹及井下傳感器、電動執行工具進行控制。通過陸地終端、水下終端、采油樹穿越等特殊裝置，實現了智能完井控制信號從控制終端到井下終端的通訊。關鍵部件包括：水下臍帶纜終端設備（UTA）、水下采油樹水下控制模塊（SCM模塊）、采油樹穿越裝置等。

4.1 臍帶纜終端設備（UTA）

全電控智能完井電利用臍帶纜，實現控制終端到水下控制終端的信號傳輸。臍帶纜到達水下終端后，與水下臍帶纜終端設備連接。臍帶纜終端設備（UTA）由液壓分配模塊、電信號分配模塊及插板樁等組成。智能完井所需的電信號通過飛線采用濕連接的方式，將電信號分配控制模塊與采油樹SCM模塊連接，實現臍帶纜控制終端與SCM模塊的連接與通訊[6]。

4.2 采油樹穿越裝置

通過臍帶纜終端設備及水下SCM模塊，實現了終端控制信號由控制終端到水下采油樹的通訊。采油樹與井下調控工作筒的通訊是深水智能完井面臨的另外一個難題，目前采用井下采油樹穿越裝置實現井下數據信號和SCM模塊的數據通訊，完井時油管掛與井下調控工作筒通過井下電纜連接，油管掛安裝到位后，通過采油樹穿越裝置實現油管掛電信號與采油樹的溝通，從而實現控制信號由控制終端到井下調控工作筒的傳輸。

圖5 臍帶纜終端設備Fig.5 Umbilical terminal equipment

圖6 EH-5型穿越器Fig.6 EH-5 Traverser

5 結論

全電控智能完井方式，通過一條電纜實現了井下多級調控工作筒的控制，實現了井下多個層位溫度、壓力、流量信號的監測，同時利用一體化可調油嘴，實現了井下產液量的無極連續調節。該工藝有效地降低了調控作業費用，提高了調控效率，降低了層間矛盾，有利于整體采收率的提高。對深水開發模式下電信號的傳輸進行調研與研究，通過臍帶纜終端設備（UTA）、水下采油樹水下控制模塊（SCM模塊）、采油樹穿越裝置等關鍵設備，為工藝在深水油氣田應用奠定了基礎。