井下無線智能調產技術研究及應用*

林麗君 何明格 王清遠 馬梓瀚

(1. 成都大學機械工程學院 2四川大學建筑與環境學院 3中國石油西南油氣田公司)

0 引 言

隨著國內外天然氣開發技術的發展，智慧油氣田技術越來越受到重視。目前，國內在氣井的地面集輸管理數字化監控方面已取得長足進步，逐步建立了較為完備的數據集成體系[1-8]，但涉及地面以下的井筒自動化控制技術較少，尚未實現油氣田全生命周期生產過程的自動化及智能化控制。井下智能工具及工藝技術作為智慧油氣田領域中的技術關鍵，有待取得更大的突破，井下智能控制技術必是未來智能油田技術領域的研究熱點和難點。相比國外，國內在井下智能工具的研發上起步較晚，加上國外諸多的技術封鎖，開展井下智能工具系統自主研發顯得越發重要和緊迫[9-11]。

針對傳統繩索作業更換節流嘴的調產方式作業周期長、成本較高和風險較大等難題，本文通過集成機電一體化技術、氣壓波控制技術和井下節流技術，提出無線控制井下智能調產方法，配套研制了無線控制井下節流器，完成室內測試及現場試驗，以期促進國內井下智能工具發展，推動我國采氣工藝技術水平的提升。

1 技術分析

開采天然氣時，井下節流技術在水合物防治、地面流程簡化、節約地面建設投資、多井集氣和集中分離生產等方面具有突出優勢[12-13]。傳統井下調產技術主要采用固定式和活動式兩種方式，當用戶需求變化時，須采取繩索作業更換不同尺寸節流嘴，實現不同等級的節流功能，這樣會導致無法及時調整天然氣井的產量，影響生產進度，增大作業風險。

1.1 井下無線智能調產工藝管串

井下無線智能調產技術綜合應用機械工程、計算機、自動化控制和無線通信等技術手段，實現遠程控制井下節流的智能化天然氣生產控制技術，主要包括智能節流工藝方法和無線控制井下節流器工具，工藝管串結構如圖1所示。

圖1 井下無線智能調產工藝管串Fig.1 Downhole wireless intelligent production adjustment string

井下無線智能調產設備主要由井口信號發射機構和井下調產執行機構組成。井口信號發射機構主要依托于現有井口采氣設備和集輸管道，井下調產執行機構由研制的無線控制井下節流器及相關控制設備組成，系統總體結構如圖2所示。

圖2 井下無線智能調產系統總體結構圖Fig.2 Downhole wireless intelligent production adjustment system architecture

1.2 無線控制井下節流器

無線控制井下節流器主要由進氣嘴、節流嘴、閥體、轉接套、電氣密封筒、導氣筒、封頭和母套等部件組成，如圖3所示。其中，電氣密封筒內封裝有溫壓傳感器、電池、控制電路板和微型電機，以保證電子元件免受高壓損壞；節流嘴采用孔板閥結構形式，由動瓣和靜瓣組成，依靠動瓣的旋轉來改變進氣通道的面積，實現井下節流；封頭端部安裝有溫壓一體傳感器，對節流后的壓力和溫度進行實時采集。無線控制井下節流器最大長度1 050 mm，最大外徑57 mm，壓力等級35 MPa，溫度等級90 ℃，適用于外徑73.0 mm油管。

1—進氣嘴；2—節流嘴；3—閥體；4—轉接套；5—電氣密封筒；6—導氣筒；7—封頭；8—內套。

1.3 井下無線智能調產控制方法

井下無線智能調產作業時，首先通過控制地面井口生產閥門開度大小，在井口產生一種壓力隨時間規律變化的信號波。該信號波沿井筒內氣體傳輸到井下節流器處，由內置的井下信號接收裝置接收信號，再通過內置控制芯片進行信號編碼同步校驗及控制指令解碼，形成地面控制指令，最終實現地面到井下節流器處的無線通信。井下節流器成功提取出配產指令后，井下控制芯片利用集成的開度推算控制模塊向電機輸出節流器開度指令，電機按照開度指令運行相應的角度，驅動節流油嘴到達對應產量開度位置，最終成功執行配產指令。同時，節流器內置的溫度壓力傳感器實時檢測節流器前后的溫度壓力參數，井下控制芯片依據檢測參數對實時產量進行信息融合處理，反饋并檢驗配產是否按照指令成功實施。該項工藝的控制架構及信號流如圖4所示。

圖4 井下無線智能調產技術控制架構及信號流Fig.4 Technical control architecture and signal flow of downhole wireless intelligent production adjustment

2 井下無線智能調產關鍵技術

2.1 無線控制井下調產系統機械結構設計

運用工具設計軟件對系統各組成零件進行結構設計和裝配設計，在此基礎上運用專業數值模擬軟件對零部件和整體機構進行靜力學、動力學、流體流速場、流體溫度場以及流體壓力場等方面的分析，利用分析結果對關鍵結構進行修正和優化，重復上述步驟直至整體結構達到合理要求，其設計流程如圖5所示。

圖5 無線控制井下節流器設計流程Fig.5 Flow chart for design of wireless control downhole choke

2.2 基于氣體壓力波的調產編解碼方法

系統從地面向井下發送控制指令信號幀，如表1所示。幀頭采用固定波形，用來喚醒井下節流器內置控制系統；隨后3組數碼用來設定井下節流嘴開度大小；為提高信號可靠性，在每一幀數據的尾端設計增加一個校驗字節，對前面的數據進行校驗。

表1 指令信號幀Table 1 Instruction signal frame

與指令信號幀相對應，氣井井口壓力波波形按照BCD編碼方式進行編碼，通過手動形式對氣井井口閥門進行控制。將井口閥門由開到關在管柱內形成的壓力升高作為一次上升沿跳變，反之作為一次下降沿跳變，連續8個跳變組成一個編碼波形，代表一個4位二進制，其中每個上升沿與下降沿跳變間全開的狀態表示二進制1，半開的狀態表示二進制0。示例：發送二進制數據 0000(數字0)的波形如圖6所示；表示二進制數據0001(數字1)的波形如圖7所示。以此類推，直至二進制數據1001(數字9)。

圖6 二進制數據 0000(數字 0)波形Fig.6 Waveform of binary data 0000 (digital 0)

圖7 二進制數據 0001(數字 1)波形Fig.7 Waveform of binary data 0001 (digital 1)

井下控制器接收到氣壓波數據后，由模糊邏輯推理系統對其進行解碼。模糊邏輯推理系統采用模糊規則進行解碼，具有較強的非線性映射能力且對參數擾動的魯棒性強，對井口發送的氣壓波數據解碼精準。無線控制井下調產系統采用生產管柱內的天然氣脈沖壓力波向井下傳輸控制指令信號，可大幅節約井下智能工具的通信成本[14-15]。同時，本通信方法對壓力變化范圍以及井口閥門操作時間無須嚴格定義[16-17]，因此適用于各種工況的氣井，編碼可靠性高，誤操作率低。

2.3 無線控制井下節流器控制算法設計

為實現井下節流的準確控制，以PID控制方法構建無線控制井下節流器油嘴的開度控制算法。根據無線控制井下微電機工作原理，設計伺服電機驅動節流油嘴控制流程，如圖8所示。控制微分方程如式(1)所示。

圖8 無線控制井下節流器油嘴控制流程Fig.8 Flow chart for control of wireless control downhole choke

(1)

式中：L為電機相電感，R為電機相電阻，J為電機和負載折合到電機軸上的轉動慣量，f為電機和負載折合到電機軸上的黏性摩擦因數，Km為電機轉矩系數，Ke為電機反電勢系數。

由于油嘴機構與電機的連接近似完全剛性，不會出現軸向位移的情況，所以設定電機編碼器的傳遞函數H(s)=1。選定電機參數為：轉動慣量J=1.0×10-6(N·m·s2)/rad，摩擦因數f=22.9×10-7，相電阻R=5.9 Ω，電機轉矩常數Km=36.9×10-3(N·m)/A，相電感L=240 μH，反電勢系數Ke=36.9×10-3(N·m)/A。結合電機微分方程建立無線控制井下節流油嘴驅動系統的閉環控制模型，如圖9所示。

圖9 無線控制井下微電機系統的控制模型Fig.9 Control model of wireless control downhole micromotor system

設計中采用積分分離式PID控制算法，系統響應進入穩態時控制器中的積分環節開始運行，以提高穩態精度；系統響應處于瞬態過程時，將積分環節斷開以改善系統動態響應質量。節流器作為較大負載的慣性系統，延遲時間較長。因此，在常規PID控制中引入積分環節，可減小系統穩定誤差，提高控制精度。

以階躍信號為測試信號，對系統按照圖9模型進行動態性能指標仿真計算，測試結果為超調量8.7%，上升時間78 ms，調節時間189 ms。說明在無線控制井下節流器控制系統中加入PID控制后，較好地優化了整個節流系統的響應性能，可為工具實現準確穩定的節流調產提供保證。

3 室內試驗及現場應用

3.1 無線控制井下節流器室內試驗

為驗證研制的無線控制井下節流器各項性能參數，開展了密封承壓、調節驅動、繩索投撈功能和整機功能性試驗，如表2所示。

表2 無線控制井下節流器室內試驗項目Table 2 Laboratory test items of wireless control downhole choke

試驗結果如下：

(1)在35 MPa、90 ℃條件下，工具整體承壓、密封可靠，動力驅動能力強，可實現油嘴開度尺寸多級調節，整機的密封性能、承壓性能和可調性能滿足要求。

(2)在模擬井460 m處完成了多次整機的鋼絲投撈作業試驗，工具的通過性良好，整機抗震擊性能和可靠性滿足要求。

(3)在模擬井井下460 m井深處完成了多次氣壓波遠程控制功能試驗，通過調節井口針閥產生壓力波，實現了對井下節流器油嘴開度的準確控制。

3.2 無線控制井下節流現場應用

2019年7月，無線控制井下節流器在西南油氣田公司A井成功應用。A井配產工藝參數為：井口油壓1.2 MPa，套壓5.5 MPa，節流器油嘴等效通徑0～10 mm(多級可調)，配產氣量1.4×104m3/d，產液量1 m3/d。工具坐封于井下2 298.6 m處的工作筒內。依據井場生產要求，需要將該井的產氣量進行提高，操作井口針閥發送氣壓波數據(4 1 2 1 4)，成功調節井下節流器油嘴開度，實現了氣井產量由原0.4×104m3/d調節到1.4×104m3/d進行生產，順利完成氣壓波無線控制井下節流調整氣井產量的作業任務，產量變化如圖10所示。

圖10 井下無線智能調產技術現場應用情況(1)Fig.10 Field test (1) of downhole wireless intelligent production adjustment technology

無線控制井下節流器在井下穩定工作4個月，期間完成了6輪次氣壓波無線遠程控制井下節流調產任務，均取得成功，如圖11所示。

圖11 井下無線智能調產技術現場應用情況(2)Fig.11 Field test (2) of downhole wireless intelligent production adjustment technology

無線控制井下節流器現場的成功應用，驗證了井下無線智能調產工藝方法的可行性和工具的可靠性。

4 結 論

現場成功應用表明，井下無線智能調產技術各項性能穩定可靠，驗證了井下智能節流方式的可行性與先進性，相比于傳統的井下節流工藝技術，主要呈現以下特點：

(1)集成微電子技術、自動控制和井下無線通信技術構建的井下無線智能調產系統，只需利用現有井場采氣井口裝置，即可在地面遠程無線控制調節井下節流嘴開度大小，革新了傳統關井和采取繩索作業更換節流嘴進行井下調產的方式，可為氣井生產節約人力、物力和時間成本。

(2)井下無線智能調產技術較好地滿足數字化天然氣田技術中數字化、自動化要求，可指導技術人員依據生產需要高效調整天然氣井產量，增強天然氣井開發安全性，提高運行效率，降低運行成本。

(3)本文提出的方法和理論能夠為其他井下智能工具的研發提供思路，能提升井下采氣工具的技術水平，可為采氣工藝技術改進提供一定參考。