智能完井系統(tǒng)關鍵技術研究

李瑞豐* 劉傳剛 張 亮 劉景超 張璽亮 楊建義

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

1 概述

海上油氣田多層系、油藏非均質性較強、層段間干擾嚴重，常規(guī)分采技術調整生產層位手段有限，不能控制油井的水氣錐進問題，開采效果差，油氣藏水淹或進入高含水期，致使油井過早水侵而造成全井的快速水淹報廢，生產周期短，單井利用率低，油藏采收率降低。[1]

智能完井技術可通過井下生產數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析解釋、生產動態(tài)優(yōu)化計算及遠程井下流體控制的方式最終實現(xiàn)閉環(huán)式的油井生產智能化管理，在提高采收率及降低油氣井后期生產調控費用等方面具有明顯優(yōu)勢[2]。智能完井系統(tǒng)包括地面控制單元，井下數(shù)據(jù)傳輸單元，井下測量單元，井下生產流體控制單元四部分，其技術核心在于實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和產量的優(yōu)化控制[3]。

智能完井技術在1997 年被首次應用于挪威的海上油田的開發(fā)，通過技術升級及系統(tǒng)完善，目前已經(jīng)廣泛應用于北海、墨西哥灣、海灣地區(qū)等，為深水、海上、無人平臺及老油田的開發(fā)帶來了希望。據(jù)不完全統(tǒng)計，陸地及海上油田采用智能完井系統(tǒng)開發(fā)的油氣井已超過2000 口，未來隨著深水開發(fā)及無人平臺的廣泛應用，智能完井技術的現(xiàn)場應用規(guī)模將進一步擴大[4-6]。

2 中海油智能完井系統(tǒng)研究

為實現(xiàn)國產化的智能完井系統(tǒng)開發(fā)，鑒于直接液力式智能完井系統(tǒng)是通過液控管線將液壓直接作用在井下流量控制器上，推動井下流量控制器液壓缸活塞運動，實現(xiàn)流量控制器的開度調節(jié)的控制原理，其具有結構簡單、安全可靠性高的特點，中海油依托“十三五”國家科技重大專項子課題，針對n+1 直控電測的智能完井系統(tǒng)開展了一系列的研究，形成了一套適用9-5/8″套管井2 層獨立控制的智能完井關鍵工具產品，主要包括井下流體生產控制總成和井下參數(shù)測量總成兩部分。

2.1 井下流體生產控制總成

井下流體生產控制總成是通過地面液壓控制單元作為壓力輸出源，以液壓油為傳壓介質，實現(xiàn)井下流量控制器的開度調節(jié)，最終滿足井下目標層的最優(yōu)化生產的需要。

中海油開發(fā)了適用9-5/8″套管井2 層獨立控制的井下流量控制總成。包括地面液壓站、上位機、三根一組整體塑封的1/4″液控管線組、過電纜液控管線封隔器和井下流量控制器工具。其中，地面液壓站可實現(xiàn)本地/遠程兩種模式的3 路液壓輸出控制，單路最大輸出壓力8500psi，具備輸出壓力、輸出流量及井下流量控制器開度狀態(tài)監(jiān)測功能；過電纜液控管線封隔器密封達壓差50MPa，耐溫150℃，可滿足6 條管線的穿越。井下流入控制原理圖見圖1。

圖1 井下流入控制原理圖

2.1.1 井下流量控制器

圖2 為井下流量控制器的結構示意圖。井下流量控制器主要由上接頭、外筒、軌道套活塞、開度套、導向釘、下接頭等部分組成。

圖2 井下四級流量控制閥結構示意圖

井下流量控制器的工作原理：開度套在軸向上分布有不同直徑大小的孔道滿足井下流體的流動，軌道套、導向釘、活塞和下中心管組成中心管路，活塞前后腔分別連接有液控管線可實現(xiàn)活塞腔的進油和回油，活塞在液壓作用下上下運動，帶動軌道套和下中心管做軸向移動，軌道套為J 形槽結構，導向釘?shù)竭_J 形槽的設計位置時，中心管路鎖定，下中心管與開度套不同位置的流道孔實現(xiàn)對應，從而通過不同次數(shù)的壓力作用實現(xiàn)地面對井下各目標層的井下流量控制器的開度調節(jié)。

2.1.2 地面控制單元

地面控制單元由地面液壓站和上位機組成，其控制流程見圖3。地面控制單元通過對井下傳感器采集的溫度、壓力及流量等電信號通過解碼、降噪處理后轉化成數(shù)字信號并繪制相關的曲線，為技術人員進行油藏開發(fā)方式優(yōu)化調整提供數(shù)據(jù)支撐，指導生產井人為干預措施的制定。根據(jù)生產井生產調控需要，實現(xiàn)地面對井下流量控制器的開度調節(jié)。

圖3 地面控制單元流程圖

地面液壓站是井下流量控制器開度調節(jié)的動力來源，可實現(xiàn)本地控制和借助上位機的遠程控制2 種控制模式，滿足井口區(qū)和無人平臺的控制需求。地面液壓站可通過計量輸出流體體積、回油流體體積、輸出壓力值等參數(shù)來判斷井下流量控制器是否執(zhí)行了相應的開度調節(jié)動作，但在對地面液壓站進行設計時，鑒于井下流量控制器常位于井下1000m 以上的深度處，液壓傳遞所用的液控管線內徑較小，屬于長管線小流量的流動范疇，同時傳壓介質液壓油本身具有粘性，在設計輸出壓力時需考慮長距離液壓傳輸壓力損失的影響，即液壓控制站輸出的壓力應為井下流量控制器的臨界驅動壓力和管線壓力損失之和：

長距離液壓傳遞過程中，液壓油在液控管線中的流動為層流。液壓油在液壓管線中流動的壓力損失?P損失可根據(jù)達西公式進行計算：

式中，λ 為液控管線的沿程阻力系數(shù)，無量綱；l 為液控管線的長度，m；d 為液控管線的直徑，m；ρ 為液壓油的密度，kg/m3；ν 為液壓油在液控管線中的平均流速，平均進油量與管線截面積之比v=，m/s。

對于層流流動，沿程阻力系數(shù)λ≈75/Re，液壓油的雷諾系數(shù)，其中μ 為液壓油的粘度。

將公式帶入達西公式得到：

由沿程壓力損失公式可知，當液壓油型號、管線尺寸和管線長度確定后，沿程壓力損失只和進油的流量大小有關。進油流量增大，液控管線的沿程壓力損失也增大。

2.2 井下參數(shù)測量總成

井下參數(shù)測量總成包括地面數(shù)據(jù)采集模塊、信號電纜和井下溫度、壓力、流量傳感器3 個組成部分，其主要功能是通過傳感器采集井下生產數(shù)據(jù)并轉化為電信號，借助信號電纜實現(xiàn)信號的傳輸，在地面通過數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及電信號到數(shù)字信號的轉化，最終實現(xiàn)實時監(jiān)測生產層位參數(shù)的目的。井下參數(shù)測量原理如圖4 所示。

圖4 井下參數(shù)測量原理框圖

2.2.1 地面參數(shù)測量采集模塊

將井下傳感器傳回的電信號轉換為數(shù)字信號，并通過通訊接口將數(shù)字信號傳送給地面控制單元，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理與存儲。模塊技術參數(shù)見表1。

表1 地面電纜測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術參數(shù)表

2.2.2 井下傳感器

井下測量傳感器是將目標層測量的參數(shù)轉換為電信號，并通過信號電纜傳送至地面控制系統(tǒng)，實現(xiàn)目標層生產參數(shù)的測量。通過對比選型，中海油智能完井系統(tǒng)選用電子式溫度傳感器及壓力傳感器做為井下傳感器進行井下生產參數(shù)的測量，技術參數(shù)見表2。

表2 中海油智能完井系統(tǒng)用傳感器參數(shù)表

2.2.3 信號電纜的選型

信號電纜可實現(xiàn)井下傳感器與地面控制系統(tǒng)的信號通訊。中海油智能完井系統(tǒng)信號電纜選用銅芯線直徑1.29mm 的單股單芯電纜，芯線電阻率≤14.4Ω/km（20℃），絕緣電阻每千米電纜≥49200 兆歐，信號衰減很小，通訊可靠性高。

3 結論和建議

3.1 智能完井技術通過井下數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析解釋、生產動態(tài)優(yōu)化計算及遠程井下流體控制最終實現(xiàn)閉環(huán)式的油井生產智能化管理。

3.2 針對深水、水下井口、無人平臺等復雜工況，可采用智能完井技術進行開發(fā)，降低后期修井成本，提高采收率。

3.3 受國外專利技術及產品制約，進口智能完井技術成本較高，需開展技術自主化升級、產品系列化和可靠性等攻關，形成耐高溫、高可靠性、多層多級的智能完井技術，滿足海上油氣開發(fā)的需求。