智能完井井下液壓控制系統關鍵技術研究

張鳳輝，薛德棟，徐興安，張潔茹

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300345）①

智能完井井下液壓控制系統關鍵技術研究

張鳳輝，薛德棟，徐興安，張潔茹

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300345）①

智能完井系統通過傳感器和地層滑套開關實現了對產液層的監測和控制，對油層實現了多層合采、層間優化、單采等多種模式的切換。介紹了國際上通用的智能完井井下液壓控制系統，并結合分層開采智能完井的技術要求，提出了一套智能完井井下流量控制解碼器的設計方案，通過操縱井下多目的層滑套的開關從而實現分層選擇和控制。設計的數字液力解碼器利用3條液壓管線可實現最多6個生產層滑套的控制。該方案簡化了現場安裝液控管線的操作，有助于推動智能井配套工具的標準化。

智能完井；液控系統；液壓解碼器

1 智能完井技術特點

智能完井系統通過遠程控制的方式實現了對井下生產層流體參數的監測和產層的控制，滿足了油井生產進行實時監控的要求。智能完井系統包括井下狀態監測系統和井下流量遠程控制系統2個重要組成部分，井下狀態監測系統利用安裝于井下的傳感器通過通訊系統傳輸對井下流體動態參數進行監測；井下流量遠程控制系統主要借助液壓或電力方式對井下流量控制閥的開關調整，實現了對生產狀態的控制。井下流量遠程控制系統無需通過鋼絲作業即可實現生產層井下工具的遠程調控，實現油井動態的調整，從而最大程度地保障了油井的正常生產［1-8］。

目前，國際上主要由Welldynamics、Baker Hughes、Schlumberger、Weatherford 4家公司提供智能完井服務。Welldynamics公司推出以液壓控制為主導的控制系統，包括微型液力（Mini Hydraulics）、直接液力（Direct Hydraulics）、數字液力（Digtal Hydraulics）等系統，均由液壓控制。Baker Hughes的智能完井控制系統主要包括InCharge系統和InForce系統，但由于InCharge系統為電驅動方式，在油田生產中存在著不穩定性［9-11］，因此逐步退出了市場。

各公司的控制系統性能對比如表1所示。

表1 智能完井控制系統性能對比

智能完井技術在海洋石油開發中具有廣闊的應用前景，尤其是未來中海油向深水進軍的趨勢，給智能完井的發展提供了更廣闊的空間。海上油田作業成本高，大斜度井、水平井多，傳統的鋼絲電纜作業既費時又費力。智能完井徹底擺脫了傳統鋼絲電纜投撈作業，無需電纜作業即可實時對油井產層參數進行監測，并可對產層滑套開度大小進行調整，使各產層均勻開采，提高了最終采收率。

2 智能完井液壓控制系統組成

智能完井液壓控制系統主要由井口液壓信號發生系統、控制管線、井下控制閥3部分組成。井口液壓信號發生系統能夠同時提供液壓動力和液壓信號［12］，同時還可以設置1個門檻壓力，避免雜散信號的干擾。液壓信號包括低壓信號和高壓信號，通過壓力信號的轉變實現液壓井底閥門的開啟及關閉。

2.1 直接液壓控制系統

直接液壓控制系統是一種簡單的液壓控制系統，如圖1所示。井下控制閥的打開端分別直接與地面控制系統的管線相連，關閉端共用1條控制管線。例如：當2#管線施加壓力時，推動閥門A液壓缸活塞打開閥門；同樣，3#管線可以控制B閥門的開啟，1#管線可以同時關閉2個閥門。直接液壓控制系統液壓缸直接作用于滑套閥門上，能夠極大地提高由于結垢而被卡住套筒的移動能力。

圖1 直接液壓系統

2.2 微型液力控制系統

2.2.1 系統簡述

微型液力控制系統如圖2所示，該系統實現了從簡單可靠的分層控制到最復雜的智能井的控制。在微型液力控制系統中，利用智能微型液壓解碼器，僅需1條控制管線就可實現閥門的雙作用驅動功能。液壓控制閥門通過1條液壓管線，利用微型液壓解碼器，經過高低壓的變化實現活塞的開啟與關閉。

圖2 微型液控控制系統

微型液力控制系統具有3個方面的優點：

1） 所需控制管線數量很少，每個滑套僅需要1條管線即可以實現滑套的開關控制。

2） 采用剛性動力打開和關閉ICV，不依賴機械或空氣彈簧復原原理操控ICV。

3） 每完成1次活塞沖程，高壓液被排到井筒油管中，這樣就保證液壓系統中都是新鮮的流體，并將小的碎片和沉積物沖出系統。

2.2.2 微型液壓解碼器設計

微型液力控制系統的核心技術在于微型液壓解碼器的設計，如圖3所示。液壓管線分別施加高壓與低壓信號實現管線的開啟與關閉。當管線中施加低壓信號時（如圖3a），液壓油分別通過管線1進入管線2和管線3，低壓信號不能使液壓換向閥發生換向，所以管線2中液壓油進入液壓活塞，使液壓活塞打開。當管線中施加高壓信號時（如圖3b），管線中的高壓油分別進入管線2和管線3，管線3中的高壓信號使液壓換向閥發生換向，管線2中的液壓油通過液壓閥右側進入液壓閥，使液壓閥關閉。

圖3 微型液控控制井下解碼器原理

2.3 數字液力控制系統

2.3.1 數字式液力控制系統概述

數字式液力控制系統如圖4所示，整個系統的特點為：

1） 可用在陸上、平臺或水下／海底。

2） 采用全液壓控制方式，保證了系統的穩定性。

3） 系統與油管壓力或環空壓力無關。

4） 下入深度不受限制。

圖4 數字式液力控制系統

2.3.2 數字解碼器設計

數字式液力控制系統的關鍵部件在于井下解碼器，井下解碼器設計旨在利用有限的液壓管線實現盡可能多的目的層位置的選擇。數字式液力控制系統利用n條液壓管線實現n×（n－1）層的控制。以3條管線為例可以實現6個層位的控制，如圖5所示。

圖5 數字式液力控制系統井下解碼器層位選擇原理

每個層位的液壓控制滑套分別由2條液壓管線進行控制，不同的組合可以實現3條液壓管線對6個地層的控制。智能井井下解碼原理如圖6所示。

圖6 數字式液力控制系統井下解碼器原理

如果對第1層進行操作時（如圖6a所示），利用地面的液壓系統對管線1施加高壓信號，高壓油進入管線4，通過二位二通液控換向閥進入管線6，高壓信號使右側液控閥打開，液控閥處于打開狀態。此時給管線2施加高壓信號，管線中高壓液壓油會通過管線5進入右側液控閥，從而實現管線2中的高壓油對外界的控制，解碼完成。當解碼完成后，液壓控制管線1，2的壓力都歸零。右側液控閥的控制腔壓力為0，閥在彈簧作用下歸位，回歸關閉狀態，完成目的層的關閉。

利用液壓控制管線1，2實現對層2的控制（如圖6b所示），利用地面液壓動力系統首先對管線2施加高壓信號，高壓油會通過管線4流經左側液控閥到達右側液控閥的控制腔，高壓信號使右側液控閥處于打開位置，此時對管線1施加高壓信號，管線1中的高壓原油會通過管線5流經右側液控閥，實現對底層2滑閥的控制，完成了解碼。當解碼完成后，液壓控制管線1，2的壓力都歸零，右側液控閥的控制腔壓力為0，閥在彈簧作用下歸位，回歸關閉狀態，完成目的層的關閉。

利用上述原理，分別利用1，3、2，3管線可以實現對地層3～6的控制。井下解碼器的使用實現了利用3條液壓管線對6層地層的控制。

3 結論

1） 智能完井系統可以滿足海上油田大斜度井、水平井的需要，可以解決深水鋼絲電纜投撈作業困難的問題；實時對產層參數進行監測并對產層滑套進行相應的調整，平衡產層壓力，提高采收率。

2） 微型液控控制井下解碼器利用n條管線實現了對n個地層的識別和動力液引導。通過管線高壓與低壓的變化，實現了每條管線對1個地層的控制。這種系統適用于地層層數小于3層的油井。

3） 數字式液力控制系統井下解碼器利用n條液壓管線通過解碼裝置實現了n×（n－1）個生產層位的識別和動力液引導。如果不需要解碼裝置，實現6層的控制最少需要7條液壓管線，解碼裝置的使用大幅減少了管線數量。

4） 目前智能完井層數應用的最多為6層，使用最多的為2～3個生產層。對于2層的智能井系統，則利用微型液控系統；對于大于3層的智能井，則利用數字式液力控制系統。這2種系統能滿足油田的需要，同時也有利于智能井完井配套工具的標準化。

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Study of Key Technologies of Down Hole Hydraulic Control System in Intelligent Well Completion

Intelligent well completion system monitors and controls the down hole with sensor and sliding sleeve，balanced the mode switch between commingling production，interlayer optimization，and tandem completion.The general international intelligent well completion hydraulic control system is introduced in accord with technology standard of intelligent well completion.By such design，layer selection and control in the target zone can be accomplished.Two to six layers can be controlled by three hydraulic lines.In this way，the unnecessary effort in connecting the lines in installation can be avoided.In addition，the design can also speed up the standardization of matching tools in intelligent tool well completion.

intelligent well completion；hydraulic control；hydraulic decoder

TE925.3

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.002

1001-3482（2014）11-0007-04①

2014-05-16

張鳳輝（1968-），男，黑龍江佳木斯人，高級工程師，碩士，主要從事油水井測試技術研究，E-mail：zhangfh5＠cnooc.com.cn。