井下電控滑套研制與試驗

劉義剛,張志熊,鄒明華,晁圣棋,張 樂,丁德吉

(1.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459；2.中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)①

渤海油田的地層非均質性嚴重，油層較厚，產液剖面不均衡。隨著渤海油田開發的不斷推進，含水也不斷上升，部分主力油田進入高含水期，為提高開采效率，已逐步開展分層開采技術的應用[1-4]。

目前，渤海油田有近500口分采井，絕大部分采用機械滑套作為配產工具，機械滑套的開啟或關閉需要鋼絲作業，對于井斜較大的井，作業困難，甚至部分井需要用到專門的連續油管作業。針對這些作業問題，渤海油田曾經嘗試過用智能滑套[5-6]作為配產工具進行分層開采，而智能滑套內置電池，其壽命受電池壽命的影響，該技術沒有在渤海油田成功推廣。筆者研制了一種電控滑套，形成了以電控滑套為配產工具的新型分層開采工藝。

1 現有機械滑套技術分析

以機械滑套作為配產工具的分層開采工藝管柱如圖1所示。機械滑套設置在各個層段，各層段之間通過定位密封和插入密封進行分層，產液通過機械滑套的進液口(也是出液口)進入生產管柱，經帶孔管流入套管，然后由電泵舉升至地面。機械滑套適應于防砂段內徑≥82.55 mm，適用井斜≤60°。

圖1 機械滑套分采工藝管柱示意

在需要開啟或關閉某一層時，鋼絲連接機械滑套開關的專用工具，到位后，通過震擊下壓或上提機械滑套內置的機械開關，實現滑套的開啟或關閉。某種機械滑套及其配套使用的開關工具[7-8]如圖2～3所示。

圖2 機械滑套示意

圖3 機械滑套開關工具示意

機械滑套作為分層配產工具在渤海油田使用廣泛，其成本較低。但機械滑套的開關一般是通過鋼絲作業進行的，當遇到大井斜的作業井，則需要動用連續油管作業，其開關操作略顯繁瑣。渤海油田一口井下入了4套機械滑套，為了測試各層靜壓，開啟滑套6次，關閉滑套7次，耗時30 h以上。另外，機械滑套工作狀態只能是全開或全關，無法有效調節各層的生產壓差，難以對各層進行合理、高效開采。

2 電控滑套

電控滑套與機械滑套相比，最大的不同點在于電控滑套采用鋼管電纜作為傳輸載體，地面發送指令通過鋼管電纜傳遞給電控滑套，電控滑套收到指令后進行開關動作。電控滑套分層開采工藝管住如圖4所示。

圖4 電控滑套分采工藝管柱示意

與機械滑套分層開采工藝相比，電控滑套增加了鋼管電纜、地面工況機及相應的上位機。工況機一是通過鋼管電纜給井下的電控滑套供電，二是進行數據通信傳輸，三是與上位機進行通信；上位機內含操作軟件，可對電控滑套發送指令，顯示電控滑套的狀態信息等。

2.1 結構及原理

電控滑套主要由下接頭、電纜連接頭、滑環導電機構、調節臂機構、控制線路、限位機構、陶瓷閥機構、過濾網、主體部分、外套管、壓力傳感器等組成，如圖5所示。主體部分用于連接其上的工具，提供過流通道，并設置電纜連接口，用于將生產控制器通過電纜連接起來。在主體部分圓周上的一部分增加過濾網，防止一些大尺寸的雜物進入電控滑套內部；外套管連接主體部分和下接頭，并將電機、控制線路等保護起來，同時提供主過液通道；下接頭用于連接其下的工具，提供主過流通道，在其一側設置電纜連接口，將電控滑套通過電纜連接起來。

圖5 電控滑套結構示意

電控滑套的線路主要由單片機、指令信號檢波/前置放大/整形單元、井下信號功率放大、井下數據信號調制載波單元、管柱/地層壓力計、溫度傳感器、各模擬信號放大處理單元、閥開度、上/下限位測量單元、電機工作電流測量單元、纜頭電壓測量單元、電機功率驅動單元、數據存貯單元、變速電機等組成。

電控滑套的調節過程：地面工況機通過鋼管電纜發送調節指令，電控滑套接受到指令后，經過解碼電路解碼，電機控制電路開啟電機工作。由調節臂將作用力傳遞給調節閥，調節開度大小。調節臂轉動會產生脈沖信號，電控滑套的內置芯片通過采集脈沖信號確定調節閥的行程，當達到調節閥開度所需值時，芯片通過電機控制電路關閉電機，完成開度調節。

2.2 技術參數

最大外徑 ?114 mm

中心通徑 ?44 mm

工作壓差 40 MPa

工作溫度 120 ℃

閥調節轉矩 ≤3 N·m

電機轉矩 8 N·m

調節行程 54 mm

單層產液量 500 m3/d

2.3 技術特點

1) 開度可無級調節，并可在線直讀，隨測隨調。

2) 能夠完成數據通訊，壓力、溫度、流量的實時監測，流量調控，驗封等功能。

3) 滿足高液量、油水混合條件下對流量測試的要求。

4) 具有防砂卡能力。

3 試驗與分析

3.1 整體試壓試驗

對電控滑套進行了整體試壓和調節試驗。將電控滑套置于套筒中，從套筒加壓至50 MPa，并保持3 d，期間不定時檢測電控滑套的狀態信息，對其進行開度調節，觀察其是否能正常工作，如圖6所示。

圖6 電控滑套整體試壓試驗

經測試，電控滑套在50 MPa壓力下能正常工作，其開度可正常調節。

3.2 聯調試驗

將6套電控閥與地面工況機通過5 000 m鋼管電纜串聯起來，地面工況機通過RS-485轉USB連接電腦，測試電控滑套能否正常通信、調節，如圖7所示。

圖7 電控滑套與地面工況機聯機試驗

試驗過程：①通過上位機控制地面工況機讀寫電控滑套層位位號，編號，通信是否正常；②直讀電控滑套壓力、溫度值，驗證地面工況機是否可以實時監測電控滑套，并能完成壓力、溫度的測量；③通過上位機控制地面工況機向電控滑套發送開度調節指令，電控滑套按照指令進行開度調節。

試驗結果：地面工況機與6套電控滑套均能正常工作，可以通過上位機對各個電控滑套進行測試與開度調節，正調或者反調均能順利進行，如圖8所示。

圖8 聯調試驗測試

3.3 試驗井試驗

將電控滑套連接管柱并下入試驗井，電控滑套下入深度203.46 m，試驗井外套管為?339.7 mm，內套管為?244.5 mm，電控滑套所在管柱從上至下依次設置有電泵系統、封隔器、電控滑套，電控滑套的電纜連接孔連接鋼管電纜，鋼管電纜至地面與地面工況機連接，地面工況機與上位機連接，封隔器密封?244.5 mm套管。從地面通過?339.7 mm套管供水，啟動電泵后，水通過電控滑套進入電控滑套管柱內，并通過電泵舉升至地面。

從試驗結果看，通過上位機發送調節指令，上位機測調軟件顯示通信成功，電控滑套的開度不斷變化，正調或者反調均可。當正調至電控滑套全開狀態時，開度顯示100%，測調軟件顯示電控滑套為全開狀態，當反調至電控滑套全關狀態時，開度顯示為0，測調軟件顯示電控滑套為全關狀態。

對電控滑套進行流量調節試驗，使電控滑套的開度處于30%、50%、70%、80%、100%，記錄流經電控滑套的流量，對應的流量分別為65、183、242、254、270 m3/d，說明開度越大，流量越大。

4 結論

1) 研制的電控滑套可實現分層開采，與常規分采工藝比較，效率更高。

2) 通過試驗檢驗了電控滑套的可靠性。電控滑套工作壓力高，滿足現場使用要求，并可進行多級串聯，各級電控滑套均能正常工作；可實現多層分層開采的需求、在線正調或反調開度，且可實現開度的無級調節，用于精細注入作業。正調情況下，開度增大，過流量也增大，反調則反之。

3) 電控滑套不僅適應于分層開采工藝，而且在其它機械滑套使用的場合，也可使用電控滑套來完成，例如作為洗井工具等。