海上油田井下液控解碼技術(shù)

楊萬有 薛德棟 張磊 沙吉樂 張鳳輝 馬喜超

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

海上油田開發(fā)以大斜度井、水平井為主，層數(shù)多、層間壓力差異大，導(dǎo)致開發(fā)層段層間矛盾大，需要對開采層位進(jìn)行有效的控制。井下流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要有液壓、電力、電液復(fù)合控制等，其中液壓驅(qū)動由于其耐高溫、扭矩大、可靠性高的優(yōu)點，在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛［1-5］。國外的Welldynamics 公司Smart-Well 智能完井系統(tǒng)，Halliburton 公司HS-ICV、LVICV、MCC-ICV 等系列的井下流量控制閥，以及Schlumberger 公司的IntelliZone Compact 智能完井系統(tǒng)均采用液壓控制方式［6-9］。

井下液壓控制閥具有動作可靠，動作力大，不易垢卡等特點，但大部分液控滑套均需要2 條液控管線進(jìn)行開關(guān)調(diào)節(jié)控制，當(dāng)井下層位過多時，會導(dǎo)致井下管線數(shù)量過多，工藝可行性受限。國內(nèi)外對此進(jìn)行了大量的研究，并提出了直接液壓控制、微型液壓控制及數(shù)字液力控制等方式。直接液壓控制方式每層液控滑套分別采用1 條打開管線，多層滑套共用1 條關(guān)閉管線，即用n+1 條管線實現(xiàn)了井下n個層位的控制；微型液壓控制方式通過優(yōu)化控制方式，將滑套返出液直接排入環(huán)空，利用n條管線實現(xiàn)了井下n個層位的控制；數(shù)字液力控制通過井下編碼技術(shù)，利用不同管線的組合，利用n條液壓管線實現(xiàn)了n×(n-1)層的控制。液控井下解碼技術(shù)為液壓智能完井控制技術(shù)的核心［10-13］。

1 液控井下解碼技術(shù)

液壓控制技術(shù)能夠?qū)露鄠€層位進(jìn)行有效的控制，適用于海上油田開發(fā)，液控分層控制管柱結(jié)構(gòu)如圖1 所示。以6 層生產(chǎn)井為例，每1 個生產(chǎn)層位中分別下入1 套解碼裝置和液控滑套，解碼裝置用于識別地面液壓信號，引導(dǎo)液控滑套動作，液控滑套用于井下產(chǎn)液的調(diào)整。通過解碼器和液控滑套，可以通過3 條液控管線特定的壓力順序，實現(xiàn)井下6 層液控滑套的分層調(diào)節(jié)。

圖 1 液控分層管柱結(jié)構(gòu)Fig. 1 Schematic structure of separate-layer hydraulic control string

解碼裝置、液控滑套與液控管線連接順序如圖2所示，解碼器的3 個壓力控制口分別與3 條主控制管線連接，連接順序如表1 所示。解碼器出口與液控滑套連接，解碼后將主管線壓力液引導(dǎo)至液控滑套處，實現(xiàn)液控滑套的動作。利用井下液控解碼裝置，實現(xiàn)了3 條管線對6 層液控滑套的控制，提高了液控工藝的適應(yīng)性。

表 1 井下液控解碼器連接順序Table 1 Connection order of downhole hydraulic control decoder

圖 2 井下液壓系統(tǒng)連接順序Fig. 2 Connection order of downhole hydraulic system

2 井下液控解碼器設(shè)計

2.1 解碼器結(jié)構(gòu)設(shè)計

作為液控智能工藝的核心部件，解碼器需要完成2 部分功能，首先能夠?qū)Σ煌囊簤盒盘栠M(jìn)行解析，根據(jù)不同的液壓信號進(jìn)行不同的響應(yīng)，實現(xiàn)層位的解碼；其次能夠?qū)崿F(xiàn)主液壓通路導(dǎo)通功能，在解碼器打開后能夠?qū)⒁簤嚎刂乒苈放c井下液控滑套連接，完成液壓信號對井下液控滑套的控制。解碼器結(jié)構(gòu)如圖3 所示，a~h 為內(nèi)部管線連接孔。

圖 3 解碼器打開狀態(tài)Fig. 3 Open state of decoder

如圖3 所示，解碼器主要由上下接頭，上下閥體，閥芯，滑閥，復(fù)位彈簧及解碼用的閥控鎖球，閥控鎖芯組成；其中閥控鎖球，閥控鎖芯組合用于解碼器的解碼，閥芯、閥體、滑閥組合實現(xiàn)主通路液壓油的引導(dǎo)。解碼器主體為滑閥結(jié)構(gòu)，左側(cè)為解碼部分，通過不同管線的不同壓力，識別并引導(dǎo)閥芯動作，從而推動滑閥運(yùn)動。右側(cè)滑閥為動力液引導(dǎo)部分，在關(guān)閉狀態(tài)下，將主液壓通道與滑套隔離，在打開狀態(tài)下將主液壓通道動力液引導(dǎo)至液控滑套內(nèi)，實現(xiàn)滑套的控制。

2.2 解碼器解碼開啟原理

圖4 所示為層位1 解碼器與主液控管線連接方式。解碼器內(nèi)部管線連接順序為a 孔和d 孔內(nèi)部連接，對應(yīng)解碼器1 口；b 孔和e 孔在解碼器內(nèi)部連接，對應(yīng)解碼器2 口；c 孔和f 孔內(nèi)部連接，對應(yīng)解碼器輔助口。外部解碼器1 口與管線1 連接，解碼器2 口與管線2 連接，解碼器輔助口與管線3 連接，解碼器g 孔和h 孔分別連接液控滑套的進(jìn)出液孔。其中解碼器1 口和解碼器2 口組合，實現(xiàn)液壓解碼功能。由于液控管線靜液柱的壓力影響，解碼器下井前，每個解碼器a 口應(yīng)覆蓋一個爆破片，爆破片破壞壓力應(yīng)大于安裝位置的液柱壓力。

圖 4 解碼器關(guān)閉狀態(tài)下內(nèi)部液壓系統(tǒng)Fig. 4 Internal hydraulic system in the closed state of decoder

解碼器解碼動作步驟：(1)圖4 為解碼器的關(guān)閉狀態(tài)，首先對管線1 升壓5 MPa， a 孔處壓力升高，此時高壓液推動閥控鎖套4 向右移動，閥控鎖套移動到位后其鎖球槽位置與鎖球中心線處于一條直線。d 孔處滑閥關(guān)閉，閥芯不動作。(2)動作1 完成后，對管線2 通入1 MPa 壓力液，b 孔壓力升高，閥芯7 有向右移動的趨勢，此時閥芯7 將閥控鎖球3 向上推動，將閥控鎖球3 推至閥控鎖套4 的鎖球槽內(nèi)，實現(xiàn)閥芯7 的解鎖，從而推動閥芯7 帶動滑閥9 克服下端復(fù)位彈簧10 的作用力向右移動，實現(xiàn)整體解鎖。(3) 解鎖完成后解碼器狀態(tài)如圖3 所示。此時d 孔和g 孔的導(dǎo)通， e 孔和h 孔導(dǎo)通。此時液控管線1 通過解碼器與液控滑套的進(jìn)液孔連接，液控管線2 通過解碼器與液控滑套的回液孔連接，從而通過管線1,2 的壓力控制，實現(xiàn)了液控滑套的調(diào)整。

2 級打開壓力梯度的設(shè)置，保障了解碼器打開時層間互不干擾，單層的動作不會對其余層位的解碼器狀態(tài)產(chǎn)生影響，從而保證層間的互不干擾。以該層為例，打開時需要首先對管線1 施加5 MPa壓力，此時4 層和6 層解碼器輔助口接入管線1,該口壓力為5 MPa，將4 層和6 層解碼器推至全關(guān)狀態(tài)，3 層解碼器中2 口與管線1 連接，此時2 口壓力升高導(dǎo)致閥芯7 帶動閥控鎖球3 向右做微小運(yùn)動，從而將鎖球在上接頭1 的球孔處鎖死。此后管線2 施加1 MPa 壓力，此時2 層和5 層解碼器輔助口為1 MPa 高壓狀態(tài)，該兩層解碼器處于完全關(guān)閉狀態(tài)， 2 層解碼器1 口壓力升高，閥控鎖套4 向右運(yùn)動，但此時閥控鎖球處于鎖緊狀態(tài)，閥控鎖球3 無法向上運(yùn)動，繼續(xù)對閥芯7 進(jìn)行鎖緊，從而無法實現(xiàn)閥芯的解鎖。即通過特定的壓力順序，只有1 層解碼器能夠順利打開，其余層位均處于關(guān)閉狀態(tài)。利用排列組合的原理，通過表1 的接入順序及特定的壓力序列，通過3 條管線可以實現(xiàn)井下6 個層位解碼器的打開和關(guān)閉，層間均可以實現(xiàn)互不干擾。

表 2 井下液控解碼器主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of downhole hydraulic control decoder

2.3 解碼器解碼關(guān)閉原理

液控滑套調(diào)整完成后，需要對解碼器進(jìn)行關(guān)閉操作，防止由于管線壓力波動造成井下液控滑套的誤動作，其解碼關(guān)閉動作步驟為：(1)首先對液控管線2 泄壓，解碼器2 口壓力下降，閥芯7 和滑閥9 在復(fù)位彈簧10 的作用下，向左移動，移動到位后，閥控鎖球3 靠重力歸位，實現(xiàn)對中心閥芯鎖套的鎖定。(2)卸掉管線1 壓力，閥控鎖套4 在上端復(fù)位彈簧5 作用下，向左移動，完成鎖球的鎖定，防止鎖球動作造成的閥芯誤動作。(3)管線3 打壓2 MPa，輔助口壓力升高，可以推動閥芯6 歸位，保障解碼器關(guān)閉動作穩(wěn)定可靠。

2.4 主要技術(shù)參數(shù)及技術(shù)特點

井下液控解碼器利用3 條管線實現(xiàn)了井下6 個層位的控制，該工具的應(yīng)用減少了多層液壓控制智能完井中井下液控管線的數(shù)量，提升了工藝的適用性，從而提高了液控智能完井效率。對井下液控解碼器樣機(jī)進(jìn)行試制，其主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。其技術(shù)特點為：(1)通過液壓解碼技術(shù)，利用3 條液控管線實現(xiàn)了井下6 個層位液控滑套的分層控制和調(diào)節(jié)，減少了液控管線數(shù)量，提高了液控智能完井工藝適用性；(2)通過2 級壓力控制，實現(xiàn)解碼器的解鎖和關(guān)閉，保證層間互不干擾，保障工具解碼可靠性和穩(wěn)定性；(3)工具最大外徑為116 mm，滿足海上油田大部分?120.65 mm 管柱防砂完井需求，為工藝推廣奠定基礎(chǔ)。

3 井下液控解碼器實驗

利用解碼器功能實驗平臺進(jìn)行驗證，實驗平臺布置如圖5 所示。利用地面液壓控制站分別為3 條液控管線提供動力，在控制站和解碼器之間分別加入3 000 m 液控管線模擬井下液控管線摩阻情況，管線前后端分別加入壓力變送器監(jiān)測管線壓力［14］，3 條管線尾端接入解碼器，解碼器出口與液控滑套連接，進(jìn)行液控滑套的控制。

圖 5 解碼器功能實驗Fig. 5 Function experiment of decoder

3.1 功能驗證實驗

按照表1 中解碼器1 的管線連接順序，將解碼器和液控管線進(jìn)行連接。首先對第1 條液控管線施加5 MPa 先導(dǎo)壓力，壓力變送器2 壓力升高到5 MPa穩(wěn)定后，管線2 施加1 MPa 壓力，壓力變送器4 壓力緩慢升高，解碼器1 解碼功能實現(xiàn)，解碼器打開完成。此時解碼器h 口輸出高壓，g 口輸出低壓，從而滑套活塞向左移動，通過液控滑套內(nèi)長短軌道槽、復(fù)位彈簧共同作用，實現(xiàn)液控滑套上產(chǎn)液孔的開閉控制。調(diào)節(jié)完成后，管線2 泄壓，壓力變送器4 壓力為0 后，對管線1 泄壓，解碼器關(guān)閉，對管線3 打壓2 MPa，輔助解碼器進(jìn)行關(guān)閉，解碼器解碼關(guān)閉功能完成。通過解碼器功能實驗表明，解碼器打開、關(guān)閉功能正常，能夠通過預(yù)定的指令完成對井下滑套的控制。

3.2 互不干擾實驗

為驗證解碼器功能穩(wěn)定性，對其進(jìn)行互不干擾實驗，分別對3 條液控管線通入不同壓力序列的液壓油，驗證解碼器在不同壓力序列下打開及關(guān)閉情況，同時觀察液控滑套狀態(tài)，管線壓力實驗順序如表3 所示。實驗表明，單層解碼器在指定的壓力序列下會按照預(yù)定程序打開，在其余壓力序列下，均保持關(guān)閉狀態(tài)，液控滑套無動作。即在指定的管線接入順序下，解碼器只能在指定的壓力序列下打開，保證層間互不干擾。

表 3 3 條液控管線通入不同壓力序列實驗表Table 3 Experiment data of 3 hydraulic control pipelines with different pressure sequences

3.3 管線壓力響應(yīng)時間實驗

液控管線長度和直徑，對油壓傳遞時間有直接影響，對此進(jìn)行了室內(nèi)實驗。

室內(nèi)常溫20 ℃條件下，采用殼牌得力士22 號液壓油，液控管線直徑6.35 mm，長度為3 000 m，對液控管線首尾兩端的壓力變送器壓力進(jìn)行監(jiān)測。首先對管線1 通入5 MPa 液壓油，打開尾端管線開關(guān)瞬間，管線前端壓力有瞬間下降的過程，后逐步穩(wěn)定在5 MPa 左右，管線后端壓力緩慢上升，在240 s后，管線前后壓力基本保持一致。壓力穩(wěn)定后在地面液壓站處對管線前端進(jìn)行泄壓，管線前端壓力迅速降低為0，管線后端壓力緩慢下降，在470 s 左右基本降為0。壓力傳導(dǎo)響應(yīng)時間如圖6 所示。

圖 6 3 000 m 管線5 MPa 壓力響應(yīng)時間曲線Fig. 6 Response time of 3 000 m pipeline to the pressure of 5 MPa

實驗結(jié)果表明，在20 ℃條件下，采用殼牌得力士22 號液壓油，在3 000 m 長，直徑6.35 mm 液控管線中，5 MPa 液壓油傳導(dǎo)至末端時間約為240 s，泄壓時間約為230 s。該數(shù)據(jù)為井下液控滑套的控制提供了實驗基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

(1)研制的解碼器能夠?qū)Σ煌囊簤盒盘栠M(jìn)行解讀，根據(jù)不同的液壓信號進(jìn)行不同的響應(yīng)，并完成液壓控制液的引導(dǎo)和液壓信號對井下液控滑套的控制，實現(xiàn)了利用3 條液控管線進(jìn)行井下6 個層位的精細(xì)調(diào)節(jié)，滿足了分層精細(xì)化開采的需求。

(2)實驗表明單層解碼器在指定的壓力序列下會按照預(yù)定程序打開，在其余壓力序列下，均保持關(guān)閉狀態(tài)，液控滑套無動作，在指定的管線接入順序下，解碼器只能在指定的壓力序列下打開，保證層間互不干擾。

(3)在20 ℃條件下，采用殼牌得力士22 號液壓油，在長3 000 m、直徑6.35 mm 液控管線中，5 MPa液壓油傳導(dǎo)至末端時間約為240 s。該數(shù)據(jù)為井下液控滑套的控制提供了實驗基礎(chǔ)。