水平井壓裂裝置智能趾端滑套設計

王 斌，郭巖寶，田曉雨，劉 奔，魏 遼，王德國

(1. 中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249；2. 中國石油化工股份有限公司 石油工程技術研究院，北京 102206；3. 頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點試驗室，北京 100083)

水力壓裂技術是通過高壓水力作業，使油氣層形成裂縫，提高油氣產量的方法[1-3]。近年來，加大了煤層氣、頁巖油氣和天然氣水合物等非常規油氣資源的開采力度，但是技術難度大，分段壓裂技術逐漸成為解決煤層氣、頁巖油氣開采難題的有效方法。其中，泵送橋塞分段壓裂法由于其獨特的優勢，在壓裂工程上被廣泛使用[4]。該方法首先在水平井趾端首段完成射孔、套筒內加沙壓裂，然后完成剩余層段的壓裂[5-7]。

根據實際工況的要求，在首段壓裂結束后，井筒與地層之間會形成流體通道，要想使整個壓裂作業順利進行，必須在該通道打開之前完成壓力完整性測試[8]。由于常規的趾端滑套會隨著壓力的作用而開啟，不能滿足壓力完整性測試的要求。因此，需要研發一種能保證在壓力完整性測試之后開啟的智能電控趾端滑套。目前，哈里伯頓等公司都相繼推出了多種規格的電動壓裂滑套[9-16]。國內對該技術的研究正處于試驗階段。

筆者針對常規趾端滑套無法在壓力完整性測試之后開啟的問題，創新設計了一種智能電控趾端滑套。該滑套能利用壓力傳感器技術，在水平井多級壓裂的壓力完整性測試階段對壓裂管道內的壓力進行實時監測，并能根據壓力變化自主控制滑套延時開啟。同時，可通過與上位機聯合控制，實現對該滑套的遠程監控，彌補常規趾端滑套的缺陷，還能準確控制滑套的開啟時間，對提高壓裂裝置的穩定性，以及油氣藏的高效開發具有重要意義。

1 智能電控滑套結構

1.1 智能電控滑套工作原理

圖1 智能電控趾端滑套的結構示意

1.2 鎖定系統

由于鎖定系統需要提供較大的力來平衡壓裂液處的液壓力，這對電磁鐵的選型將造成一定的影響，故將鎖定系統設計成二級壓力轉換裝置，如圖2所示。通過二級轉換，降低電磁鐵為推桿提供的平衡壓力，節省耗電量。

圖2 二級壓力轉換裝置示意

設定壓裂液處需要平衡的液壓力p1=120 MPa，d1=6 mm，d2=18 mm，d3=6 mm，d4=6 mm。根據帕斯卡定律，將該液壓力進行一級轉換：

p1·S1=p2·S2

(1)

式中：p1為推桿1左端壓裂液的壓力；S1為推桿1與左端壓裂液的接觸面積；p2為推桿2左端壓裂液的壓力；S2為推桿2與左端壓裂液的接觸面積。

由式(1)得：

(2)

同理，進行二級壓力轉換求得：

(3)

式中：p3為推桿3左端壓裂液的壓力。

這是電流可以通過的金屬線。有電流通過的時候，手碰上它就糟了。所以要在金屬線外面包一層橡膠皮。因為橡膠不導電。”

因此，推桿2對傳感器的推力F2由式(4)～(5)得

F2=p2·S2

(4)

(5)

式中：F2為推桿2對傳感器所施加的推力。

同理，由式(4)得推桿3處的推力F3為：

(6)

式中：F3為推桿3對傳感器所施加的推力。

故電磁鐵采用常開的形式，永磁體和電磁鐵僅需要提供41.82 N的合力即可。為了提高鎖定系統的安全系數，同時保證電磁鐵提供安全范圍的力，綜合考慮，本文永磁體和電磁鐵提供的力按照3∶1設計是合理的，即，永磁體分壓90 MPa，電磁鐵分壓30 MPa。故，永磁體提供的推力F′為：

(7)

式中：F′為永磁體抵抗推桿3的推力所提供的抵抗力。

電磁鐵提供的推力F″為：

(8)

式中：F″為電磁體抵抗推桿3的推力所提供的抵抗力。

1.3 鎖定系統穩定性

由于受到p1的作用，鎖定系統中最薄弱的環節出現在推桿1處。該處破壞將影響鎖定系統的打開，進而影響趾端滑套的開啟。為了驗證在壓力完整性測試狀態下推桿1是否在壓力作用下發生膨脹變形，從而影響鎖定系統打開，本文通過ANSYS仿真軟件對該處的應力、應變和形變進行分析。由圖3a所示，推桿1處徑向截面處的應力差值較小，說明p1對徑向截面的影響較?。挥蓤D3b知，推桿1處的軸向應變較小，說明鎖定系統可較長時間保持平衡；由圖3c知，推桿1處的軸向應變較小，應力集中在受力面。

a 徑向面應力云圖

綜合以上計算和仿真分析結果，證明鎖定系統的設計較為合理，可以保證滑套在壓力完整性測試結束后安全、準確地打開，為后續井段的壓裂作業提供安全保證，也為水平井多級壓裂系統的安全、高效運行創造了條件。

2 電控趾端滑套控制系統

智能電控趾端滑套的控制系統主要由HKM-189-375型壓力傳感器、PIC18F4680型單片機系統、時鐘延時模塊、鎖定系統和上位機組成。上位機安裝了通過Python和OpenGL軟件自主開發的可視化界面軟件。單片機系統通過無線網絡與上位機遠程連接，可實時監控滑套的位移、速度、加速度和管內壓力，具有實時監控滑套的功能(如圖4所示)。

圖4 控制系統原理框圖

2.1 控制板設計

根據功能要求，創新設計了智能電控趾端滑套的控制電路，如圖5所示。單片機系統的RD0口連接電磁鐵線路，電磁鐵(電磁鐵型號選擇ELE-P25/20)單獨由BAT2口提供+5 V的電壓，可提供80 N的吸力。RA0口連接運放電路(運放模塊型號選用OPA330AIDBVR)，該電路通過SSR引腳口與壓力傳感器連接；TPS76901-HT為穩壓模塊，保障輸出電壓的穩定性。

圖5 智能電控趾端滑套的控制電路

考慮到趾端滑套受工作環境和工作空間的限制，通過Altium Design軟件設計了體積小、耐高溫的PCB板，如圖6所示。PCB板的材料采用覆銅箔環氧玻纖布層壓板，可耐150 ℃的高溫，具有良好的耐熱性能和力學性能，可以保證其在井下穩定工作。PCB板的尺寸設計為64.6 mm×25.4 mm×20.0 mm,保證其能在空間較小的環境中運行,如圖7所示。

圖6 PCB原理設計

圖7 PCB板加工實物

2.2 低功耗控制系統

由于智能電控趾端滑套在壓裂作業中要獨立自主地完成所需工作，考慮到控制系統的功耗問題，創新設計了具有省電模式的控制程序，如圖8所示。當電滑套啟動后，系統開始檢測電量，如果電量過低，為了不影響剩余井段的壓裂作業，控制系統會直接跳出延時程序并開啟滑套，確?；啄苷ｉ_啟。當電量可以滿足控制系統運行，此時給傳感器供電，并實時監測判斷推桿2處壓力是否為壓力完整性測試時的壓力范圍。如果該處無壓力信號,系統會進一步判斷無信號時間，若長時間(此處設置為45 min)無壓力信號，控制系統會進入省電模式，此時系統為了減少功耗，會控制所有元器件進入休眠狀態；若無信號時間較短，系統會復位重新運行。

圖8 智能電控滑套省電控制軟件流程圖

如果檢測到該處壓力信號屬于壓力完整性測試時的信號范圍時，單片機控制電磁鐵上電，同時控制延時模塊開始延時，壓力傳感器置0(此時已經檢測到壓力完整性測試階段壓力信號，壓力傳感器后續不再需要，為了降低功耗將其置0)。當延時45 min后，系統控制電磁鐵斷電解鎖，壓裂液被釋放，此時滑套移動并進入下個井段，進行壓裂作業。

2.3 功耗測試

為了證明本文設計的控制系統具有良好的省電特性，采用UNI-T高精度可編程直流電子負載儀測量其耗電量。考慮到測試整個控制系統耗電量的復雜性，選擇將單片機系統和鎖定系統單獨測量，2個系統各測量20組，每組重復測試3次3并取平均值，每組測試時間設計為45 min。

由圖9可得，單片機系統的平均耗電量為3.18 A·h，每組測試的耗電量差距較?。挥蓤D10可得電磁鐵的平均耗電量為0.16 A·h，耗電量較少。

圖9 單片機系統耗電量

圖10 電磁鐵耗電量

綜合單片機系統和電磁鐵的耗電量可得整個控制系統的平均耗電量約為3.34 A·h，因此選用4 A·h的供電電池即可滿足設計要求。

3 模擬試驗

為了驗證該智能電控趾端滑套控制系統的可行性，考慮到該裝置目前在試驗階段，因此通過模擬試驗來驗證該控制系統的可行性。模擬試驗采用本文設計的控制系統和stm32模擬開發板聯合完成，通過控制stm32模擬開發板上的滑動變阻器阻值大小來模擬壓裂過程中的壓力大小，通過指示燈的亮滅模擬電磁鐵的通電和斷電。該模擬試驗的電路設計如圖11所示，OPA314DBV為運放電路，其作用是控制滑動變阻器運行；滑動變阻器與PIC18F4680型單片機的RA0引腳連接；D2小燈電路模擬電磁鐵的通電和斷電，該電路由2N1711三極管驅動。

圖11 智能電控滑套模擬試驗電路圖

智能電控趾端滑套模擬試驗系統如圖12所示，LED小燈電路、滑動變阻器電路、電磁鐵電路全部由stm32模擬開發板提供。本文通過檢測階段(如圖12a)模擬壓力完整性測試階段，通過轉動滑動變阻器調節阻值大小模擬壓力完整性測試壓力，電源指示燈點亮證明電源電量充足；當檢測到壓力完整性測試的模擬電壓信號時，D2小燈點亮、電磁鐵通電并進入延時階段(如圖12b)，開始延時，該試驗設置的延時時間設置為45 min。

a 檢測階段

為了驗證實際條件下電磁鐵通電是否能滿足所提供的力，本文通過試驗測試電磁鐵通電時所提供力的大小。為測試電磁鐵的力，將電磁鐵固定在墻體上(如圖12c)，當電磁鐵通電時，采用端部為磁性材料的測力計來測量力大小。為了驗證電磁鐵所提供力的穩定性，共進行20組試驗，每組試驗重復3次，取平均值。

測試電磁鐵提供力的結果如圖13所示，每組試驗的誤差較小，而且每組試驗測得的電磁鐵力較平均，電磁鐵提供的平均力為11.1 N。由此可得，該智能電控趾端滑套能夠在壓力完整性測試階段提供足夠大的力來維持鎖定系統平衡，為后續井段的壓裂作業提供較好條件。

圖13 電磁鐵力測試結果

4 結論

1) 對智能趾端滑套的鎖定系統進行數值計算和ANSYS有限元分析，證明其具有較高的可行性；通過仿真模擬試驗，進一步證明了該系統具有良好的穩定性；通過功耗測試驗證了該系統所需的功耗較低，保證了壓裂過程的順利進行。

2) 利用單片機技術使該滑套實現了在延時結束后能夠精確、有效地開啟，避免了由于高壓環境對滑套結構壽命的影響；除此之外，具有省電模式的控制系統和較小尺寸的硬件設計，保證了該滑套在實際工況中具有較高的可行性。

3) 該工具在下井前的功耗控制，以及在下井后如何觸發滑套的電源開啟方式等方面還需要進一步研究。

4) 該設計對提高滑套的使用壽命和安全性具有重要意義，對今后在實踐工程上的應用也體現出較高的可行性，而且將有效提高滑套開啟的準確性，對趾端滑套未來的發展方向起到了指導性作用。

5) 為了進一步完善和優化該設計，下一步將從遠程監控滑套狀態和功耗兩個方面做進一步研究，從而提高該設計在實際工程應用上的優越性。