智能井多檔位液控閥結構優(yōu)化設計*

薛德棟 晁圣棋 王立蘋 張鳳輝 郭沛文 詹 敏 張 磊 柴希偉

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司 天津 300452)

智能完井技術是對不同油氣生產(chǎn)層段或分支井層段進行流量控制，從而實現(xiàn)調節(jié)油藏生產(chǎn)動態(tài)、實現(xiàn)油藏的實時控制與優(yōu)化開采的一種技術[1]，主要由地面控制設備、數(shù)據(jù)監(jiān)測傳輸系統(tǒng)及井下生產(chǎn)控制系統(tǒng)組成。控制閥是智能完井技術的核心工具[2-6]，通常采用液力或電力的方式控制開關、多位或無級等檔位和開度，其中，液力控制以其穩(wěn)定和長期工作安全性，占據(jù)了智能完井控制閥的主導地位[7-9]，該項技術長期以來也被外國公司所掌握。為了打破國外對液力控制閥技術的壟斷，筆者在研究多檔位液控閥的液壓控制方案及其結構的基礎上，分析液控閥流量壓差關系，并開展智能完井多檔位液控閥高溫高壓井況模擬試驗。本文研究可為液控閥后續(xù)優(yōu)化設計提供思路和方法。

1 液壓控制方案優(yōu)選

1.1 直接液力控制方案

直接液力控制方案是通過N條進液控制管線與1條共用回液管線，實現(xiàn)對N個液控閥的檔位調節(jié)控制[10-12]。通過液控管線1、2分別控制液控閥1、2，液控管線3為液控閥1與液控閥2共用的回液管線，從而實現(xiàn)3條液控管線控制2個液控閥(圖1)。但對于產(chǎn)層段數(shù)較多的目標井而言，需要下入多個液控閥，本方案多條液控管線同時下入，不僅會造成現(xiàn)場施工作業(yè)復雜，而且防砂段尺寸擁擠容易磕碰損傷管線，存在一定施工難度和管柱安全風險。因此該方案通常適用于分段數(shù)不大于3層的目標井。

圖1 直接液力控制閥原理示意圖

1.2 微型液力解碼器方案

微型液力解碼器方案是通過N條液控管線控制N個閥。本方案在液控管線1與液控閥1中間加入微型液壓解碼器(圖2)，通過液控管線1的高低壓力變化，就可實現(xiàn)對液控閥1的控制，液控閥2同理[10-12]。該方案對短程控制效果顯著，但對于幾千米井深的目標井，液控管線存在壓力損失和延遲現(xiàn)象，因此容易造成液控閥誤動作。

圖2 微型液力解碼器控制閥原理示意圖

1.3 數(shù)字液力解碼器方案

數(shù)字液力解碼器液控方案通過全液力編碼解碼器來控制液控閥的動作。每個液控閥均配有1個解碼器(圖3)，通過獨立的壓力順序識別碼實現(xiàn)對各個液控閥的檔位調節(jié)[10-12]。數(shù)字液力解碼器方案可通過3條液控管線控制6個液控閥，實現(xiàn)了有限空間內較少管線對多目標層位液控閥的有效控制，不僅降低了現(xiàn)場操作及安裝的復雜性和作業(yè)風險，而且實現(xiàn)了海上油田的智能開發(fā)，因而成為目前較為推崇的智能液控方式。

圖3 數(shù)字液力解碼器控制閥原理示意圖

2 多檔位液控閥結構優(yōu)化

多檔位液控閥由液壓系統(tǒng)、換檔控制機構、導向運行機構、限位機構、開度調控機構和密封系統(tǒng)組成，如圖4所示。其中，換檔控制機構決定了液控閥能否精確有效調節(jié)各檔位，密封系統(tǒng)決定液控閥能否長期有效的工作，因此需要對這2個核心機構進行優(yōu)化設計，以保證多檔位液控閥的可靠性。

圖4 多檔位液壓控制閥結構示意圖

2.1 換檔控制機構優(yōu)化

改進前的液控閥換檔控制機構為直線型設計(圖5)，在液力作用下，每個檔位的控制由鎖緊機構完成，由于這種鎖定結構在高液壓力作用下有擊穿的可能性，因而使檔位有效控制與鎖定存在一定的不確定性。

圖5 直線型換檔控制機構示意圖

優(yōu)化后的液控閥換檔控制機構為旋轉型設計(圖6)，導向槽的不等長設計實現(xiàn)了對液控閥的換檔，其長度需滿足液控閥的換檔行程S的要求(式(1))；導向圓柱在導向槽內的上下運動實現(xiàn)旋轉，當導向槽換向角α的正切值大于二者的摩擦系數(shù)μ時，導向圓柱即可順利換檔。

圖6 旋轉型換檔控制機構示意圖

(1)

ΔL=πd/n

(2)

式(1)、(2)中：S(α)為液控閥換檔行程，mm；α為液控閥換向角，(°)；h、hu、hd：分別為導向槽上下端部圓心的縱坐標差，mm；ΔL為單個導向槽寬度，mm；d為心軸直徑(根據(jù)目標井確定)，mm；n為換檔檔位數(shù)量。

由式(1)可知，液控閥換向角越小，則液控閥換檔行程越小。縮短行程須要導向圓柱在受到垂直方向力時能夠沿設計的軌道順暢滑動。取導向圓柱和導向槽的摩擦系數(shù)為鋼材摩擦系數(shù)μ=0.2，在不計重力的情況下，滑動導向圓柱能夠沿設計軌道順暢滑動的條件為tanα≥0.2(即α≥11.3°)，結合式(1)、(2)即可計算出液控閥換檔行程，從而得出導向槽長度。

2.2 密封系統(tǒng)選型

閥嘴封密的密封效果與井況、工況及密封結構有密切關系[13-15]，主要包括3種結構：①常規(guī)膠件密封結構，通過橡膠密封件與軸孔的過盈配合實現(xiàn)液壓密封，由于裝配過程中的剪切損傷及后期軸孔的往復運動磨損，因此存在長期井下應用老化、失去密封性能的風險；②金屬+膠件雙密封結構，屬于冗余雙密封結構，但由于結構密封裸露于液體中，存在磨損、沖蝕密封失效風險；③不祼T形密封結構(圖7)，其密封膠件兩側均有檔圈，提高了膠件的密封性能和防損壞性能，液控閥采用“T”型密封形式，結構采用不裸、冗余結構，密封擋圈采用金屬材料，在高溫差、高壓差等條件開關閥時，可降低井內液體對膠件的沖擊，保證了液壓控制閥長期工作的密封性能。因此，不祼T形密封結構的密封性能是最優(yōu)的。

圖7 T形密封結構示意圖

3 液控閥流量壓差關系分析

為保證油井的精細開采，需要通過多檔位液控閥實現(xiàn)對不同層段產(chǎn)液量的精細調控。為了達到精細調控的效果，對液控閥設置8個檔位：8檔為液控閥全關狀態(tài)，7檔為液控閥全開狀態(tài)，1～6檔為產(chǎn)液量的精細調節(jié)；每增加1檔位，則增加1個直徑為3 mm的過流孔；第7檔位額外增設了1個20 mm×16 mm的長方形過流孔道，以滿足大于800 m3/d的產(chǎn)液要求。通過軟件ANSYS Fluent模擬1～7檔位產(chǎn)液量與閥嘴壓差的關系，結果如圖8所示。

圖8 多檔位液控閥流量壓差圖

由圖8可知，液控閥在1～6檔位時，不同檔位產(chǎn)液量隨壓差的變化不大，可滿足小排量的精細調節(jié)控制產(chǎn)量；在7檔位時，相同壓差下產(chǎn)液量較1～6檔位增大明顯。即液控閥在滿足小排量精細調控的同時，也能夠滿足大排量開發(fā)的需求。8個檔位流量壓差均可近似擬合為平方根函數(shù)曲線關系，表達為

(3)

式(3)中：Q為液控閥流量，m3/d；p為油嘴前后壓力損失，MPa。

4 高溫高壓井況模擬試驗

智能井多檔位液控閥高溫高壓井況模擬試驗的目的，是檢驗工具在高溫高壓井況下的各項等性能，以確保工具性能可靠。

1)液控閥功能性試驗。試驗溫度125 ℃，環(huán)境壓力15 MPa。試驗結果表明，在液壓作用下，液控閥的上腔和下腔壓力均呈規(guī)律性周期變化：上下腔壓力在導向運行機構開始換檔過程中存在微小壓力波動，換檔壓力約為5 MPa。

2)液控閥整機密封性能試驗。試驗溫度125 ℃，液控閥中心管打壓35 MPa、穩(wěn)壓20 min。試驗結果表明，液控閥中心壓力在試驗全過程中保持不變，驗證了液控閥嘴“T”型密封及整體密封的性能良好。

3)液控閥承壓差開啟性能試驗。試驗溫度125 ℃，閥內外壓力差10 MPa。試驗結果表明，多檔位液控閥具有平穩(wěn)導向、換檔、限位、開度調控的功能。

5 結論

1)對于多檔位液控閥的換檔控制機構，其旋轉可通過導向圓柱在導向槽內的上下運動實現(xiàn)，換檔可通過導向槽換向角的正切值大于二者的摩擦系數(shù)計算獲得。

2)多檔位液控閥8個檔位的排量均隨壓差的增大而增加，檔位設置既可滿足對小排量的精細調控，也能滿足800 m3/d的大排量開發(fā)需求。