直接液力式智能完井超長距離液壓傳遞特性研究*

張 亮 劉景超 楊建義 盛磊祥 李瑞豐

(1. 中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津 300452； 2. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

智能完井技術可以采集井下溫度、壓力等參數，通過地面控制系統對目標層位流量控制閥開度閉環控制，實現監測油層生產動態及油藏優化智能開采的目的。智能完井技術涉及地面控制、井下測量、可調開度的井下流量控制閥等技術，由于系統能夠對多層和多分支井進行分層地面遙測遙控，因此對油層生產數據的測量更精確，油井管理也更為科學[1]。

目前，智能完井主要采用液壓驅動的井下流量控制系統[2]，而直接液力式智能完井因其系統簡單、可靠性高和成本較低的優點，成為智能完井液壓驅動井下流量的主要控制方式[3]。直接液力驅動智能完井是通過液控管線將液力直接作用在流量控制閥上，從而直接推動液壓缸活塞。由于井下流量控制閥位置較深且未安裝位置傳感器，需要通過對進油、回油管線中的流量和流速監測實現井下流量控制閥的定位，所以直接液力式智能完井系統需要解決超長距離液壓傳遞沿程壓力損失、溫度對液壓油運動黏度的影響及井下流量控制閥精準定位等問題。

本文以達西公式和液阻、液感和液容等效理論為基礎，研究長距離液壓傳遞的特性，探討等效平均流量及控制閥動作響應時間，為智能完井井下流量控制閥精準定位提供支持。

1 直接液力式智能完井液壓傳遞的主要技術難題

流體在傳輸過程中是層流和紊流2種混合狀態，其傳輸特性受環境溫度、系統壓力及管道形狀、類型的影響較大。流體本身具有黏性，流體和管壁之間的碰撞或摩擦會對流體自身的流動產生阻力，克服這種阻力主要表現為壓力損失。因而，直接液力式智能完井液壓傳遞需要解決以下3個技術難題。

1) 井下流量控制閥的定位通過流量和流速進行判定，流量控制閥執行器的容積較小，管線受到壓力作用也會發生容積變化，因次，容積變化如何對系統產生影響是第1個技術難題。

2) 流量控制閥入井位置一般大于1 000 m，如何解決長距離液壓傳輸沿程壓力損失和作業時效是第2個難題。

3) 隨著井深的增加，液壓油的運動黏度受溫度影響很大，井溫變化如何對液壓傳遞產生影響是第3個難題。

2 液壓傳遞特性理論分析

2.1 長距離傳遞沿程壓力損失

通常情況下液控管線的內徑較小，在進油過程中由于其流量較小,因而可認為液壓油在液控管線中的流動近似層流。對于非等溫不銹鋼液控管線層流，其液壓油的管路沿程阻力系數λ可表示為

(1)

式(1)中：λ為管路沿程阻力系數，無量綱；ρ為液壓油的密度，kg/m3；v為液體的平均流速，m/s；d為液控管線內徑，m；μ為液壓油動力黏度，Pa·s；ν為運動黏度，mm2/s。

液壓油在管線中流動的壓力損失Δp可由達西公式表達為[4]

(2)

式(2)中：l為液控管線長度，m。

由式(2)可以看出，沿程壓力損失和液壓油運動黏度、密度及液控管線類型及流體運動速度有關。當壓力損失Δp為定值時，如果液控管線所處的環境溫度相同，則液壓油的運動黏度相同，液壓油的流速可表達為

(3)

2.2 井溫對液壓傳遞的影響

直井的井溫t與垂深h的近似線性關系可表達為

(4)

式(4)中：t為井溫，℃；h為垂深，m；C0為地溫梯度,℃/100 m；t0為地表氣溫,℃。

液壓油運動黏度與溫度之間的關系復雜，當液壓油溫度為30～150 ℃、40 ℃運動黏度小于135 mm2/s時，不同溫度液壓油的運動黏度可表達為[5]

(5)

式(5)中：ν40為液壓油40 ℃的運動黏度，mm2/s；n為指數，其大小隨液壓油40 ℃運動黏度而改變。

2.3 液壓傳遞的特性函數

綜合式(1)～(5)，以井的垂深為自變量，可以得到瞬時流量的連續函數為

(6)

式(6)中：Q為瞬時流量，L/min；k為定向井計算校正系數。

根據等效理論，式(6)對于確定的管線壓力、液壓油型號、管線類型和長度，瞬時流量只與井深相關。由于瞬時流量與井深的函數是連續的，利用定積分中值定理可計算等效平均流量為

(7)

式(7)中：Q′為等效平均流量,L/min；H為井深，m。

2.4 液容等效理論分析

流體在管道中的流動情況與電流在電路中的流動情況極為相似，因此流體管道系統可以用等效電路來代替，并按電路的計算法則求解其動態特性[6]。液控管線液容的產生原理是流體的可壓縮性及管道產生了變形，對于某一種流體或管道材料而言，表現為固有的彈性模量。在液壓系統中，液壓油受壓時被壓縮的體積越大，則液容值也越大[7]。圓形液控管線的液容C為[8]

(8)

式(8)中：C為圓形液控管線的液容，m4·s2/kg；Ep和Ef分別為液控管線和流體的彈性模量，MPa。

根據式(8)可得到液控管線的液容，井下流量控制閥每級開度總體積即為流量控制閥液壓缸體積與液控管線液容之和。

2.5 液壓傳遞時間特性

對于確定的液控管線類型、長度及驅動壓力，通過井下流量控制閥每級開度總體積和等效平均流量，就可計算得到每級開度的動作時間：

(9)

式(9)中：V為液控管線液容與流量控制閥液壓缸的總體積，L；T為流量控制閥動作時間，min。

3 智能完井系統液壓傳遞特性的試驗井分析和驗證

3.1 試驗井智能完井生產管柱

陸地試驗井(簡稱陸試井)為鉆采試驗基地JJSY-1的直井，流量控制閥下入井深850 m處。試驗時用泥漿泵建立水循環模擬系統，液控管線所處的環境溫度相同。海上試驗井(簡稱海試井)為恩平18-1油田的定向井，完井井深2 120 m，流量控制閥液控管線長度1 300 m，溫度梯度4.18 ℃/100 m。陸試井和海試井智能完井生產管柱圖如圖1所示。

圖1 陸試井和海試井智能完井生產管柱圖Fig .1 Well completion string diagram for onshore test well and offshore test well

3.2 瞬時流量與井深關系曲線

在試驗時，陸試井和海試井的地面控制器輸出壓力均為35 MPa。陸試井流量控制閥的液控管線溫度與水溫一致，為11 ℃，通過液壓油黏溫曲線可得其運動黏度為155 mm2/s。通過式(3)得到其等效平均流量為0.030 7 L/min。海試井由于井溫上升較快，其液壓油運動黏度的變化導致流體傳輸瞬時速度的改變。通過式(7)得到其等效平均流量為0.107 2 L/min。陸試井和海試井瞬時流量與井深曲線如圖2所示。

圖2 陸試井和海試井瞬時流量與井深曲線Fig .2 Relationship between instantaneous flow and well depth for onshore test well and offshore test well

圖2表明，在同一井深條件下，海試井的液控管線瞬時流量較大。這一現象是由于海試井所在海域的地表氣溫和地溫梯度比陸上試驗井高而產生的。

對于定向海試井，影響液壓傳遞的主要因素在于井斜階段，因而在計算整段管線流動時，應對井斜段進行修正。在地面控制器中，高壓流量計和低壓流量計分別監測液控管線中的進油和回油流速。由于回油流速是基本不變，所以井下流量控制閥的運動可看作勻速運動，其動作時間可采用等效平均流量計算。

3.3 流量控制閥動作時間分析

對于海試井和試驗井，其井下流量控制閥的控制響應時間、流量控制閥定位與理論計算基本一致(表1)，證明了井下流量控制閥的定位可以通過監測油量和流量實現，同時也證明了通過等效平均流量理論計算井下流量控制閥動作時間，可以作為井下流量控制閥精準定位的輔助判定條件。

表1 流量控制閥動作理論計算時間和試驗時間對比Table 1 Interval control valve action time comparison between calculation and test

3.4 智能完井系統的智能控制驗證

3.4.1陸試井現場測試

2019年3月，智能完井系統在東沽陸試井進行了現場測試，通過試驗井13-3/8″套管、9-5/8″套管及液控智能完井管柱形成的2層環空模擬2個儲層段，開泵循環排量為0.8 m3/min，泥漿泵效率為0.8。通過循環系統壓耗計算，發現開泵循環壓力的理論值與實測值基本一致(圖3)，驗證了陸試井地面控制器對流量控制閥的定位和精準控制。

圖3 陸試井開泵循環壓力理論計算與實測對比Fig .3 pump operation cycle pressure comparison between theoretical calculation and well test of onshore test well

3.4.2海試井現場測試

2019年6月，智能完井系統在恩平18-1油田某井開展海試。測試時關閉井口采油通道，對智能流量控制閥進行全關、一級、二級、三級等不同開度的調節測試，電潛泵出口與進口的壓力差即可反映井下流量控制閥的執行動作，測試結果見圖4。可以看出，隨著流量控制閥開度的增大，電潛泵出口與進口的壓力差逐漸減少，再次關閉后恢復初始壓差值。也就是說對于海試井,地面控制器能夠驅動中下流量控制閥執行相應的動作指令，完成對流量控制閥的定位和精準控制。

圖4 海試井實測流量控制閥開度狀態與電潛泵壓力差對應關系Fig .4 Relationship between ICV opening conditions and submersible pump pressure difference

4 結論

1) 直接液力式智能完井通過超長液控管線對較小容積活塞缸的驅動，以油量和流量作為判定條件實現了對井下流量控制閥精準判定。

2) 以達西公式和液阻、液感和液容等效理論為基礎，通過計算等效平均流量，進而計算出井下流量控制閥液壓缸動作時間的方法可以作為流量控制閥精準定位的輔助條件。

3) 等效平均流量方法進一步提高了對井下流量控制閥精準判定水平，為實現井下流量控制閥實時監測、動態調節全自動化控制奠定基礎。