海上油田電控液驅分層注采系統研究*

薛德棟 楊萬有 張鳳輝 鄒信波 熊書權 張璽亮

(1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 2.中海石油(中國)有限公司深圳分公司)

0 引 言

海上油田開發以大斜度井、水平井為主，開發井層數多，層間壓力差異大，層間矛盾突出。面對增儲上產要求，分層開發開采成為高效開發、提高采收率的必要手段。目前,海上油田分層開發主要采用鋼絲電纜作業開關滑套方式，受制于井斜，該工藝適用性受限。渤海油田在全電控分層開發方面做了初步嘗試，但這種開發方式在實際應用中出現了在高溫井下可靠性不足的問題[1-2]。井下液壓控制滑套分層開發方式具有耐高溫、扭矩大等特點，在國外得到了廣泛應用[3-4]。純液壓控制方式的解碼方式比較復雜，解碼效率低，同時由于液壓油傳遞時間較長，造成調控時間長，調控靈活度不高等問題[5]，以3 000 m液控管線為例，15 MPa壓力傳輸到3 000 m井下響應時間約為300 s[6]，管線壓力傳遞時間較長，井下液控閥無法實現快速調整。同時純液壓控制分層開發方式缺少有效的測試手段，尤其針對分層注水井，無法實現井下溫度和壓力等關鍵參數的測試，不能為油藏開發提供數據支持。

為保障精細分層開采工藝可靠性及實現井下參數的測試，根據電控設備快速、集成化及液壓設備穩定性好、扭矩大的特點，開發了一種電控液驅分層注采控制系統，實現了井下分層控制滑套快速、穩定的動作及井下關鍵參數的實時監測，從而有效提高分層開發效率，并最終提高油田采收率。

1 電控液驅分層注采控制系統

1.1 系統組成

電控液驅分層注采控制系統主要構成如圖1所示。以6層生產井為例，在完井過程中每個生產層段分別下入一套電控解碼裝置及液控滑套，同時下入1條控制電纜及2條液壓控制管線串聯井下關鍵工具。利用過管線插入密封等工具實現了層間隔離。

1—控制電纜；2—安全閥；3—生產封隔器；4—電控解碼監測器1；5—液控滑套1；6—電控解碼監測器2；7—液控滑套2；8—電控解碼監測器3；9—液控滑套3；10—電控解碼監測器4；11—液控滑套4；12—電控解碼監測器5；13—液控滑套5；14—電控解碼監測器6；15—液控滑套6；16—定位密封；17—動力電纜；18—液控管線；19—罐裝泵系統；20—油管掛。圖1 電控液驅分層注采控制系統Fig.1 Layered injection-production string with electronic control and hydraulic drive

1.2 工作原理

正常工作時，井下6個層位的電控解碼裝置分時工作，實現井下關鍵參數的測試。當某個層位發生水竄，需要對該層位滑套進行調整以實現堵水。地面電信號指令通過控制電纜傳輸至對應層位電控解碼裝置內，引導內部電磁閥動作，實現油路引導，此時兩條液控管線分別對應該層位滑套的進、出油端，通過對液控管線的加壓，實現該層位滑套的調整，從而達到精細化控水的效果。調節完成后，電信號控制電磁閥歸位，實現液路系統的鎖定，完整執行了整體調節功能。

1.3 技術參數及優點

電控液驅分層注采控制系統通過1條控制電纜，2條液壓控制管線，實現了井下大于6個層位的精細控制，整體耐溫可達150 ℃，耐壓35 MPa。該工藝集成了井下電氣控制和液壓控制智能完井的優點，具有調節速度快、可靠性高、驅動力大等特點，實現了井下多個層位的快速調整和測試。

2 電控解碼監測裝置

電控解碼監測裝置主要用于井下液壓通道的解碼及井下參數的監測。在使用時與液控滑套配合下入，電控解碼監測裝置原理如圖2所示。該裝置主要由電控解碼裝置及電控監測裝置兩部分組成。電控解碼裝置通過地面指令控制井下微型高溫電磁閥，從而實現液壓通道的導通和關閉，以及井下液控滑套的控制。電控監測裝置主要由傳感器系統、井下電源及控制電路等組成，用于井下油管內、外壓力及地層溫度的參數監測與數據傳輸，以及高溫電磁閥的開關控制，實現對電磁閥的控制及井下參數的實時監測。

1—上接頭；2—電氣接頭；3—井下電源供電模塊；4—信號處理電路板；5—內壓傳感器；6—外壓傳感器；7—溫度傳感器；8—下接頭；9—液路解碼模塊；10—液控管線接頭。圖2 電控解碼監測裝置原理圖Fig.2 Principle of the electronic control decoding & monitoring device

2.1 電控解碼裝置設計

電控解碼裝置是電控解碼監測裝置的核心部件，用于井下液壓控制信號的通斷與引導，電控解碼裝置原理如圖3所示。其解碼核心部件為1個兩位三通電磁閥，兩位三通電磁閥的2個輸入端分別接入2條液控管線，兩位三通電磁閥的輸出端接液控滑套的回油端。液控滑套的進油端接液控管線2。

兩位三通電磁閥常位處于左位狀態(圖3中地層1)，此時液控管線1輸出端處于關閉狀態，液控管線2與液控滑套的進油端及通過兩位三通電磁閥和液控滑套的回油端導通，液控滑套兩端處于壓力平衡狀態，且液控管線壓力不會導致液控滑套動作。

圖3 電控解碼裝置原理圖Fig.3 Principle of the electronic control decoding system

當特定層位(圖3中地層2)需要調整時，通過控制電纜對第2層兩位兩通閥進行通電，電磁閥動作到右位，從圖3中電控解碼裝置2可見導通情況，液控管線1通過兩位三通電磁閥與液控滑套回油端導通，液控管線2直接與液控滑套進油端導通，為此，2條液控管線與液控滑套的進、出油腔連通，實現了對液控滑套的動作控制。

電控解碼裝置通過電信號，實現液壓通道的選擇，與純液控解碼器相比，具有結構簡單、響應時間短等特點。其中響應時間由純液控的5 min減至毫秒級。同時解碼器解鎖不受管線壓力影響，在解碼前管線內部憋壓，打開瞬間高壓油液即可進入滑套內部，推動滑套動作，從而縮短滑套動作響應時間，整體層位調整時間由液控的20 min縮短至1 min之內。

2.2 電氣監測控制原理設計

電氣監測控制部分(見圖4)作為解碼監測裝置的控制核心，主要由單片機測控系統、數據監測模塊及數據傳輸模塊等組成。監測裝置安裝有管柱內、外壓力傳感器與溫度傳感器，可以實時監測井下管柱內、外壓力及溫度等數據，并傳輸給單片機測控系統，單片機測控系統通過I/O口，經過數據傳輸模塊的信號處理與傳輸，實現與地面控制終端的實時傳輸。井下實時數據為地面決策提供參考并根據計算得到井下最佳開發狀態，通過數據傳輸系統與液壓控制系統實現井下滑套的動作控制，達到最優開發狀態。監測裝置與控制裝置實現了油藏開發的閉環管理控制，保障油田開發處于最佳狀態，提高了最終采收率。

圖4 電控監測裝置原理圖Fig.4 Principle of the electronic control monitoring system

2.3 主要技術參數

電控解碼監測裝置利用2條液控管線和1條鋼管電纜，實現了井下多個層位(大于6層)的控制，同時實現了井下關鍵參數的實時監測。與液壓控制方式相比，該裝置提高了調節效率，同時井下實時參數的監測能夠對油藏開發決策提供參考。

裝置主要技術參數為：外徑114 mm，內部過流通道44 mm，電磁閥響應時間<100 ms，電磁閥耐壓35 MPa，溫度監測范圍0～120 ℃，壓力監測范圍0～60 MPa。

2.4 技術特點

(1)通過電液復合解碼技術實現了井下快速、高效的解碼。提高了調控效率，縮短了調控時間，調控時間由20 min縮短至1 min內。

(2)電控監測裝置實現了井下數據的實時監測，與液壓控制系統組成閉環系統，可達到最佳開發狀態。

(3)相關工具最大外徑為114 mm，滿足海上油田大部分外徑120.65 mm(4.75 in)防砂完井需求，為工藝推廣奠定了基礎。

3 液壓驅動多級滑套結構設計

液壓驅動多級滑套是分層注采系統井下產層控制的核心部件[7-15]。在每一段產層分別下入1套液控滑套，通過液壓控制，推動中心管移動，從而實現進液孔大小的調整。這對于平衡層間壓差、穩油控水以及實現精細化開采等具有重要意義。

3.1 結構

液壓驅動多級滑套結構如圖5所示，主要由上接頭、中心管、活塞、導向定位槽、導向銷釘、油嘴、下接頭及液壓通道等組成?；钊c中心管連接固定，中心管設置有開孔油嘴，兩條液壓通道與電控解碼裝置連接如圖3所示。動作時，液壓油通過液壓通道1進入液壓腔，推動活塞帶動中心管向上移動，導向定位槽在沿導向銷釘運動，中心管發生旋轉，從而實現換向。上提到位后，液壓通道2加壓，推動活塞向下移動，導向定位槽與導向銷釘配合，實現中心管的定位。中心管在軸向上下移動一次，實現一次整體換擋工作。

1—上接頭；2—活塞；3—導向銷釘；4—下接頭；5—中心管油嘴；6—中心筒；7—導向定位槽；8—中心管。圖5 液壓驅動多級滑套結構設計Fig.5 Structural design of multi-stage hydraulic drive sleeve

3.2 技術特點

(1)工具無彈簧結構，中心管動作靠液壓驅動完成，動作可靠；

(2)導向槽與定位槽集成一體化，結構簡單，換向可靠；

(3)采用旋轉換擋設計，最大可以達到8開度調節；

(4)選用特殊動密封結構，油嘴動密封次數可達1 000次。

3.3 主要技術參數

長度1 410 mm，外徑102 mm，內部過流通道直徑44 mm，中心管推動壓力1.5 MPa，工作壓力60 MPa，工作溫度120 ℃。

4 電控液驅分層注采現場選井設計

以南海西部潿洲12-1油田XX井為例，該井最大井深3 960 m，最大井斜65.6°，井下需要進行6層分注，整井注入量600 m3/d，儲層溫度最高122 ℃。由于井斜及高溫限制，無法實施常規測調及全電控測調工藝,所以對該井實施電控液驅分層注采工藝，每個層位分別下入一套電控解碼裝置及液控滑套，實現井下注入量的精細調節。根據地層壓力數據及地層吸水指數，利用專用計算軟件對井下液控閥擋位開度及注入量進行計算，計算數據如表1所示。利用電控液驅分層注入技術，配注量最大誤差為5%，滿足井下精細注入要求。

表1 分層配注量與注入量計算Table 1 Calculations of layered injection allocations andinjection volumes

5 結 論

(1)電控液驅分層注采控制系統結合了電氣與液壓控制的優點，利用1條控制電纜，2條液壓控制管線，實現了井下大于6層注采層位快速、可靠的控制及參數監測，滿足了精細化分層開發的作業需求。

(2)電控解碼監測裝置利用高溫井下電磁閥，實現了井下油路的快速選擇與引導，提高了調控效率，解碼響應時間由純液控時的5 min縮短至毫秒級，單層液控滑套的調整時間由20 min縮短至1 min以內。

(3)配合設計的液壓驅動多級滑套，采用旋轉換擋形式，結構簡單可靠，可以實現8個開度的精細調節，為井下精細化開發提供了技術保障。通過選井設計及計算，配注量最大誤差為5%，滿足井下精細注入需求。