無線射頻控制分層測試技術(shù)

徐月強(qiáng)，楊鐵峰，梁躍東，任廣慶，馬占研

1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院（黑龍江大慶 163853）

2.大慶油田油氣井工程質(zhì)量監(jiān)督站（黑龍江大慶 163853）

許多油藏呈層狀分布，不同地層的巖層狀況、產(chǎn)液性能等參數(shù)均存在較大差異，給試油試采工作帶來很大的難度。分層測試可以解釋分層參數(shù)。經(jīng)歷了封層上返、逐層測試的發(fā)展，這一方法仍存在需要多次起下管柱、施工周期長、試油成本高，且易對儲層造成污染等問題，因此連續(xù)分層測試成為新的發(fā)展方向。江漢油田研制了一種井下分采分測的智能開關(guān)器，這種智能開關(guān)器下一趟管柱便能夠?qū)露鄬咏Y(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，為評價(jià)油田挖掘潛力提供了依據(jù)[1]。勝利油田又將毛細(xì)鋼管測壓技術(shù)與井下智能開關(guān)技術(shù)相結(jié)合，通過凡爾時(shí)間編程在開關(guān)器內(nèi)設(shè)定動(dòng)作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)目的層的更換，并通過多級結(jié)構(gòu)能夠保證其不受層數(shù)限制[2-3]。上述智能開關(guān)器能夠良好執(zhí)行預(yù)定動(dòng)作，但管柱下井后無法針對井下環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，泛用性較差。針對上述問題，設(shè)計(jì)了基于無線射頻通信的分層測試管柱，通過投入電子標(biāo)簽，可以在任意時(shí)間對任意開關(guān)器的動(dòng)作進(jìn)行調(diào)節(jié)，將電纜直讀技術(shù)良好的通信性能與智能測試管柱的優(yōu)勢相結(jié)合，使其獲得極高的試油測試應(yīng)用價(jià)值。

1 智能開關(guān)測試閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能開關(guān)測試閥由控制天線、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、重復(fù)開關(guān)滑套三部分組成，外徑110 mm、內(nèi)通徑40 mm、長度2 200 mm，上下接頭螺紋為278″（73.025 mm）外加厚油管螺紋，整體方案如圖1所示。

圖1 智能開關(guān)測試閥整體方案圖

控制天線總成集成有滑套控制、無線通信、參數(shù)監(jiān)測及存儲模塊；動(dòng)力驅(qū)動(dòng)總成由電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞系統(tǒng)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及相應(yīng)供電單元構(gòu)成，其中當(dāng)供電單元中的高溫電池組在一次施工作業(yè)完成后、電量耗盡時(shí)，可通過螺紋的方式實(shí)現(xiàn)整體快速更換；重復(fù)開關(guān)滑套采用機(jī)械式軸向運(yùn)動(dòng)滑套，執(zhí)行過流口開、關(guān)切換動(dòng)作，滑套沖蝕損壞后，通過螺紋連接可實(shí)現(xiàn)整體快速更換[4-5]。

1.1 控制與天線總成技術(shù)方案

智能開關(guān)測試閥無線通信系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽控制指令的無線收發(fā)，將滑套開關(guān)動(dòng)作指令傳輸至核心控制器進(jìn)行解碼，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)井下智能滑套的無線開關(guān)控制。無線通信收發(fā)天線采用纏繞式高增益天線，以此增加天線覆蓋面積、提高信號穿透能力，無線通信頻率2.4 GHz、增益20 dB，沿天線方向有效通信距離大于2 m，無線指令收發(fā)頻率500 次/s，可實(shí)現(xiàn)控制指令以小于10 ms的速率有效收發(fā)，保證了電子標(biāo)簽與智能滑套間無線通信的可靠性[6-8]。控制與天線總成內(nèi)置的溫度、壓力傳感器通過流道分別與管內(nèi)及地層聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)管內(nèi)、管外溫度壓力雙參數(shù)監(jiān)測及存儲。

1.2 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)總成技術(shù)方案

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)總成包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞機(jī)構(gòu)、液壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及配套的電源模塊，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以插接方式布置于智能滑套外徑與內(nèi)通徑形成的環(huán)形空間內(nèi)，總體結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。

采用雙“微型電機(jī)+電磁閥+絲杠螺母柱塞機(jī)構(gòu)”方式，通過1級活塞與2級活塞面積差實(shí)現(xiàn)最終滑套增力開關(guān)。1級活塞腔體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)采用最大輸出扭矩12 N·m 的直流減速電機(jī)，經(jīng)絲杠螺母轉(zhuǎn)換后，直線推拉力約為0.8 t，1 級與2 級活塞腔體截面積比為1∶2，經(jīng)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)后，2 級活塞腔體推拉力約為3.2 t，可為開關(guān)滑套提供充足動(dòng)力，且兩級液壓系統(tǒng)均采用設(shè)備自帶液壓源，不與井下介質(zhì)聯(lián)通，避免流失損耗的同時(shí)，始終保持腔體內(nèi)往復(fù)流動(dòng)的液壓油清潔，從而保證井下高壓、多砂工況下的可靠重復(fù)開關(guān)。

供電單元采用內(nèi)置高溫電池組為井下智能滑套的電機(jī)、無線通信系統(tǒng)、溫壓監(jiān)測及控制電路進(jìn)行供電，通過螺紋連接實(shí)現(xiàn)與測控總成的快速拆裝，螺紋旋緊到位后，供電單元末端的導(dǎo)電觸頭與測控總成的導(dǎo)電滑環(huán)接觸，完成電源聯(lián)通。供電單元的設(shè)計(jì)容量是測控系統(tǒng)所需功耗的近3 倍，能夠滿足井下智能滑套控制電路各環(huán)節(jié)可靠工作兩個(gè)月以上[9]。

1.3 開關(guān)滑套技術(shù)方案

開關(guān)滑套采用純機(jī)械機(jī)構(gòu)，通過螺紋可實(shí)現(xiàn)與測控總成的快速拆裝，具有結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、成本低廉的特點(diǎn)，可作為噴砂、石油或天然氣試采工藝的消耗件與測控總成配套。開關(guān)滑套結(jié)構(gòu)除油管接頭、外殼體、連接件外，主要由用于重復(fù)開關(guān)的閥芯與閥體組成，閥體處于靜止?fàn)顟B(tài)，環(huán)向開關(guān)有6個(gè)過流孔，等效過流面積直徑大于50 mm，閥芯通過往復(fù)軸向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)閥體過流孔的通斷切換。開關(guān)滑套結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 開關(guān)滑套方案圖

2 無線射頻控制分層測試管柱設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)井以S29-3 井為例，實(shí)驗(yàn)一趟管柱測試三層，分別為F9 號層（1 803.1～1 808.0 m）、F6 號層（1 728.4～1 733.6 m）、F5 號層（1 716.4～1 720.8 m）,管柱結(jié)構(gòu)如圖4所示。從下至上為壓力計(jì)托筒、盲接頭、油管3 根、智能開關(guān)測試閥C、P-T 封隔器、油管短接、智能開關(guān)測試閥B、剪銷封隔器、油管短接、智能開關(guān)測試閥A、延時(shí)坐封封隔器、油管。

圖4 S29-3井實(shí)驗(yàn)管柱示意圖

實(shí)驗(yàn)流程：首先在地面對測試管柱進(jìn)行調(diào)試，保證各執(zhí)行元件能夠正常動(dòng)作，壓力測試結(jié)果正常，將3 個(gè)智能開關(guān)閥調(diào)節(jié)至關(guān)閉狀態(tài)，準(zhǔn)備下井；將壓力測試管柱投放到井下指定深度，坐封封隔器；投入電子標(biāo)簽，控制智能開關(guān)測試閥C 打開，其他兩個(gè)智能開關(guān)測試閥保持關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)行抽汲作業(yè)；投入電子標(biāo)簽，控制智能開關(guān)測試閥C 關(guān)閉，靜止一段時(shí)間；投入電子標(biāo)簽，控制智能開關(guān)測試閥B打開，其他兩閥保持關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)行抽汲作業(yè)；投入電子標(biāo)簽，該標(biāo)簽控制閥A打開同時(shí)閥B關(guān)閉，進(jìn)行抽汲作業(yè)；投入電子標(biāo)簽，該標(biāo)簽控制閥B、C 同時(shí)打開，此時(shí)三組閥同時(shí)開啟狀態(tài)，靜止一段時(shí)間后將測試管柱從井下取出，至地面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3 井下多層壓力測試管柱井下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從上而下層一、層二、層三的三組壓力溫度曲線分別為智能開關(guān)測試閥C、B、A測得的曲線數(shù)據(jù)，當(dāng)控制閥C 打開時(shí)層一曲線圖中明顯可見壓力驟降，說明閥C 正常打開，抽汲壓力波動(dòng)顯示明顯，并且其他兩閥壓力無波動(dòng)，說明三組閥開關(guān)狀態(tài)；當(dāng)控制閥C 關(guān)閉，壓力明顯恢復(fù)，正常關(guān)閉；當(dāng)控制閥B 打開時(shí)從層二曲線圖中明顯可見壓力驟降，說明閥B正常打開，抽汲壓力波動(dòng)顯示明顯，并且其他兩閥壓力無波動(dòng)，說明三組閥開關(guān)狀態(tài)；當(dāng)同時(shí)控制閥A打開閥B關(guān)閉時(shí)從層三曲線圖中明顯可見壓力驟降，說明閥A正常打開，抽汲壓力波動(dòng)顯示明顯，并且其他兩閥壓力無波動(dòng)，說明三組閥開關(guān)狀態(tài)正常；當(dāng)同時(shí)控制閥B、閥C打開，三組閥同時(shí)開啟，曲線變化同步，說明打開正常。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，每步操作均正常工作，達(dá)到預(yù)定要求，實(shí)驗(yàn)成功。

4 結(jié)論

通過井下實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不同層段的智能開關(guān)閥均能夠有效識別電子標(biāo)簽的信號，且不會引起其他層段的誤動(dòng)作。這種方法能夠?qū)⒂欣|直讀與井下存儲式技術(shù)的優(yōu)勢相結(jié)合，兼顧了井下多層測試管柱的可靠性與泛用性，推進(jìn)了分層井下測試技術(shù)的發(fā)展。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一趟管柱測試多層，同時(shí)實(shí)現(xiàn)井下壓力溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取，為地面即時(shí)研判提供依據(jù)，大大提高了施工效率、縮短了施工周期、降低了施工成本。經(jīng)分析，以一趟管柱測試三層為例，單井可縮短施工周期5～7 天，單井節(jié)約施工成本10余萬元，具有較高的應(yīng)用前景。