國內外井下電驅動流量控制技術研究進展*

羅 杰 何東升 鄭家樂 熊 浪 李若嵐 欒京生

(西南石油大學機電工程學院)

0 引 言

當今世界石油資源十分緊缺，開發已進入中后期，陸地上大部分易開采區域的開發已經接近極限，目前正向開發困難的地區發展。面對資源的緊缺和開采難度的增加，人們對石油的開采目標逐漸從陸地過渡至深海，深海石油勘探將成為未來石油開采技術的主要研究方向。截至2022年，我國的石油產量為2.05億t，不到全球開采總量的5%，而且絕大部分為非均質油藏，含水量過多，無法直接進行工業化生產[1-3]。因此，傳統的常規油氣井生產技術已不適合此類情況。為了解決這一問題且降低油氣井的開采和維護成本，在20世紀80年代初，國外的一些油田在井下安裝永久傳感器和流量控制閥，對井下的流量、溫度及壓力等參數實現遠程控制和監測，開創了油田智能化管理的先河[4-6]，這就是智能完井的前身。智能完井系統中最重要的是流量控制系統，流量控制系統的主要核心部件為流量控制閥。流量控制系統的遠程控制技術主要有3種，分別是電驅動、液壓驅動以及電液混合驅動[7-8]。后二者占據絕大部分市場，在電氣化發展的時代，電驅動技術將會是未來發展的主要趨勢。本文在對目前行業中出現較少的電驅動流量控制技術進行調研的基礎上，對電驅動流量控制技術的研究進展和存在的問題進行分析和總結，并提出相關建議，以期為后續研究提供借鑒與指導。

1 國外技術研究狀況

1.1 Wytch Farm井F22全電動系統井下節流器

2000年8月，Wytch Farm井F22安裝的全電動智能完井系統是世界上第一個完整的純電力控制的完井系統，打破了由純液壓控制和電液混合控制壟斷的行業僵局。傳統的液壓控制系統中的液壓流量控制閥需要通過數根管線，由地面控制進入井下流量控制閥的壓力，通過壓力節流來控制整個流量控制閥的開關和節流。而該電控完井系統不需要通過地面進行壓力控制，直接利用井下電機的運動控制流量控制閥內滑套的運動，從而進一步控制節流孔的開度，達到對井下流量的控制。

該流量控制系統中流量控制閥的結構較為簡單，稱之為井下節流器，安裝在油管外的外套筒用來固定整個井下節流器的位置。井下節流器的上部和下部均安裝有套筒。上套筒結構簡單，通過電機驅動來控制其運動，上套筒在電機驅動下經過節流區，從而達到節流的目的。下套筒安裝有1根能達到6 230 N壓縮力的彈簧驅動來保護底部密封。整個節流器由非彈性材料制成的密封件進行密封[9]，保證了在高腐蝕度的井下能正常工作5 a以上，同時也保護了里面電機制動系統的安全。

電機控制系統的組成主要有電機、齒輪箱及球形螺旋桿等，由電機產生動力來控制整個系統的運作[9]。此裝置產生的作用力可達44.5 kN以上，能在絕大多數情況下無阻礙運動，起到控制流量和節流的作用。電機在運作過程中的參數全部由地面計算機監測系統進行實時監測，方便操作員及時對電機運轉和生產操作做出及時調整。圖1為井下節流器節流裝置3個位置開啟和關閉示意圖。該節流器通過控制電機的運轉來控制套筒的運動，從而起到控制節流器節流的效果。

1—上滑動套筒；2—流量面；3—下部填充組；4—保護套管；5—彈簧；6—扼流圈和偏轉唇。圖1 井下節流器開啟和關閉示意簡圖Fig.1 Schematic diagram for opening and closing of downhole choke

1.2 Baker Hughes公司InCharge流量控制系統

1.2.1 InCharge流量控制系統

Baker Hughes公司有2種智能完井系統，除了液壓控制的以外，還有電動完井系統InCharge。 InCharge完井系統如圖2所示，通過電纜線來傳送信號，利用帶有電機的流量控制閥(IPR)來控制流量[10]。該系統集合了多個傳感器對井下的數據(如溫度和壓力等)進行實時監控。整個電力控制系統的電纜使用的是6.35 mm(0.25 in)電纜，且用單根控制，電纜穿過各個井層的封隔器以及井口，方便傳輸井下各個數據以及發生操作指令，使得傳輸更加簡便化。InCharge的節流器為無級可調節流器[11]。

1—地面控制系統；2—接口設備；3—油管懸掛壓頭；4—安全閥；5—伸縮接頭(可選)；6—溫式對接接頭(可選)；7—生產封隔器；8—流量計；9、11、13—智能生產調節器；10、12—封隔器；14—堵塞器。圖2 InCharge流量控制系統Fig.2 InCharge flow control system

InCharge的適用范圍主要為垂直井、水平井、斜井[12]，操控者可以通過地面控制系統即PC端對井下的流量控制閥的開度進行控制，從而達到控制流量的目的。單套系統最多可對井的12個層位進行監測和控制，完全實現電動化。

InCharge系統具有如下優點：①結構簡單，各個部分的連接設計十分可靠，采用單管鋼管電纜進行電動控制，操作簡單；②電動的完井技術可以承受更高的動力，彌補海上動力不足的缺點；③流量控制閥為無級調節，可以精細地對單層流量進行控制，且適用范圍廣。

1.2.2 IPR電動流量控制閥

Baker Hughes公司對流量控制閥的研究頗有經驗，目前該公司的流量控制閥主要有HCM節流閥、HCM-PlusTM滑套、HCM-ATM可調式油嘴系列和IPR電動流量控制閥[13]。其中：IPR(見圖3)采用的是電動控制，且配合InCharge完井系統一起使用[14]。該電動流量控制閥采用旋轉電機推動絲杠運動，從而推動閥體中的滑套來達到控制開度的目的，并且集合了多種傳感器對其內部的數據(如溫度和壓力等)進行實時監測和及時反饋。斷電后能保持滑套位置不變，下次使用時不需要再次控制滑套運動。IPR和InCharge完井系統的所有電纜線組合在1根?6.35 mm管線中。IPR流量控制閥的推力最大可達到45 000 N，溫度適用范圍為4～163 ℃，最大控制腔室壓力可達68 MPa以上，最大工作壓力可達51.71 MPa，適應絕大多數井層的工作環境，最多可深至井下第12層實時監測和控制。該流量控制閥也可以配合其他電控完井系統進行使用。

1.3 Baker Hughes公司MultiNodeTM全電動完井系統

1.3.1 MultiNodeTM全電動智能完井系統

Baker Hughes公司針對井下層流復雜的情況，研發了一種新的智能完井系統——MultiNodeTM全電動智能完井系統，系統組成如圖4所示，可分為多個生產段。該系統采用多節點智能完井技術，其組成部分分別為地面控制單元和AFCD井下電動閥，二者只需要通過1根電纜即可完成連接[15-16]。截止到現在，MultiNodeTM全電動智能完井系統在近幾十年的完井系統中具有較高的技術水平，且已經用于生產實踐。

1—懸掛器；2—生產封隔器；3、6—壓力/溫度計；4、8—AF-CD井下電動閥；5、7—裸眼封隔器；9—管堵；10—ETC電纜連接井下傳感器；11—ETC電纜連接井下ACDF閥；12—SCU。圖4 MultiNodeTM全電動智能完井系統簡圖Fig.4 Schematic diagram of MultiNodeTM fully electric intelligent completion system

該系統主要適用在長水平井或者斜井之中，最多可將井下劃分成27個控制單元。每個單元均安裝有AFCD電動閥，操控者可以通過地面控制單元(簡稱SCU)控制每個單元的生產并監測單元內部的實際生產情況，達到逐個控制同時生產的目的，實現動態生產。所有連接上、下部件的電纜集中在單根控制管中，使得整個智能完井系統結構更加簡單，節省了石油開采的生產成本和完井系統的制造成本。

1.3.2 MultiNodeTMAFCD 井下電動閥

MultiNodeTMAFCD 井下電動閥如圖5所示。該閥為純電力驅動，由TEC電纜進行控制。相比于其他的電動流量控制閥，該閥的電機并不在閥的內部，而是在地面，通過地面控制系統的控制將電機的移動指令通過TEC電纜遠程輸送給井下的電動閥，從而驅動閥體。AFCD 井下電動閥在其內部一共集成了6個節流裝置，每個節流裝置的開度有4個，可以滿足多種條件下的生產需求。這種多開度的結構設計能夠使整個完井系統無論在采油還是注水過程中均能夠保持適合的開度，實現整體的均衡流動，保證井下作業的順利進行；倘若井下出現水侵現象，AFCD 井下電動閥可以保持全閉狀態使得進入的水量大幅度降低，大大提高產量和效率；且整個電動閥的材料為耐腐蝕材料，能承受井下的高腐蝕環境以及對抗砂石的侵蝕作用，保障了電動閥的使用壽命以及整個智能完井系統的安全性。

圖5 MultiNodeTMAFCD井下電動閥
Fig.5 MultiNodeTM AFCD downhole electric valve

TM

[15]

AFCD 井下電動閥具有以下優勢[16-17]：

(1)結構緊湊簡單，體積小，便于安裝。

(2)內部節流裝置采用硬質合金，耐腐蝕，耐高溫，環境適應能力強，適用溫度范圍廣，在125 ℃以內均能正常工作，可延長使用壽命。

(3)電動閥在全閉狀態時可有效減少水的進入，密閉效果佳。

(4)電動閥的電機安裝在地面，僅通過1根電纜遠程控制其節流裝置，使電機安全性提高，不用頻繁更換電機。

(5)電動閥內部裝有節流位置傳感器，可實現電動雙向節流，提高節流效率，操作更為靈活。

1.4 Schlumberger公司的Manara電動完井系統

Schlumberger公司的Manara電動完井系統(見圖6)是該公司目前較為先進的完井系統，允許連續、同時、實時地控制多個區域[18]。它的地下部分主要由電感耦合器、電動流量控制閥以及監控裝置組成。其中監控裝置的主要功能是監測壓力、溫度、截水量和流量。

1—電潛泵；2—電纜；3—電感耦合裝置；4—電動流量控制閥；5—各生產層參數顯示器。圖6 Manara電動完井系統示意圖(水平井)Fig.6 Schematic diagram of Manara electric completion system (horizontal well)

Manara電動完井系統特點是利用一條電氣控制線路將每個站連接到下一個，然后將整個系統連接到地面，最大限度地減少連接點和拼接，簡化安裝過程，提高可靠性。功率和數據通過感應耦合器通過連接點進行無線傳輸。耦合器能夠同時監測和控制多個區域的連接。電動流量控制閥可以提供連續流量控制技術，節流位置是無限的。流量控制閥的閥口處安裝有監測裝置，可以發送節流閥位置的實時反饋，操作員可以觀察區域波動的發生，并根據生產優化軟件的建議進行流量調整，閥口會立即對表面指令作出反應，從而實現流量控制。圖7是該系統的完井管柱示意圖。系統的完井管柱內部集成了多個監測點，能提供豐富的井下數據。工作壓力范圍為0～34.5 MPa，流量范圍8～80 m3/d，溫度范圍0～125 ℃。

1—定位裝置；2—外扣接頭；3—控制電纜；4—Manara監測點1；5—膨脹式封隔器2；6—Man-ara監測點2；7—膨脹式封隔器1；8—封隔器。圖7 常規Manara智能完井管柱(水平井)Fig.7 Conventional Manara intelligent completion string (horizontal well)

Manara電動完井系統具有以下優勢：

(1)純電力控制，響應速度快，流量控制效果明顯。

(2)適用范圍極廣，尤其是單邊和多邊井需要模塊化和可擴展的配置監控的情況。

(3)在水平井與多個分支井具有顯著優勢，能夠最大限度地實現開采。

(4)井在偏遠、人口密集或環境敏感地區可用，減少對環境的影響。

2 國內技術研究狀況

2.1 電控智能配產器

EIC-Riped智能完井系統是中石油科學技術研究院自主研究開發的，是國內比較先進的智能完井系統。它完全采用電驅動控制技術，利用單根鋼管電纜實現對井下流量的控制，同時兼顧監測井下動態參數和傳輸電力的作用[19]。EIC-Riped系統大大縮短了井下工具等待指令的時長，提高了生產作業效率，也大幅度減少因電輸送困難帶來的結構復雜問題。

其中電控智能配產器是整個系統的重要組成部分，它的功能集合了流量控制裝置以及數據監測裝置。電控智能配產器主要結構如圖8所示，主要由上下接頭、中心管、鋼管電纜、扶正及執行機構等組成[19]。

1、4—鋼管電纜；2—扶正機構；3—溫度測量裝置；5—下接頭；6—中心管；7—壓力測量裝置1；8—壓力測量裝置2；9—上接頭。圖8 電控智能配產器結構示意圖Fig.8 Schematic diagram for structure of electric intelligent bottom-hole regulator

鋼管電纜的上端上接地面電纜，下接下一層的電控智能配產器的上端電纜。鋼管電纜的執行機構中又有電路分支，方便對執行機構里面的配件進行供電并傳輸數據。執行機構是流量控制裝置的核心部件，與常見的流量控制閥有所不同，它在其他流量控制閥結構的基礎上進行了改裝。該執行機構的主要組成部件有電機、齒輪減速器和油嘴，其中電機的最大輸出扭矩為30 N·m。相比于常見的圓形或者方形節流孔而言，電控智能配產器的節流器形式是油嘴，油嘴由上、下2個閥體組成，上、下閥體上有扇形油孔，電機驅動上、下兩個閥體運動，通過2個閥體的運動來控制油孔的開閉程度，從而改變流經油孔的油液流量，達到控制流量的目的。

油液在智能配產器的通過路線為：先經過下接頭所接的油嘴(油嘴上開孔)經過孔后流入中心管，然后被吸至地面。數據監測裝置主要組成部分是控制電路，其作用為控制電機運轉提供動力。溫度傳感器和壓力傳感器作用是監測井下溫度、壓力等數據并及時反饋給上位機系統。為了適應井下高溫高壓環境，控制電路的電子元件和電路印刷版均采用能耐150 ℃高溫的軍用級材料。

電控智能配產器的優點：

(1)結構簡單緊湊，便于裝配。

(2)打破常規形狀節流孔，改為扇形孔，且上、下閥體均開設有扇形孔，使流量控制更為精準快速。

(3)電機輸出扭矩適中，能夠輕松地控制扇形孔的開閉。

(4)由單根電纜控制，數據傳輸靈敏，節省成本，操作方便。

(5)集合了流量控制和數據監測為一體，功能更加齊全。

(6)適用范圍廣，能適應井下惡劣的高溫高壓環境。

2.2 智能分注分采技術的井下電控滑套

中海油集團針對渤海油田地層非均質性嚴重、油層厚、產液剖面不均衡等問題研發了一款智能電控滑套，以此來改善傳統機械滑套需要通過鋼絲牽引操作復雜的局面[20-22]。采用此電控滑套，能夠精準有效地開采。原先機械滑套開啟和閉合1次耗時均在2～3 h。該電控滑套通過鋼管電纜，從地面向井下的滑套傳輸動作指令，遠程控制滑套的開啟與閉合，大大縮短控制時間。

電控滑套主要由下接頭、電纜連接頭、滑環導電機構、調節臂機構、控制線路、限位機構、陶瓷閥機構、過濾網、主體部分、外套管及壓力傳感器等組成，結構如圖9所示。由圖9可知，主體部分內開設有許多凹槽，用來安裝和固定電控滑套內部其他部件。主體部分上端開設有電纜連接口，用來連接上部控制系統和電源，內部電纜線連接各個部件。下接頭用來連接其他的井下工具，同時接頭一側設置電纜接口，將電控滑套用電纜連接起來。外套管用來連接主體部分和接頭，為油液提供流通通道，同時起到保護電纜、內部電機和其他機械結構的作用。

1—主體部分；2—過濾網；3—限位機構；4—調節臂機構；5—電纜連接部分；6—下接頭；7—滑環導電機構；8—調節臂電池；9—線路控制；10—外套管；11—內套管；12—陶瓷閥機構。圖9 電控滑套結構示意圖Fig.9 Schematic diagram for structure of electric sliding sleeve

電控滑套的控制部分組成有單片機、井下信號整合單元、壓力傳感器、溫度傳感器、電壓電流測量裝置、電機及其驅動裝置、數據存儲部分等[23]。

電控滑套工作過程：地面工況機發出指令，通過電纜傳輸給解碼電路，解碼電路根據指令進行解碼操作，將指令傳送給電機，電機隨之啟動，電機將運動傳遞給調節臂機構，調節臂機構推動調節閥的開閉，從而調節流量。

限位機構是為了防止調節臂過度運動以致損壞電控滑套的內部結構。調節臂轉動會產生脈沖信號傳遞給內置芯片，芯片根據脈沖信號推斷出調節臂的運動情況以及調節閥的開度情況，反饋給電機控制電路；然后由電機控制電路在調節臂的運動行程滿足開度要求時會切斷電機電源。

該電控滑套優點如下：

(1)電控調節指令操作簡單。

(2)開度調節范圍大，可無級調節。

(3)日產量高，滿足較高產量的生產需求。

在國內智能完井系統中，該電控滑套的使用范圍較為廣泛，尤其是在深海領域等地質結構復雜的情況。

2.3 井下電控變流量控制閥

由中石化集團研發的井下電控變流量控制閥包括外套以及外套上下部分連接的上下接頭。其主體結構構成流量控制閥的閥座，閥座和閥芯相互配合形成閥腔；閥座位于外套上開設進油通道的下方，并在閥座上開設閥孔。閥芯由閥腔內的傳動機構和動力裝置推動移動。動力裝置主要由電機構成，電纜連接外部電源，并將其傳送給電機，電纜置于毛細鋼管中，而毛細鋼管同時穿過下接頭及連接塞[24]。傳動裝置的傳動箱在下端口設置傳動箱潤滑油封蓋，傳動箱內部傳動塊下部及絲杠周側用來盛裝潤滑油，油腔傳動箱的上端口設置有導套，傳動裝置同時起到密封作用，避免了地層油液對傳動機構表面材料的腐蝕作用。電機驅動傳動機構中的絲杠傳遞向前或者向后的運動，使得閥芯移動從而達到節流的目的。其關鍵結構如圖10所示。

1—下接頭；2—控制電路；3—外套；4—傳動箱；5—絲杠；6—閥芯；7—上接頭；8—閥座；9—傳動塊；10—傳動桿；11—電機及減速器；12—密封箱；13—連接塞。圖10 井下電控變流量控制閥結構示意圖Fig.10 Schematic diagram for structure of downhole electric variable flow control valve

該井下電控變流量控制閥的優點在于，設計了一種保護內部電機和井下電路的裝置，使得內部電氣設備不受腐蝕；同時設計了多個油液流入孔道，對流量控制效果更為精準，能夠很好地達到控制效果。

3 目前存在的問題及建議

未來深海油田的開采將成為石油行業的開采主陣地，隨著電子技術的發展以及人工智能時代的到來，智能完井技術以及井下流量控制技術都將朝著電氣化的方向發展[25-29]。目前，國內外對電驅動流量控制技術做了不少研究，也取得了一定的進展，但是仍存在一些問題。

(1)國內外的眾多科研機構對智能完井技術以及電驅動流量控制閥技術做了相應的研究，但現如今流量控制技術的主流依然為液壓驅動或電液混動，電動流量控制技術的研究成果較少。從現有的研究技術來看，電驅動流量控制技術的關鍵在于井下的電動流量控制閥，且流量控制閥的節流效果由內部驅動電機控制節流裝置的開閉程度實現。雖然現如今研究出的電動流量控制閥能適應多種環境，但還難以大范圍推廣，主要原因在于其內部驅動電機和相關儀器的選擇需要考慮井下的實際工作環境，需要特定生產，無法批量投入使用。因此電機和儀器的選擇相當重要，尤其是電機的驅動力和扭矩要進行相應的計算，以免驅動力或扭矩過大損壞其他部件，也避免驅動力或扭矩過小無法推動閥體產生不了節流效果，更重要的是要考慮電機和儀器是否能適應井下高溫高壓的惡劣環境。

(2)針對流量控制閥本身結構而言，電機一般安裝在流量控制閥內部的閥體上，由電機推動其移動控制開度，從而控制油液的流動。電機安裝位置與流道位置的設置很重要，否則容易引起油液泄漏，導致電機損壞而停止工作。因此需要考慮電機安裝位置，設計相應的保護密封裝置以免油液影響電機的正常工作。同時與液控流量控制閥一樣，作為電力驅動的流量控制閥，其節流裝置結構的優化研究也在研究行列之中。

(3)由文獻調研可知，目前所有的電驅動流量控制技術都需要相應的地面控制系統來控制電機的驅動以及采集井下數據，因此在研究該流量控制技術的同時還應該推進包括井下信號的采集與傳輸系統、數據的監測與反饋系統以及相關測試裝置等方面的研究工作。

4 結束語

面對石油資源的緊缺，石油的開采發展方向逐漸從陸地向著深海領域過渡，我國的深海海域(如渤海)油田存在著地質非均質性嚴重、油層厚等問題，影響開采效率。智能完井作為一項重要技術，對深海海域的開采起著極為重要的作用，其中流量控制系統是智能完井的核心裝置，在控制流量的大小，穩定開采進度方面起到重要作用。目前行業里用到的流量控制系統主要有電驅動、液壓驅動及電液混合驅動3種，其中后二者占據絕大部分市場，電驅動技術較為少見，但面對開采難度的提高和電子技術的發展，電驅動技術的需求會越來越大。該技術作為智能完井中信號傳輸速度最快，系統控制管線結構最簡單的控制技術，是未來流量控制領域發展的主要方向，同時電控智能完井技術也是整個智能完井技術發展的主攻方向。

目前針對電驅動流量控制技術，國內外做出了不少研究，得出了一定的結論。國外研究早于國內，目前主要的研發企業有Baker Hughes、Schlumberger等。其研發的InCharge系統、Manara系統和相應的產品等均取得了較好的研究成果。國內接觸雖然較晚，但中石油、中石化等研究單位對其做出了不少的研究，并將其運用到實際生產之中。該技術的關鍵研究有以下幾點：①需要研制相應的大功率電機來驅動井下流量控制閥中節流閥套的運動，且要適應井下的高溫、高壓等惡劣環境；②與常規流量控制閥一樣，需要研究相應的密封技術，增強電機與儀器封裝處的密封性能，否則會使油液進入電機電路，引起電機電路和其他儀器的損壞，從而影響生產；③相關井下儀器和井下電路、地面控制系統、數據采集傳輸系統和測試裝置等方面的研究也是推進該技術發展的動力之一。

流量控制系統是整個智能完井的關鍵部分，電驅動技術是其未來發展的主攻方向，在面對石油資源緊缺和技術壁壘的情況下，想要提升我國深海石油開采能力，就需要研發具有我國自主知識產權的技術以及相關設備，只有這樣才能為我國石油開采，尤其是深海領域的油田開發打下堅實的基礎。