智能完井井下液压控制系统关键技术研究.pdf

２ ０ １ ４年 第４ ３卷 第１ １期第７页 石 油 矿 场 机 械 犗 犐 犔 犉 犐 犈 犔 犇 犈 犙 犝 犐 犘犕犈 犖 犜 ２ ０ １ ４，４ ３（１ １） ７  １ ０ 文章编号 １ ０ ０ １  ３ ４ ８ ２（２ ０ １ ４）１ １  ０ ０ ０ ７  ０ ４ 智能完井井下液压控制系统关键技术研究 张凤辉， 薛德栋， 徐兴安， 张洁茹 （ 中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司， 天津３ ０ ０ ３ ４ ５） 摘要 智能完井系统通过传感器和地层滑套开关实现了对产液层的监测和控制， 对油层实现了多层 合采、 层间优化、 单采等多种模式的切换。介绍了国际上通用的智能完井井下液压控制系统， 并结 合分层开采智能完井的技术要求， 提出了一套智能完井井下流量控制解码器的设计方案， 通过操纵 井下多目的层滑套的开关从而实现分层选择和控制。设计的数字液力解码器利用３条液压管线可 实现最多６个生产层滑套的控制。该方案简化了现场安装液控管线的操作， 有助于推动智能井配 套工具的标准化。 关键词 智能完井； 液控系统； 液压解码器 中图分类号Ｔ Ｅ ９ ２ ５． ３ 文献标识码Ａ 犱 狅 犻 １ ０． ３ ９ ６ ９／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １  ３ ８ ４ ２． ２ ０ １ ４． １ １． ０ ０ ２ 犛 狋 狌 犱 狔狅 犳犓 犲 狔犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 犻 犲 狊狅 犳犇 狅 狑 狀犎 狅 犾 犲犎 狔 犱 狉 犪 狌 犾 犻 犮犆 狅 狀 狋 狉 狅 犾 犛 狔 狊 狋 犲 犿犻 狀 犐 狀 狋 犲 犾 犾 犻 犵 犲 狀 狋犠 犲 犾 犾犆 狅 犿 狆 犾 犲 狋 犻 狅 狀 Ｚ ＨＡＮＧＦ ｅ ｎ ｇ  ｈ ｕ ｉ，ＸＵ ＥＤ ｅ  ｄ ｏ ｎ ｇ，ＸＵＸ ｉ ｎ ｇ  ａ ｎ，Ｚ ＨＡＮＧＪ ｉ ｅ  ｒ ｕ （犆犖犗 犗 犆犈 狀 犲 狉 犜 犲 犮 犺  犇 狉 犻 犾 犾 犻 狀 犵牔 犘 狉 狅 犱 狌 犮 狋 犻 狅 狀犆 狅．，犜 犻 犪 狀 犼 犻 狀３ ０ ０ ３ ４ ５，犆 犺 犻 狀 犪） 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋Ｉ ｎ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｇ ｅ ｎ ｔｗ ｅ ｌ ｌ ｃ ｏ ｍ ｐ ｌ ｅ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｍ ｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｓａ ｎ ｄｃ 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０  ２ ２ ５． ［１ ６］ Ｈ ｏＭ，Ｃ ｉ ｏ ｆ ｆ ｉ ＪＭ，Ｂ ｉ ｎ ｇ ｈ ａ ｍＪＡＣ． Ｄ ｉ ｓ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅｍ ｕ ｌ ｔ ｉ  ｔ ｏ ｎ ｅ ｅ ｃ ｈ ｏｃ ａ ｎ ｃ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ［Ｊ］． Ｉ Ｅ Ｅ ＥＴ ｒ ａ ｎ ｓ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓｏ ｎＣ ｏ ｍｍ ｕ ｎ ｉ  ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ，１ ９ ９ ６，４ ４（７） ８ １ ７  ８ ２ ５． ［１ ７］ Ｐ ｅ ｔ ｅ ｒＧＬ ａ ｗ ｓ，Ｗ ｉ ｌ ｔ ｓ ｈ ｉ ｒ ｅ ． Ｍ ａ ｎ ｃ ｈ ｅ ｓ ｔ ｅ ｒｃ ｏ ｄ ｅｃ ｌ ｏ ｃ ｋａ ｎ ｄ ｄ ａ ｔ ａｒ ｅ ｃ ｏ ｖ ｅ ｒ ｙｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍＵ． Ｓ．，４８ ５ ３９ ４ ３［Ｐ］． １ ９ ８ ９  ０ ８  ０ １．  收稿日期２ ０ １ ４  ０ ５  １ ６ 作者简介 张凤辉（１ ９ ６ ８ ） ， 男， 黑龙江佳木斯人， 高级工程师， 硕士， 主要从事油水井测试技术研究，Ｅ  ｍ ａ ｉ ｌｚ ｈ ａ ｎ ｇ ｆ ｈ ５＠ｃ ｎ ｏ  ｏ ｃ ． ｃ ｏ ｍ． ｃ ｎ。 １ 智能完井技术特点 智能完井系统通过远程控制的方式实现了对井 下生产层流体参数的监测和产层的控制， 满足了油 井生产进行实时监控的要求。智能完井系统包括井 下状态监测系统和井下流量远程控制系统２个重要 组成部分， 井下状态监测系统利用安装于井下的传 感器通过通讯系统传输对井下流体动态参数进行监 测； 井下流量远程控制系统主要借助液压或电力方 式对井下流量控制阀的开关调整， 实现了对生产状 态的控制。井下流量远程控制系统无需通过钢丝作 业即可实现生产层井下工具的远程调控， 实现油井 动态的调整， 从而最大程度地保障了油井的正常 生产［ １  ８］。 目 前，国 际 上 主 要 由 Ｗ ｅ ｌ ｌ ｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｓ、Ｂ ａ ｋ ｅ ｒ Ｈ ｕ ｇ ｈ ｅ ｓ、Ｓ ｃ ｈ ｌ ｕ ｍ ｂ ｅ ｒ ｇ ｅ ｒ、Ｗ ｅ ａ ｔ ｈ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｄ４家公司提供 智能完井服务。Ｗ ｅ ｌ ｌ ｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｓ公司推出以液压控制 为主导的控制系统， 包括微型液力（Ｍ ｉ ｎ ｉＨ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｓ） 、 直接液力（Ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔＨ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｓ） 、 数字液力（Ｄ ｉ ｇ ｔ ａ ｌＨ ｙ  ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｓ） 等系统， 均由液压控制。Ｂ ａ ｋ ｅ ｒＨ ｕ ｇ ｈ ｅ ｓ的智 能完井控制系统主要包括Ｉ ｎ Ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ系统和Ｉ ｎ Ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ 系统， 但由于Ｉ ｎ Ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ系统为电驱动方式， 在油田生 产中存在着不稳定性［ ９  １ １］， 因此逐步退出了市场。 各公司的控制系统性能对比如表１所示。 表１ 智能完井控制系统性能对比 公司名称产品控制方式控制层段数控制管线数量节流状态 Ｗ ｅ ｌ ｌ ｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｓＤ ｉ ｇ ｔ ａ ｌＨ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｓ 液压最多可达６层 ３条控制管线 打开／关闭２种状态 Ｗ ｅ ｌ ｌ ｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｓＤ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔＨ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｓ 液压多个层段 每个设 备 使 用１条 打 开 管线， 共用１条关闭管线 能有多种打开状态， 可以控 制开度 Ｗ ｅ ｌ ｌ ｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｓＭ ｉ ｎ ｉＨ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｓ 液压多个层段 每个设 备 使 用１条 控 制 管线 打开／关闭２种状态 Ｂ ａ ｋ ｅ ｒＨ ｕ ｇ ｈ ｅ ｓＩ ｎ Ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ 液压 １～３个层段 每个设 备 需 要２条 控 制 管线 打开／关闭２种状态和６个 截流位置 智能完井技术在海洋石油开发中具有广阔的应 用前景， 尤其是未来中海油向深水进军的趋势， 给智 能完井的发展提供了更广阔的空间。海上油田作业 成本高， 大斜度井、 水平井多， 传统的钢丝电缆作业 既费时又费力。智能完井彻底摆脱了传统钢丝电缆 投捞作业， 无需电缆作业即可实时对油井产层参数 进行监测， 并可对产层滑套开度大小进行调整， 使各 产层均匀开采， 提高了最终采收率。 ２ 智能完井液压控制系统组成 智能完井液压控制系统主要由井口液压信号发 生系统、 控制管线、 井下控制阀３部分组成。井口液 压信号发生系统能够同时提供液压动力和液压信 号［ １ ２］， 同时还可以设置１个门槛压力， 避免杂散信 号的干扰。液压信号包括低压信号和高压信号， 通 过压力信 号的转 变实 现 液 压井 底 阀 门 的 开 启 及 关闭。 ２． １ 直接液压控制系统 直接液压控制系统是一种简单的液压控制系 统， 如图１所示。井下控制阀的打开端分别直接与 地面控制系统的管线相连， 关闭端共用１条控制管 线。例如 当２ ＃管线施加压力时， 推动阀门 Ａ液压 缸活塞打开阀门； 同样， ３ ＃管线可以控制 Ｂ阀门的 开启， １ ＃管线可以同时关闭２个阀门。直接液压控 制系统液压缸直接作用于滑套阀门上， 能够极大地 提高由于结垢而被卡住套筒的移动能力。 图１ 直接液压系统 ２． ２ 微型液力控制系统 ２． ２． １ 系统简述 微型液力控制系统如图２所示， 该系统实现了 ８ 石 油 矿 场 机 械 ２ ０ １ ４年１ １月  从简单可靠的分层控制到最复杂的智能井的控制。 在微型液力控制系统中， 利用智能微型液压解码器， 仅需１条控制管线就可实现阀门的双作用驱动功 能。液压控制阀门通过１条液压管线， 利用微型液 压解码器， 经过高低压的变化实现活塞的开启与 关闭。 图２ 微型液控控制系统 微型液力控制系统具有３个方面的优点 １） 所需控制管线数量很少， 每个滑套仅需要 １条管线即可以实现滑套的开关控制。 ２） 采用刚性动力打开和关闭Ｉ Ｃ Ｖ， 不依赖机 械或空气弹簧复原原理操控Ｉ Ｃ Ｖ。 ３） 每完成１次活塞冲程， 高压液被排到井筒 油管中， 这样就保证液压系统中都是新鲜的流体， 并 将小的碎片和沉积物冲出系统。 ２． ２． ２ 微型液压解码器设计 微型液力控制系统的核心技术在于微型液压解 码器的设计， 如图３所示。液压管线分别施加高压 与低压信号实现管线的开启与关闭。当管线中施加 低压信号时（ 如图３ ａ） ， 液压油分别通过管线１进入 管线２和管线３， 低压信号不能使液压换向阀发生 换向， 所以管线２中液压油进入液压活塞， 使液压活 塞打开。当管线中施加高压信号时（ 如图３ ｂ） ， 管线 中的高压油分别进入管线２和管线３， 管线３中的 高压信号使液压换向阀发生换向， 管线２中的液压 油通过液压阀右侧进入液压阀， 使液压阀关闭。 ａ 管线施加低压信号 ｂ 管线施加高压信号 图３ 微型液控控制井下解码器原理 ２． ３ 数字液力控制系统 ２． ３． １ 数字式液力控制系统概述 数字式液力控制系统如图４所示， 整个系统的 特点为 １） 可用在陆上、 平台或水下／海底。 ２） 采用全液压控制方式， 保证了系统的稳 定性。 ３） 系统与油管压力或环空压力无关。 ４） 下入深度不受限制。 图４ 数字式液力控制系统 ２． ３． ２ 数字解码器设计 数字式液力控制系统的关键部件在于井下解码 器， 井下解码器设计旨在利用有限的液压管线实现 尽可能多的目的层位置的选择。数字式液力控制系 统利用狀条液压管线实现狀（ 狀－１） 层的控制。以 ３条管线为例可以实现６个层 位 的 控 制， 如 图５ 所示。 图５ 数字式液力控制系统井下解码器层位选择原理 每个层位的液压控制滑套分别由２条液压管线 进行控制， 不同的组合可以实现３条液压管线对６ 个地层的控制。智能井井下解码原理如图６所示。 ９ 第４ ３卷 第１ １期 张凤辉， 等 智能完井井下液压控制系统关键技术研究  ａ 控制第１层 ｂ 控制第２层 图６ 数字式液力控制系统井下解码器原理 如果对第１层进行操作时（ 如图６ ａ所示） ， 利用 地面的液压系统对管线１施加高压信号， 高压油进 入管线４， 通过二位二通液控换向阀进入管线６， 高 压信号使右侧液控阀打开， 液控阀处于打开状态。 此时给管线２施加高压信号， 管线中高压液压油会 通过管线５进入右侧液控阀， 从而实现管线２中的 高压油对外界的控制， 解码完成。当解码完成后， 液 压控制管线１， ２的压力都归零。右侧液控阀的控制 腔压力为０， 阀在弹簧作用下归位， 回归关闭状态， 完成目的层的关闭。 利用液压控制管线１， ２实现对层２的控制（ 如 图６ ｂ所示） ， 利用地面液压动力系统首先对管线２ 施加高压信号， 高压油会通过管线４流经左侧液控 阀到达右侧液控阀的控制腔， 高压信号使右侧液控 阀处于打开位置， 此时对管线１施加高压信号， 管线 １中的高压原油会通过管线５流经右侧液控阀， 实 现对底层２滑阀的控制， 完成了解码。当解码完成 后， 液压控制管线１， ２的压力都归零， 右侧液控阀的 控制腔压力为０， 阀在弹簧作用下归位， 回归关闭状 态， 完成目的层的关闭。 利用上述原理， 分别利用１， ３、２，３管线可以实 现对地层３～６的控制。井下解码器的使用实现了 利用３条液压管线对６层地层的控制。 ３ 结论 １） 智能完井系统可以满足海上油田大斜度 井、 水平井的需要， 可以解决深水钢丝电缆投捞作业 困难的问题； 实时对产层参数进行监测并对产层滑 套进行相应的调整， 平衡产层压力， 提高采收率。 ２） 微型液控控制井下解码器利用狀条管线实 现了对狀个地层的识别和动力液引导。通过管线高 压与低压的变化， 实现了每条管线对１个地层的控 制。这种系统适用于地层层数小于３层的油井。 ３） 数字式液力控制系统井下解码器利用狀条 液压管线通过解码装置实现了狀（ 狀－１） 个生产层 位的识别和动力液引导。如果不需要解码装置， 实 现６层的控制最少需要７条液压管线， 解码装置的 使用大幅减少了管线数量。 ４） 目前智能完井层数应用的最多为６层， 使 用最多的为２～３个生产层。对于２层的智能井系 统， 则利用微型液控系统； 对于大于３层的智能井， 则利用数字式液力控制系统。这２种系统能满足油 田的需要， 同时也有利于智能井完井配套工具的标 准化。 参考文献 ［１］ 窦宏恩．国外石油工程技术的最新进展（ 二） ［Ｊ］．石油 机械， ２ ０ ０ ３，３ １（７） ６ ９  ７ ２． ［２］ 盛磊祥， 许亮斌， 蒋世全， 等．智能完井井下流量阀液压 控制系统设计［Ｊ］．石油矿场机械， ２ ０ １ ２，４ １（４） ３ ４  ３ ８． ［３］ 沈泽俊， 张卫平， 钱杰， 等．智能完井技术与装备的研究 和现场试验［Ｊ］．石油机械， ２ ０ １ ２，４ ０（１ ０） ６ ７  ７ １． ［４］ 王兆会， 曲从峰， 袁进平．智能完井系统的关键技术分 析［Ｊ］．石油钻采工艺， ２ ０ ０ ９，３ １（５） １  ４． ［５］ 肖述琴， 陈军斌， 屈展．智能完井综合系统［Ｊ］．西安石 油大学学报 自然科学版， ２ ０ ０ ４，１ ９（２） ３ ７  ４ ０． ［６］ 阮臣良， 朱和明， 冯丽莹．国外智能完井技术介绍［Ｊ］． 石油机械， ２ ０ １ １，３ ９（３） ８ ２  ８ ４． ［７］ 倪杰， 李海涛， 龙学渊．智能完井新技术［Ｊ］．海洋石油， ２ ０ ０ ６，２ ６（２） ８ ４  ８ ７． ［８］ 王新英， 赵炜．智能完井技术Ｊ］．国外油田工程，２ ０ ０ ４， ２ ０（２） ２ ９  ３ １． ［９］ Ｈ ａ ｌ ｌ ｉ ｂ ｕ ｒ ｔ ｏ ｎ ． Ｃ ｏ ｍ ｐ ｌ ｅ ｔ ｉ ｏ ｎＳ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ［Ｚ］． Ｗ ｅ ｌ ｌ Ｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｓ ． ｐ ｄ ｆ ． ［１ ０］ Ｈ ａ ｌ ｌ ｉ ｂ ｕ ｒ ｔ ｏ ｎ ． Ｃ ｏ ｍ ｐ ｌ ｅ ｔ ｉ ｏ ｎＳ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ［Ｚ］． Ｈ ０ ７ １ ３ ９Ａ ｕ ｔ ｏ  Ｇ ａ ｓＬ ｉ ｆ ｔ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｖ ａ ｌＣ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌＶ ａ ｌ ｖ ｅ ． ｐ ｄ ｆ ． ［１ １］ Ｈ ａ ｌ ｌ ｉ ｂ ｕ ｒ ｔ ｏ ｎ ． Ｃ ｏ ｍ ｐ ｌ ｅ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ［Ｚ］． Ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇＳ ｍ ａ ｒ ｔ  Ｗ ｅ ｌ ｌＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｈ Ｐ Ｈ ＴＥ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ ． ｐ ｄ ｆ ． ［１ ２］ 余金陵， 魏新芳．胜利油田智能完井技术研究新进展 ［Ｊ］．石油钻探技术， ２ ０ １ １，３ ９（２） ６ ８  ７ ２． ０１ 石 油 矿 场 机 械 ２ ０ １ ４年１ １月 