智能完井井下流量閥液壓控制系統(tǒng)設計

盛磊祥，許亮斌，蔣世全，周建良，何東升

（1.中海油研究總院，北京100027；2.西南石油大學，成都610500） ①

智能完井井下流量閥液壓控制系統(tǒng)設計

盛磊祥1，許亮斌1，蔣世全1，周建良1，何東升2

（1.中海油研究總院，北京100027；2.西南石油大學，成都610500）①

智能完井系統(tǒng)通過對井下產層流體參數(shù)的監(jiān)測和控制，可以實現(xiàn)多層合采、層間優(yōu)化、單采等多生產模式的任意切換。目前提供智能完井服務的公司都推出了以液壓驅動為主要控制形式的井下流量閥控制系統(tǒng)，并在油田生產中成功應用。結合智能完井的技術要求，提出了一套井下流量控制液壓系統(tǒng)的設計方案，可實現(xiàn)井下多目的層的分層選擇和控制，利用3條控制管線，即可實現(xiàn)目前油田生產所需的2～6層的開發(fā)需要，可以減少安裝過程中連接穿越管線的繁瑣工作，為智能完井配套工具的標準化提供了支持。

智能完井；流量控制；液壓解碼器；液壓發(fā)生器

1 智能完井技術特點

智能完井系統(tǒng)通過對井下生產層流體參數(shù)的監(jiān)測（壓力、溫度、流量等）和控制，以遠程控制的方式實時對油層進行監(jiān)控，滿足油井生產要求。智能完井系統(tǒng)分為井下狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和井下流量遠程控制系統(tǒng)2個部分。井下狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要利用安裝于井下的傳感器和儀表，通過通訊系統(tǒng)傳輸?shù)降孛?，監(jiān)測井下流體動態(tài)參數(shù)；井下流量遠程控制系統(tǒng)主要借助液壓或電力系統(tǒng)實現(xiàn)對井下流量控制閥的開關調整，以實現(xiàn)對生產狀態(tài)的控制。井下流量遠程控制系統(tǒng)是智能完井與常規(guī)完井最大的不同，它能夠實現(xiàn)生產層井下工具的遠程調控，無需通過鋼絲作業(yè)即可實現(xiàn)油井動態(tài)的調整，從而最大程度的保障了油井的正常生產［1］。根據(jù)布置形式，智能完井可分為2種基本形式，如圖1所示，①封隔器＋井下流量控制閥實現(xiàn)對油層的封隔，有n個需要分割的生產層段，就增加n套封隔器＋井下流量控制閥；②利用帶外套的井下流量控制閥，實現(xiàn)對生產層的封隔控制，有n個需要分割的油層段就需要n－1個外套。受到控制閥尺寸的限制，封隔器＋井下流量控制閥的布置形式通常適用于井徑＞127mm（5英寸）的井，在裸眼完井、套管完井中使用較多。在礫石充填防砂的井筒中，井眼尺寸較小，帶環(huán)空外套的井下流量控制閥，由于其無需將控制閥安裝在產層段，不受產層井筒尺寸的限制，所以在防砂井中采用帶環(huán)空外套的井下流量控制閥的布置形式。

目前主要有5家公司提供智能完井服務［2－6］：Welldynamics、Baker Hughes、Schlumberger、Weatherford、BJ。Welldynamics推出以液壓控制為主導的系列產品，包括微型液力（Mini Hydraulics）、直接液力（Direct Hydraulics）、數(shù)字液力（Digital Hydraulics）、SCRAMS系統(tǒng)，均由液壓實現(xiàn)控制。Baker Hughes的智能完井技術分為2大系統(tǒng)，包括In Charge系統(tǒng)和In Force系統(tǒng)，InCharge系統(tǒng)是電力驅動的井下流量控制閥系統(tǒng)，但由于In Charge性能上不可靠，在Baker Hughes的網(wǎng)站上已基本看不到In Charge的相關資料，In Force系統(tǒng)是全液壓驅動的開關控制閥。Schlumberger的井下流量控制閥主要有3個系列，包括液力驅動可回收流量控制器TRFC－HN、便攜式液力驅動可回收流量控制器、電驅動可回收流量控制器TRFC－E（tubing－retrievable flow controller）。Weatherford的井下流量控制稱為ROSS系列，包括ROSS用于井下流量的開關控制，ROSS－V用于井下流量的多位控制，ROSS－T用于高溫井的流量開關控制，均采用液壓驅動的方式。BJ的井下流量控制閥稱為SHARP Well Completion System，提供井下多層位的流量控制，液壓驅動。

從以上幾家主要的供應商的技術可以看出，智能井下流量控制主要采用液壓驅動或電驅動2種形式。液壓控制的井下流量控制系統(tǒng)是目前的主流，各大服務公司都有各自的液壓控制系統(tǒng)。本文結合智能完井的技術要求，提出了一套井下流量控制液壓系統(tǒng)的設計方案，能夠為智能完井井下流量控制閥的設計和操作提供參考。

圖1 智能完井基本形式

2 井下流量閥液壓控制系統(tǒng)

智能井井下流量控制閥要求能夠實現(xiàn)井下油氣分層生產控制，實現(xiàn)多層合采、及層間優(yōu)化、單采等多生產模式的任意切換。如果只有1個產層，可以將液壓動力管線直接連接到井下流量控制閥的動作腔內，實現(xiàn)閥的調控；如果涉及多個產層，通常需要下入更多的液壓管線，繁多的液壓管線必然為安裝過程帶來麻煩，并使得地面動力系統(tǒng)占據(jù)更多的空間。因此，對于多生產層的油井，需要首先通過井下解碼裝置，選擇需要操作的目標層位，然后將動力液引向目標層位控制閥的動作腔內，實現(xiàn)控制動作。

因此，井下流量控制閥液壓控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)2個功能，即，產生控制閥動作所需的動力液，選擇并引導動力液進入目的層的動作閥腔。前者由井口液壓動力及信號發(fā)生系統(tǒng)在地面產生多個穩(wěn)定的液壓力信號，后者由井下液壓解碼器根據(jù)液壓信號指令和管線序列實現(xiàn)。

2.1 井口液壓動力及信號發(fā)生系統(tǒng)設計

井口液壓動力及信號發(fā)生系統(tǒng)同時提供液壓動力和液壓信號。信號由無效信號和有效信號組成。系統(tǒng)設置一個門檻壓力，低于這個門檻壓力，系統(tǒng)認定為無效信號，或者為雜散信號，對井下系統(tǒng)不起作用。有效信號指系統(tǒng)壓力達到一定值時，井下系統(tǒng)將這個壓力認定為有效信號。有效信號根據(jù)壓力大小分別表示門檻壓力信號、高壓信號。這樣系統(tǒng)可識別0壓力信號、門檻壓力信號、高壓信號3個壓力信號。

2.1.1 系統(tǒng)組成

液壓動力及信號發(fā)生系統(tǒng)在地面提供井下執(zhí)行原件的動力，同時提供井下位置控制的液壓信號。系統(tǒng)由液壓油源、動力裝置和溢流閥組所組成，如圖2所示。該系統(tǒng)可向井下提供2個標準額定壓力：門檻壓力、高壓，并能夠防止無效信號對井下工況的干擾。

圖2 井口液壓信號發(fā)生系統(tǒng)原理

本文以其中1條管線為例說明系統(tǒng)的工作方式：油箱溫度傳感器、液位傳感器的信號傳到控制計算機。液壓油經油箱濾油器到9＃液壓泵，液壓泵由8＃變頻電機驅動，通過調節(jié)變頻器的頻率可調節(jié)電機轉速，實現(xiàn)液壓泵排量的調節(jié)。14＃單向閥只允許液壓油流出液壓泵，以保護液壓泵免受回流沖擊。設定18＃溢流閥為門檻壓力、19＃溢流閥為高壓。設定16＃先導式溢流閥的1個較大的開啟壓力（大于19＃溢流閥設定的高壓值）。該系統(tǒng)向井下提供2個標準額定壓力。過程是：

1） 門檻壓力的啟動 17＃啟動電機，將二位四通電磁換向閥左邊通電，16＃先導式溢流閥的先導控制液壓油經左位流向18＃溢流閥，當管線壓力等于溢流閥設定的壓力時，18＃溢流閥打開，先導控制液壓油流回油箱，由此打開16＃先導式溢流閥（主閥），液壓油由16＃溢流閥流回油箱。系統(tǒng)壓力保持為18＃溢流閥設定的門檻壓力。系統(tǒng)壓力可由管線上的10＃壓力表觀察到，也可以由管線上的壓力傳感器傳到計算機上。

2） 高壓的啟動 將17＃二位四通電磁換向閥右邊通電，16＃先導式溢流閥的先導控制液壓油經右位流向19＃溢流閥，當管線壓力等于該溢流閥設定的壓力時，19＃溢流閥打開，先導控制液壓油流回油箱。由此打開16＃先導式溢流閥（主閥），液壓油由16＃溢流閥流回油箱，系統(tǒng)壓力保持為19＃溢流閥設定的高壓。系統(tǒng)壓力可由管線上的10＃壓力表觀察到，也可以由管線上的壓力傳感器傳到計算機上。

液壓油經36＃管線濾油器、39＃截止閥流向井底。36＃濾油器過濾管線液壓油，向井底提供清潔液壓油；39＃截止閥在必要時實現(xiàn)緊急關斷油路。緊急泄壓時，15＃二位二通電磁閥通電，系統(tǒng)液壓油經該閥左端直接流回油箱，系統(tǒng)壓力變?yōu)?，實現(xiàn)緊急泄壓。系統(tǒng)斷電時，17＃電磁閥回到中位，先導控制液壓油經中位H型流道流回油箱，由此打開16＃先導式溢流閥，液壓油由16＃溢流閥流回油箱，系統(tǒng)泄壓。

其他管路的作用機理一樣。將18＃、25＃、32＃溢流閥的壓力設定為統(tǒng)一的門檻壓力，19＃、26＃、33＃溢流閥設定為統(tǒng)一的高壓。將16＃、23＃、30＃先導式溢流閥本身的壓力設定為更高的壓力。由此在任意一條管路上均可以實現(xiàn)門檻壓力、高壓及應急泄壓功能。

2.1.2 液壓指令設計

液壓信號由無效信號和有效信號組成。系統(tǒng)壓力為零認定為無效信號，對井下系統(tǒng)不起作用。有效信號指系統(tǒng)壓力達到一定值時（與井下液壓解碼器設計的壓力有關），井下系統(tǒng)將這個壓力認定為有效液壓信號。液壓信號指令設計如表所示，以目的層1的控制指令為例，利用控制線1和2對目的層1施加液壓指令，控制線3為回流管線，先對控制線1施加有效液壓信號，保持此壓力信號，然后再對控制線2施加有效液壓信號，實現(xiàn)目的層1的選擇控制指令。

表1 層位控制原理

3 井下液壓解碼器設計

井下液壓解碼器設計旨在利用有限的液壓管線，實現(xiàn)盡可能多的目的層位置的選擇。本文提出的設計方法利用n條液壓管線，實現(xiàn)對井下P2n個生產層位的識別和動力液引導。以3條液壓管線為例，通常條件下，僅能實現(xiàn)對2個井下生產層位的選擇和控制，如果使用該解碼裝置，則可以對井下最多6（P23）個生產層位的選擇和控制。

井下液壓解碼器設計如圖3所示，包括液壓控制管線、液壓解碼器、壓力指令。液壓控制管線主要傳遞液壓動力和壓力指令，液壓解碼器采用2個液控的二位二通閥組成，它可以識別不同的壓力指令序列，根據(jù)不同的指令將動力液引向目的層位，壓力指令根據(jù)液壓解碼器的設計，預設壓力信號，不同的壓力信號序列對應不同層位的操作。

圖3 智能井井下解碼層位選擇原理

每一層只采用2條液壓管線參與解碼，每個層位由2條液壓管線進行控制。由不同的控制管線組合12（1和2液壓控制線路）、23、13可以把6個生產層分為3個層組：第1層和第2層、第3層和第4層、第5層和第6層，每個層組由相同的2條線路進行控制。例如，第1、2目的層均由線路組合12進行控制，第3、4目的層均由線路組合23進行控制，第5、6目的層均由線路組合13進行控制。要區(qū)分其中的2個目的層，只需施加不同的壓力序列信號即可。6個目的層位采用的液壓控制線和壓力指令施加的序列如表1所示。如圖4a所示，如果要對第1目的層進行控制，可以先對管線1施加數(shù)字壓力信號，然后再對管線2施加數(shù)字壓力信號；反之，如圖4b所示，如果要對第2目的層進行控制，可以先對管線2施加數(shù)字壓力信號，然后再對管線1施加數(shù)字壓力信號；其他的層位不會動作。

圖4 智能井井下解碼原理

通過向不同的液壓管線發(fā)送不同的壓力序列，由井下液壓層位選擇解碼器識別來自不同管線的壓力序列指令，按照預先設置的層位對應的指令，將動力液引向需要進行操作的控制閥腔內，實現(xiàn)目標層位的選擇和控制。

以3條管線其中的線組12（1和2液壓控制線路）為例，液壓管線1和2實現(xiàn)對第1目的層和第2目的層的選擇控制過程如下：

如果對第1目的層進行流量操作時，如圖4a所示，利用地面液壓動力系統(tǒng)首先在液壓控制線路1上施加高壓信號，高壓信號通過常開式二位二通閥4＃流向常閉式二位二通閥5＃的控制腔，使二位二通閥5＃導通，此時再向液壓控制管線2＃上施加高壓信號，液壓控制信號通過常開式二位二通閥4＃右端控制油腔，斷開常開式二位二通閥4＃，由于液壓控制管線1上繼續(xù)施加高壓，常開式二位二通閥4＃無法泄壓，常開式二位二通閥4和常閉式二位二通閥5＃間的控制管線間液壓油均不會回流，常閉式二位二通閥5保持開啟狀態(tài)，液壓控制管線2中的高壓油通過常開式二位二通閥5＃流向解碼控制管線6＃，實現(xiàn)本層的解碼和操控。完成解碼后，液壓控制管線1、2的液壓油壓力歸零，常開式二位二通閥4控制腔壓力為0，常開式二位二通閥4＃復位，常開式二位二通閥4＃處于開啟狀態(tài)，常閉式二位二通閥5?？刂魄坏囊簤河屯ㄟ^常開式二位二通閥4＃流回液壓控制管線1，常閉式二位二通閥5＃關閉，同時關閉目的層。

如果對第2目的層進行流量操作時，如圖4b所示，利用地面液壓動力系統(tǒng)首先在液壓控制線路2上施加高壓信號，高壓信號通過常開式二位二通閥7＃流向常閉式二位二通閥8＃的控制腔，使二位二通閥8＃導通，此時再向液壓控制管線1上施加高壓信號，液壓控制信號通過常開式二位二通閥7＃右端控制油腔，斷開常開式二位二通閥7，由于液壓控制管線2上繼續(xù)施加高壓，常開式二位二通閥7＃無法泄壓，常開式二位二通閥7＃和常閉式二位二通閥8＃間的控制管線間液壓油均不會回流，常閉式二位二通閥8＃保持開啟狀態(tài)，液壓控制管線1中的高壓油通過常開式二位二通閥8＃流向解碼控制管線9＃，完成本層的解碼和操控。完成解碼后，液壓控制管線1、2的液壓油壓力歸零，常開式二位二通閥7?？刂魄粔毫?，常開式二位二通閥7復位，常開式二位二通閥7＃處于開啟狀態(tài)，常閉式二位二通閥8?？刂魄坏囊簤河屯ㄟ^常開式二位二通閥7＃流回液壓控制管線1，常閉式二位二通閥8＃關閉，同時關閉目的層。

其他線組23和線組13對第3、4目的層和第5、6目的層的解碼和操控過程與上述線組12對第1、2目的層的控制機理相同。

4 結論

1） 為了生成井下解碼器所需要的穩(wěn)定的液壓信號，設計了井口液壓動力及信號發(fā)生系統(tǒng)，能夠向井下提供2組有效的壓力信號和液壓動力，也能夠有效地識別無效信號或者為雜散信號，緊急條件下可實現(xiàn)系統(tǒng)快速泄壓。

2） 井下液壓解碼器利用n條液壓管線實現(xiàn)對井下P2n個生產層位的識別和動力液引導。以3條液壓管線為例，通常條件下，僅能實現(xiàn)對2個井下生產層位的選擇和控制，如果使用該解碼裝置，則可以對井下最多6（P23）個生產層位的選擇和控制，而如果不使用液壓解碼器，完成6個生產層位的控制至少需要7條液壓管線。

3） 目前智能完井層數(shù)應用的記錄是6層［7］，實際上目前智能完井應用層數(shù)最多的是2～3個生產層［8－10］，因此本文提出的3條管線控制的井下流量控制閥的控制系統(tǒng)可實現(xiàn)2～6個生產層的控制，能夠滿足目前油田生產的需要，同時有利于智能完井配套工具（例如穿越封隔器的設計）的標準化。

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Design of Hydraulic Control System for Intelligent Completion Downhole Flow Valve

SHENG Lei－xiang1，XU Liang－bin1，JIANG Shi－quan1，ZHOU Jian－liang1，HE Dong－sheng2
（1.CNOOC Research Institute，Beijing100027，China；2.Southwest Petroleum University，Chendu610500，China）

By monitoring and controling of production layers，intelligent completion can achieve different production modes，includes separate production，multi－layer production，and optimization production.At present，all the intelligent completion service corporations provide flow valve system controlled mainly by hydraulic pressure，which is used successfully in field.According to the technology feature of intelligent completion，a new design method of downhole flow valve hydraulic control system is proposed，which can achieve control of multi－layer production，using 3control hydraulic lines to control 2－6layers，and relieve the excess work of installation of the complex hydraulic lines，and be in favor of standardized for intelligent completion related accessories tools.The design method proposed in this paper can be reference to the design and operation of downhole flow valve control system.

intelligent well completion；flow control；hydraulic decoder；hydraulic generator

1001－3482（2012）04－0034－05

TE925.303

A

2011－10－12

國家重大專項“深水油氣田開發(fā)鉆完井工程配套技術”（2008ZX05026－001）

盛磊祥（1981－），男，山東招遠人，現(xiàn)從事深水鉆完井、智能完井方面的研究，E－mail：shenglx＠cnooc.com.cn。