深水全電控智能完井工藝研究

韋紅術(shù)，魏裕森，程心平

（1.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518054；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300457）

0 引言

深水開發(fā)井鉆完井、修井費(fèi)用高昂，在開發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)盡量避免或減少修井活動(dòng)，同時(shí)深水井中大位移井、水平井較多，常規(guī)鋼絲電纜、連續(xù)油管作業(yè)無(wú)法滿足井下多層生產(chǎn)調(diào)控需求。對(duì)于多層合采井，伴隨著生產(chǎn)開發(fā)進(jìn)入中后期，層間壓力差異大，層間矛盾突出，導(dǎo)致分采率低，無(wú)法滿足采收率要求。常規(guī)合采方式難以滿足多層開采需求，同時(shí)多層合采作業(yè)周期長(zhǎng)、效率低，難以實(shí)現(xiàn)開采經(jīng)濟(jì)性要求。因此，需要建立適用于南海深水的智能完井工藝，這既是國(guó)內(nèi)深水油氣資源勘探開發(fā)技術(shù)的需求，也是急需解決的重大技術(shù)和生產(chǎn)問(wèn)題。

1 智能完井技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

智能完井是一種井下永久監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，它是一種能夠采集、傳輸和分析井下生產(chǎn)狀態(tài)、油藏狀態(tài)和整體完井管柱生產(chǎn)數(shù)據(jù)等資料，并且能夠根據(jù)油井生產(chǎn)情況，以遠(yuǎn)程控制的方式及時(shí)對(duì)油層進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制的完井系統(tǒng)。

智能完井技術(shù)在國(guó)外經(jīng)過(guò)30余年的研究，主要以Halliburton、Baker Hughes、Schlumberger為代表的國(guó)外油服企業(yè)，積累了大量相關(guān)技術(shù)。目前，出現(xiàn)了幾種典型的智能完井工藝。

SCRAMS電動(dòng)液力油藏分析與管理系統(tǒng)：采用電液復(fù)合控制，利用電力系統(tǒng)控制井下解碼器，液力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)井下滑套的控制，配合電子傳感器以實(shí)現(xiàn)井下參數(shù)的采集。智能井下系統(tǒng)響應(yīng)快，數(shù)據(jù)量豐富，為地面決策提供參考。InForce全液力系統(tǒng)：采用全液控系統(tǒng)，利用液壓動(dòng)力實(shí)現(xiàn)井下滑套的控制，適用于溫度較高的智能井場(chǎng)合。InCharge全電控系統(tǒng)：采用全電控系統(tǒng)，利用一條電纜實(shí)現(xiàn)井下電控滑套的控制及井下參數(shù)的采集和處理，集成化程度高、管線數(shù)量少[1-5]。

目前，在智能完井工藝方面，國(guó)內(nèi)部分研究機(jī)構(gòu)做了相關(guān)的研究：西南油氣田分公司等多家單位開展了氣井永置式井下壓力溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)研究；大連理工大學(xué)的井下智能閥門控制系統(tǒng)，采用單片機(jī)控制技術(shù)，功耗低且耐高溫，解決了機(jī)械傳動(dòng)閥門的眾多問(wèn)題，為油井分層采油技術(shù)提供新的解決方案；中石化勝利油田也對(duì)智能井開關(guān)技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。

2 深水全電控智能完井管柱設(shè)計(jì)

2.1 全電控分層采油管柱組成及工作原理

全電控分層采油管柱主要由電纜、調(diào)控工作筒、分層工具及其他配套工具組成，如圖1所示。

完井時(shí)，電纜隨完井采油管柱下入，借助于保護(hù)器固定于生產(chǎn)管柱，電纜既可為井下供電，又可傳輸信號(hào)。在每個(gè)采出層段下入一個(gè)調(diào)控工作筒，配合上下連接的分層工具實(shí)現(xiàn)分層配產(chǎn)，各級(jí)調(diào)控工作筒通過(guò)一根電纜與水下終端設(shè)備相連，實(shí)時(shí)采集該層段壓力、流量、溫度等數(shù)據(jù)，然后傳輸至控制終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 深水全電控分層采油管柱Fig.1 Deep water full electric control separate layer production string

各級(jí)調(diào)控工作筒可全天候工作，傳輸信號(hào)為分時(shí)工作。該工藝目前可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單井最多8個(gè)層位的調(diào)節(jié)，井深可達(dá)為5km。通過(guò)預(yù)置的電纜實(shí)現(xiàn)了井下多個(gè)層位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，減少了鋼絲電纜作業(yè)次數(shù)，提高了開發(fā)效率，適用于深水油氣田開發(fā)。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

1）適用于防砂完井及套管完井方式。

2）單層最大采出量800m3/d。

3）分層采出層數(shù)8層。

4）耐溫150℃。

5）耐壓60MPa。

2.3 管柱特點(diǎn)

1） 適用于深水開發(fā)井：針對(duì)深水開發(fā)井修井費(fèi)用高等問(wèn)題，利用全電控智能完井方式實(shí)現(xiàn)了井下的參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，減少了作業(yè)費(fèi)用，提高作業(yè)效率。

2）調(diào)控集成化：井下信號(hào)的傳輸和井下油嘴的調(diào)控均采用一條鋼管電纜完成，管線數(shù)量少，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)低。

3） 不動(dòng)管柱洗井：管柱采用了可洗井過(guò)電纜插入密封，可以實(shí)現(xiàn)不動(dòng)管柱的洗井功能。

圖2 調(diào)控工作筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural of control cylinder

3 電纜調(diào)控工作筒設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)控工作筒整體結(jié)構(gòu)及功能

調(diào)控工作筒為整個(gè)工藝的核心組成部分，主要由傳感部分和調(diào)控部分組成，實(shí)時(shí)采集井下溫度、壓力、流量等參數(shù)，通過(guò)信號(hào)處理裝置，實(shí)現(xiàn)與陸地終端的通訊，并接收地面指令，實(shí)現(xiàn)井下油嘴的控制，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出量的調(diào)整。調(diào)控工作筒由上下接頭、流量測(cè)試單元、一體化可調(diào)油嘴、壓力測(cè)試單元及電路倉(cāng)等部分組成，如圖2所示。

調(diào)控工作筒可以接收地面控制指令，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)層段的溫度、壓力和流量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出量的自動(dòng)調(diào)整，并通過(guò)油嘴前后壓力監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)直讀式封隔器驗(yàn)封。

3.2 調(diào)控工作筒技術(shù)參數(shù)

1）調(diào)控工作筒外徑尺寸為114mm，長(zhǎng)度1100mm。

2）最大內(nèi)通徑：44mm。

3）最大單層采油量800m3/d。

4）耐溫150℃。

5）耐壓60MPa。

6）壓力精度0.1%FS。

3.3 一體化可調(diào)油嘴

3.3.1 一體化油嘴結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

一體化油嘴由電機(jī)、減速器、絲杠及油嘴等組成。井下微型電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化為油嘴的上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)油嘴開度大小的調(diào)節(jié)。油嘴結(jié)構(gòu)與絲杠結(jié)構(gòu)采取多重動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，保證油嘴的可靠性。油嘴結(jié)構(gòu)采用平衡壓設(shè)計(jì)，20MPa壓差順利開啟。同時(shí)，油嘴結(jié)構(gòu)采用特殊三通結(jié)構(gòu)，過(guò)流面積增大一倍。減速器減速比高，控制精確。油嘴采用氮化硅陶瓷材料，耐沖蝕。同時(shí)，一體化油嘴設(shè)置了霍爾傳感器，可實(shí)現(xiàn)油嘴開度的地面直讀。

3.3.2 一體化油嘴參數(shù)

1）油嘴最大當(dāng)量直徑22.6mm。

2）流量調(diào)節(jié)范圍0m3/d～800m3/d。

3）電機(jī)最大扭矩8N.m。

4 深水全電控智能完井方案研究

圖3 一體化可調(diào)油嘴Fig.3 Integrated adjustable nozzle

圖4 深水油氣田開發(fā)模式Fig.4 Development mode of deep water oil and gas field

深水開發(fā)井普遍采用水下采油樹生產(chǎn)模式，遠(yuǎn)程控制終端通過(guò)電力載波、液壓控制等方式對(duì)水下采油樹及井下傳感器、電動(dòng)執(zhí)行工具進(jìn)行控制。通過(guò)陸地終端、水下終端、采油樹穿越等特殊裝置，實(shí)現(xiàn)了智能完井控制信號(hào)從控制終端到井下終端的通訊。關(guān)鍵部件包括：水下臍帶纜終端設(shè)備（UTA）、水下采油樹水下控制模塊（SCM模塊）、采油樹穿越裝置等。

4.1 臍帶纜終端設(shè)備（UTA）

全電控智能完井電利用臍帶纜，實(shí)現(xiàn)控制終端到水下控制終端的信號(hào)傳輸。臍帶纜到達(dá)水下終端后，與水下臍帶纜終端設(shè)備連接。臍帶纜終端設(shè)備（UTA）由液壓分配模塊、電信號(hào)分配模塊及插板樁等組成。智能完井所需的電信號(hào)通過(guò)飛線采用濕連接的方式，將電信號(hào)分配控制模塊與采油樹SCM模塊連接，實(shí)現(xiàn)臍帶纜控制終端與SCM模塊的連接與通訊[6]。

4.2 采油樹穿越裝置

通過(guò)臍帶纜終端設(shè)備及水下SCM模塊，實(shí)現(xiàn)了終端控制信號(hào)由控制終端到水下采油樹的通訊。采油樹與井下調(diào)控工作筒的通訊是深水智能完井面臨的另外一個(gè)難題，目前采用井下采油樹穿越裝置實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)信號(hào)和SCM模塊的數(shù)據(jù)通訊，完井時(shí)油管掛與井下調(diào)控工作筒通過(guò)井下電纜連接，油管掛安裝到位后，通過(guò)采油樹穿越裝置實(shí)現(xiàn)油管掛電信號(hào)與采油樹的溝通，從而實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)由控制終端到井下調(diào)控工作筒的傳輸。

圖5 臍帶纜終端設(shè)備Fig.5 Umbilical terminal equipment

圖6 EH-5型穿越器Fig.6 EH-5 Traverser

5 結(jié)論

全電控智能完井方式，通過(guò)一條電纜實(shí)現(xiàn)了井下多級(jí)調(diào)控工作筒的控制，實(shí)現(xiàn)了井下多個(gè)層位溫度、壓力、流量信號(hào)的監(jiān)測(cè)，同時(shí)利用一體化可調(diào)油嘴，實(shí)現(xiàn)了井下產(chǎn)液量的無(wú)極連續(xù)調(diào)節(jié)。該工藝有效地降低了調(diào)控作業(yè)費(fèi)用，提高了調(diào)控效率，降低了層間矛盾，有利于整體采收率的提高。對(duì)深水開發(fā)模式下電信號(hào)的傳輸進(jìn)行調(diào)研與研究，通過(guò)臍帶纜終端設(shè)備（UTA）、水下采油樹水下控制模塊（SCM模塊）、采油樹穿越裝置等關(guān)鍵設(shè)備，為工藝在深水油氣田應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。