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300345）①

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300345）①

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。

智能完井；液控系统；液压解码器

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Welldynamics、Baker Hughes、Schlumberger、Weatherford 4家公司提供智能完井服务。Welldynamics公司推出以液压控制为主导的控制系统，包括微型液力（Mini Hydraulics）、直接液力（Direct Hydraulics）、数字液力（Digtal Hydraulics）等系统，均由液压控制。Baker Hughes的智能完井控制系统主要包括InCharge系统和InForce系统，但由于InCharge系统为电驱动方式，在油田生产中存在着不稳定性［9-11］，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

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［12］，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ICV，不依赖机械或空气弹簧复原原理操控ICV。

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3a），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3b），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。

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n条液压管线实现n×（n－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。

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6a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6b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n条管线实现了对n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n条液压管线通过解码装置实现了n×（n－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。

［1］ 窦宏恩.国外石油工程技术的最新进展（二）［J］.石油机械，2003，31（7）：69-72.

［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，2012，41（4）：34-38.

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［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，2004，19（2）：37-40.

［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，2011，39（3）：82-84.

［7］ 倪杰，李海涛，龙学渊.智能完井新技术［J］.海洋石油，2006，26（2）：84-87.

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［9］ Halliburton.Completion Solutions［Z］.WellDynamics.pdf.

［10］ Halliburton.Completion Solutions［Z］.H07139 Auto-Gas Lift Interval Control Valve.pdf.

［11］ Halliburton.Completion solutions［Z］.Developing Smart-Well Technology HPHT Environment.pdf.

［12］ 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，2011，39（2）：68-72.

Study of Key Technologies of Down Hole Hydraulic Control System in Intelligent Well Completion

Intelligent well completion system monitors and controls the down hole with sensor and sliding sleeve，balanced the mode switch between commingling production，interlayer optimization，and tandem completion.The general international intelligent well completion hydraulic control system is introduced in accord with technology standard of intelligent well completion.By such design，layer selection and control in the target zone can be accomplished.Two to six layers can be controlled by three hydraulic lines.In this way，the unnecessary effort in connecting the lines in installation can be avoided.In addition，the design can also speed up the standardization of matching tools in intelligent tool well completion.

intelligent well completion；hydraulic control；hydraulic decoder

TE925.3

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.002

1001-3482（2014）11-0007-04①

2014-05-16

张凤辉（1968-），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-mail：zhangfh5＠cnooc.com.cn。