智能井系统设计研究

王金龙，张宁生，，汪跃龙，张 冰

(1.中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京 102249； 2.西安石油大学 石油工程学院，陕西 西安 710065；3.西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安 710065)

智能井系统设计研究

王金龙1，张宁生1，2，汪跃龙3，张 冰2

(1.中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京 102249； 2.西安石油大学 石油工程学院，陕西 西安 710065；3.西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安 710065)

自主设计适用于我国油田实际的7英寸井眼的智能井系统。系统的流量控制阀、穿越式封隔器、双点温压传感器托筒以及穿越式井口等关键工具均为自主研发。系统的温压测量系统采用耐高温、耐高压、高精度的双点光纤温压传感器，可以同时实时测量套管环空与油管内的温度、压力数据。将1/4英寸液压控制管线与光缆封装成扁平缆，可以有效防止管缆的磨损。该智能井系统整体设计不但具有国外同类智能井系统的功能，且结构相对简单、易加工，系统整体稳定性好。系统设计完全实现国产化，与国外同类产品相比成本大大降低。

智能井系统；流量控制阀；穿越式封隔器；光纤温压传感器

智能井(Intelligent Well)也称作聪明井(Smart Well)或智能完井(Intelligent Completion)[1]，由安装在油气生产井或注入井中可获得井下油气生产信息(如压力、温度、流量)的实时监测系统、数据传输系统和生产流体控制系统组成[2-3]。智能井可在不需要人工干预的情况下实时地进行油藏管理、井下生产信息采集与传输、实时分析井下产状和油藏产状、获得整体完井管柱生产数据资料。与常规井相比，智能井能够对各油层或分支进行远程监测，可以根据油井生产情况进行井身结构重配来调控生产剖面，能够独立控制各层或分支流体的流入量或注入量，可以充分利用天然能量开采[4]，可以有效控制层间干扰，延迟水突破抑制含水率上升等，进而调节油藏的生产动态，实现油藏的实时控制与优化开采，最大程度提高油田最终采收率[5]。

目前，拥有智能井技术的国际公司主要有WellDynamic、Baker Hughes、Schlumberger、Weathford等公司，其中WellDynamic公司约占市场份额50%，Schlumberger公司约占市场份额25%，Baker Hughes公司约占市场份额20%，Weathford公司与其他公司约占市场份额5%[6]。

Welldynamics公司的SCRAMS智能井系统采用了先进的电动-液压控制方式，井下电子传感器采集每个产层的压力、温度数据，流量控制阀为液压驱动。通过电缆控制井下电磁换向阀减少了液控管线数量，整个井眼只需2根液压管线和1根电缆便能实现井下多层段开采的智能控制[7]。Schlumberger公司的RMC智能井系统将井下监测和分层流动控制与生产和油藏管理结合在一起。采用液压控制流量控制阀，电子温压传感器监测，电缆传输信号方式。通过先进的软件和与井场可靠的连接，使操作人员能实时进行生产决策或油藏决策[8]。Baker Hughes公司的InCharge智能井系统是完全依靠电力驱动流量控制阀和电缆传输信号的全电动智能井系统，用1根6.35 mm的电缆作为控制线和传输线，可以远程实时遥控生产作业和注入管理，该系统能够同时监测和控制井下12个储层的智能开采[7]。Weatherford公司的In-Well是光学-液压式智能井系统，采用光纤传感器技术代替了常规的电子传感器，与液压控制系统相结合，能够完成全井立体实时监测，方便快捷地调整井下多个储层的开采，并且光纤监测装置能够提供整个井下剖面的实时数据，实现了全井的温度监测[9-10]。

目前智能井系统的主要类型为全电动式、电动-液压式和光学-液压式。全电动式是智能井系统的未来发展方向，由于液压式稳定性强仍占智能井系统主导地位。

Baker Hughes、Schlumberger、Halliburton、Weath-erford等国际公司已经在Na Kika油田、GOM油田、Tern油田、Oseberg油田等海上油田，以及Ecuador油田、Snorre油田、Abqaiq油田、WytchFarm油田、Shaybah油田、Saih Rawl油田、Ghawar油田等陆上油田安装了上千套智能井系统，应用到水平井、大位移井、气井、边远井及多层采油井和注水井中。通过调节流量控制阀优化分配各产层产量，减少井数的同时提高了单井产量，延迟水侵，提高了注水波及效率和采收率，解决了由于非均质性油藏引起的锥进。实现最大限度增加原油产量、降低地面含水率、避免窜流、保持在泡点压力以上生产的目的[10-19]。实践证明智能井系统的生产动态远好于常规井，并能大大加快油藏的开采速度，提高油田的最终采收率。

随着我国沙漠、深海、边界等特殊油气藏的勘探开发，储层渐渐以中低渗、多层系发育的油藏为主，多层合采井、水平井、分支井等复杂结构井已经成为我国开发这类油藏、提高单井产量与最终采收率的主要手段。然而，由于我国中低渗油藏非均质性强，采用常规多层合采井、水平井、分支井进行生产时，常常会面临如下问题：①井筒内层间干扰严重，单井产量低；②油藏易水侵，无水采油期短，单井生产周期短，油藏采收率低；③水平段常规生产测井困难，成本高，停产时间长；④井眼尺寸较小，井下空间有限，常规机械堵水与解堵作业困难。由于常规技术对上述实际生产问题无法及时处理，致使多层合采井、水平井、分支井生产周期短，单井利用率低，极大地降低了油藏最终采收率，造成巨大的经济损失，对常规生产管理方式提出挑战，而应对这些挑战则是发展我国智能井技术的主要推动力。

目前，我国还处于对国外智能井技术的跟踪和局部技术的先导性试验阶段，国内虽然还没有成型的智能井系统，但在分层监测和井下工具的研发方面已有一定的进展。

西南油气分公司致力于气井井下压力和温度监测技术的研究，并完成了高精度电子井下传感器和地面数据采集系统的设计及室内测试，此系统可以提供准确有效的井下实时监测压力和温度数据[20]。

胜利油田有限公司2002年从国外引进了一套直井多层永置式监控系统，应用在胜利采油厂，该系统能够完成二级三段的监测任务，实现每个油层的压力、温度、流量、含水等参数监测。

北京蔚蓝仕科技有限公司开发的智能井光纤多点温度与压力测量装置通过光缆和地面解调器可以实时读取井内不同油层的温度和压力。

大庆油田开发的水平井机械调节含水率智能井技术，根据井下压力数据和注水曲线判断含水层段。通过提高环空压力产生的压力脉冲关闭或开启井下阀门，起到调节流体流量的作用，从而控制油井在低含水层或低含水部位的生产[21]。但是，该技术所使用的封隔器不能穿越管缆，不能实现井下压力、温度实时监测与传输，并且调控阀门需要封隔器解封才能控制环空的压力，操作比较复杂。因此，该技术并非真正意义上的智能井技术。

这几个产品都可以独立实现部分智能井的功能，但它们不能同时兼容形成完整的智能井系统。总的来说，虽然我国有一些井下监控技术和流量控制阀技术，但是较国外成熟的智能井系统还有很大距离。并且，拥有智能井技术的国际公司对智能井关键技术进行技术封锁，只提供设备与服务，不提供技术。而国外一套智能井系统为200～500万美元不等，这必然升高生产成本，不符合我国的基本国情。因此，为了解决我国油田面临的实际生产问题，打破国外智能井技术封锁状态，自主设计研制适合我国油田生产实际的智能井系统势在必行。

1 智能井系统设计

本文设计的智能井系统由井下生产流体控制系统、井下控制传输管缆、永久式光纤温压测量系统、中央控制室、地面设施组成，智能井系统总体组成如图1所示。由于流量控制阀液压驱动方式较电驱动方式不但结构简单、运动部件少，在复杂井工况下运行更加平稳且驱动力强，加工费用低。井下光纤温压传感器在我国油田已经应用了多年，技术比较成熟。因此，结合当前我国油田的实际情况，自主设计的智能井系统采用直接水力驱动与双点光纤温压测量的光学-液压组合方式。本文采用机械三维设计技术对智能井流量控制阀、穿越式封隔器、穿越式井口进行自主设计，并且结合有限元分析技术得出各部件的结构参数与工作参数。

图1 智能井系统总体组成

1.1 生产流体控制系统

生产流体控制系统是智能井系统的核心部分，主要由流量控制阀与穿越式封隔器组成。穿越式封隔器除了将各产层封隔开，还为液压控制管线与光缆提供穿越通道。流量控制阀主要起到调节产层流体的进入量与均衡油管内压力的作用。

1.1.1 流量控制阀设计 流量控制阀(Inflow Control Valve,ICV)是智能井生产流体控制系统最关键的井下组成部件，与常规滑套不同，并不是采用机械方式开启，而是采用液压驱动方式开启或关闭，因此带有液压推动活塞。活塞运动带动滑套移动开启或关闭流体节流阀套的节流孔，以此来控制产层的进液量。流量控制阀的上缸体上开有2个进液孔，一个是阀开启进液孔，另一个是阀关闭进液孔，并通过1/4英寸NPT接头进行螺纹密封连接。缸体外侧开有扁平缆沟槽，允许外挂2根扁平缆。流量控制阀主要由流体节流阀套、滑套、上下活塞、上下缸体等32个部件组成。其中流体节流阀套是控制流量与均衡压力的关键部件。流量控制阀整体结构组成如图2所示。

图2 流量控制阀结构组成

流量控制阀分为七级节流，全开、全关和5个节流位置(总油管截面面积的0.3%，0.6%，1%，2%，6%),也可以根据产层的实际产量和压降需要设计节流孔的大小，以适应不同的流量控制要求[22]，流量控制阀的主要参数如表1所示。

表1 流量控制阀主要参数

1.1.2 穿越式封隔器设计 穿越式封隔器用来封隔地层，是结合我国封隔器技术自主设计研发的，主要由本体部分、密封部分、锚定部分、坐封部分、锁紧部分、解封部分组成[23-24]。为了保证管线穿越的密封性，穿越式封隔器的本体是一个连续管，且本体上下2个端面上开有均布的6个馈通孔，允许穿越5根液压控制管线和1根光缆。其中5根液压控制管线包括A、B、C 3个层的流量控制阀开启液力控制管线每层各1根，1根公共关闭液压控制管线，1根备用液压控制管线。光缆是用于传输井下光纤压力、温度传感器的测量信号。本体上下2个端面用1/4英寸NPT接头进行冗余密封，使密封性更加牢靠稳定。最大外径采用常规封隔器的外径系列，保证入井过程畅通避免遇卡，双向卡瓦设计使锚定更加稳定，本体的上下2端通过27/8英寸丝扣连接油管。自主设计的穿越式封隔器的主要参数如表2所示，结构见图3。

表2 穿越式封隔器主要参数

图3 穿越式封隔器结构简图

1.2 永久光纤温压测量系统设计

永久式光纤温压测量系统包括A层、B层与C层的双点光纤传感器、Y分支器和传感器托筒等。为减少施工、简化井下系统结构，3个产层的参数测量全部选用双点光纤传感器。

1.2.1 双点光纤温压传感器 双点光纤传感器可以同时测量油管内和环空的压力与温度等2组4个参数，选用双点光纤传感器，则每个产层只需要选用1支双点光纤传感器。较单点温压环空温压测量不但提供了更准确、更方便、更全面的油藏数据，且由于测量了油管内的温压数据可以更容易计算出各产层的流量，双点光纤传感器的材料选用Inconel 825，技术参数见表3。

表3 双点光纤传感器技术参数

1.2.2 双点光纤温压传感器托筒 该传感器托筒采用双点测量结构，可以用来进行油管内、环空温压测量，双点光纤传感器安装固定在托筒上，托筒提供内压和外压入口，为传感器在下井过程中提供机械保护，托筒的上下两端可以通过保护卡子将电缆卡紧，防止光缆在下井过程中与传感器发生转动和相对移动，保证传感器信号传输的安全可靠。该托筒中心管直径88.9 mm，最大外径139 mm，最大长度2.1m，材料选用Inconel 825，耐压60 MPa。自主设计的永久光纤温压测量系统结构如图4所示。

图4 永久光纤温压测量系统

1.3 中央控制室系统设计

中央控制室系统包括：

①永久式井下光纤温压动态监测系统和液压监测系统。

②操作终端计算机2台。用于与光电解调器连接，实时监控井下生产状况，并且采集存储井下测量数据。

③液压控制系统1套。给井下流量控制阀提供液压动力，通过地面的位移指针可以直接读出流量控制阀的移动位置，液压控制系统示意图见图5。

图5 液压控制系统结构简图

1.4 地面设施

地面设施包括人工举升系统和穿越式井口装置。

(1)人工举升系统

由于我国陆上油田的产量都较低，因此，采用抽油泵、抽油杆和抽油机组成的人工举升系统举升原油。

(2)穿越式井口装置设计

穿越式井口装置主要是为5根液压控制管线与1根光缆提供穿越的密封通道[25]，为油井的正常生产提供过流环空，并提供常规采油树安装基础。同常规井口装置比较，穿越井口装置除了带有穿越馈通孔道的穿越油管挂与穿越上连接法兰以外，其他部件及其连接均与常规井口装置一样，法兰之间通过螺栓固定连接。

穿越上连接法兰端面上开有6个螺纹孔，允许连接3/8英寸NPT接头，1/4英寸光缆与液压控制管线完全贯穿穿越上连接法兰。穿越油管挂上一共均布6个馈通孔，其中1个孔允许光缆完全贯穿，另外5个馈通为液压控制管线液体的通道。穿越油管挂设计成上下2个端面冗余NPT接头密封，使密封性更加牢靠稳定。光缆完全贯穿整个穿越油管挂，并通过3/8英寸NPT接头连接在油管挂的上下2个端面进行螺纹密封。液压控制管线在穿越油管挂时，在油管挂的上下2个端面处被打断，并通过1/4英寸NPT接头在油管挂的上下2个端面分别密封连接。自主设计的穿越式井口装置结构如图6所示。

2 智能井系统管柱设计

国外智能井技术往往用于高产油井，这些井的自喷期长，其生产不用举升设备，完井管柱就是生产管柱，不需要修井，智能井管柱可以长期稳定工作。而我国的油藏能量相对较低，自喷期相对短，必须采用人工举升设备采油。我国大多数油田以有杆泵抽油机采油为主，因此，智能井管柱的设计必须考虑与生产管柱结合，所设计的智能井管柱组合示意图见图7。

图7 智能井系统管柱组合示意图

3 结 论

(1)通过机械三维设计技术与有限元分析技术相结合自主优化设计流量控制阀、穿越封隔器等井下工具，具有国外同类产品的功能，且结构简单、稳定性好、成本低。

(2)选用的双点光纤温压传感器较电子温压传感器精度更高、稳定性更好、耐高温高压，使智能井井下管柱结构简单，并且增加了油管内的温压参数测量，更容易计算出各产层的流量参数。

(3)该智能井系统采用直接水力驱动N+1方式即N+1条液压控制管线直接控制N个井下流量控制阀，较国外同类智能井系统具有整体系统结构简单实用、易研发、稳定性强、易施工、好操作等特点，并且整个智能井系统研发完全国产化，与国外同类产品相比成本大大降低。

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责任编辑：田美娥

2014-08-27

国家自然科学基金项目“多层合采智能完井节点优化组合模型研究”(编号:51274165)和“智能井系统设计及生产优化控制模型研究”(编号:U1262105)

王金龙(1984-)，男，博士研究生，主要从事智能井系统技术及其优化控制方面的研究。 E-mail: shuifengzou520@126.com

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