RFID智能滑套设计与试验研究

2019-12-28黎伟，夏杨，陈曦

石油钻探技术 2019年6期

黎伟，夏杨，陈曦

（1. 西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500；2. 石油天然气装备教育部重点实验室（西南石油大学），四川成都 610500）

近年来，随着水平井钻井技术的发展和对低渗透油气藏开发技术研究的不断深入，利用水平井技术可以有效开发低渗透、特低渗透及致密性油气藏。水平井分段压裂在增大油藏接触面积、提高储层动用程度方面具有较大的技术优势，且能更大程度地缩短施工时间、降低开发成本[1-3]。国外智能滑套分段压裂技术已成功进行了现场试验，智能滑套激活成功率达到了86%，并在缩短施工时间和降低成本方面显现出巨大的优势[4-8]。目前，国内对滑套分段压裂技术的研究与应用也日趋增多[9-12]。随着油气田勘探开发技术快速发展，油气开发作业正在向智能化、低成本化和高效化方向发展。为了优化传统压裂技术，基于RFID智能滑套的水平井分段压裂技术及其配套工具RFID智能滑套应运而生。传统压裂技术耗时长，操作复杂，后期需钻铣，重复压裂时需重新下放管柱，不可作为生产管柱使用，导致作业成本高于RFID智能滑套压裂技术[13-14]。据统计，单井压裂成本占总投资的35%，而压裂作业中压裂液费用、压裂工具和技术服务费占压裂作业总费用的58%，改进压裂工具和优化技术方案对降低压裂成本具有显著作用[15-18]。

相对于传统的水平井压裂技术，RFID智能滑套压裂技术可实现分段压裂作业、可选择性压裂作业和重复压裂作业，其配套工具RFID智能滑套还实现了压裂管柱全通径，为完井作业后进行其他相关作业提供了通道，降低了起下管柱的次数和成本。RFID智能滑套压裂管柱后续还可以作为生产管柱。为此，笔者阐述了RFID智能滑套压裂技术原理，通过与传统压裂技术的实施方式进行对比，分析了RFID智能滑套压裂技术的优势；对RFID智能滑套结构进行了设计与分析，结合单元功能试验及室内样机试验，验证了RFID智能滑套单元功能的可行性及整机运作的可靠性。RFID智能滑套可为实现油气开发作业智能化提供技术支持或参考，在改善油田采收率、降低生产成本和提高生产效率等方面具有良好的应用前景。

1 RFID智能滑套压裂技术原理

水平井分段压裂是提高油气井产量的有效措施之一，传统的多级投球分段压裂技术使用封隔器和滑套将水平井分隔为若干层段，压裂施工时依次投入不同直径的阀球，以打开相应的滑套进行压裂，分段压裂完成后返排出阀球。该技术分段压裂级数受限，且流道内通径自上而下逐级减小，压裂完成后需钻铣球座以达到全通径，储层改造开发过程复杂，压裂作业成本较高[19-21]。

RFID智能滑套压裂技术，是将封隔器与RFID智能滑套通过多级串联，组成压裂管柱，将油井分为若干压裂层段，井口投送RFID标签球控制滑套做出相应动作，实现全通径的分段压裂、可选择性压裂和重复压裂等施工作业。其压裂管柱后期不仅可作为生产管柱，还可进行找堵水作业。RFID智能滑套压裂施工流程为[22]：

1）将压裂管柱组装好并下至设计井深，然后井口投球、加压，坐封封隔器，所有滑套均处于关闭状态。

2）地面压裂机组连接压裂管汇，投球器串联在压裂机组与压裂管柱之间，将写入信号的RFID标签球装入投球器内；地面压裂机组发出压力脉冲信号，最底层智能滑套识别该脉冲信号后，滑套开启，开始压裂最底层滑套对应的地层。

3）最底层滑套对应的地层压裂达到施工要求后，调整排量，投球器投入对应RFID标签球，关闭最底层智能滑套，加压一段时间，根据监测压力判断智能滑套是否成功关闭；经过设定延时时长后，开启下一层智能滑套，提高排量，压裂下一层滑套对应的地层。

4）重复步骤3），即可依次压裂剩余层段；完成最顶层压裂后，投入RFID标签球关闭最顶层滑套，此时所有滑套均处于关闭状态。

5）压裂机组发出压力脉冲信号，打开最底层智能滑套，然后投入RFID标签球，打开井下所有其余滑套，开井投产，返出所有RFID标签和多余压裂液。

传统压裂（多级投球压裂滑套）与RFID智能滑套的工作方式对比结果见表1。从表1可以看出，RFID智能滑套压裂技术对提高油气开发效率和降低压裂作业成本具有明显优势。

2 RFID智能滑套结构设计与分析

2.1 RFID智能滑套结构设计

RFID智能滑套由通讯单元、电控单元、电动单元、传动单元和滑套单元等部分组成，其结构如图1所示。

图1 RFID智能滑套结构Fig. 1 Structure of the RFID intelligent sliding sleeve

通讯单元主要由天线及天线接头组成，天线是由一根长的导线绕在非导磁材料的天线内筒上，负责接收RFID标签信息（见图2（a））；电控单元主要由电控板和电池组成，负责分析天线接收到的信息并给电动单元发出相应指令，控制电动单元运动（见图2（b）），其中电动单元主要由电机与丝杠传动轴组成；传动单元的核心为丝杠螺母副，负责将电动单元的旋转运动转换为滑套单元的轴向运动，从而控制滑套单元的开启和关闭（见图2（c））。通讯单元、电控单元和电动单元均处于严格的密封环境中，确保无液体侵入，避免RFID智能滑套的电路系统失效。

图2 RFID智能滑套部分单元功能Fig. 2 Functions of partial units of the RFID intelligent sliding sleeve

2.2 关键部件模拟分析

RFID智能滑套的天线外套筒、电控外套筒和滑套外套筒要求保证智能滑套内部机构的正常工作。为此，运用模拟分析方法，分析和校核了天线外套筒、电控外套筒和滑套外套筒结构强度，为优化初步设计零部件的结构提供参考，缩短设计周期。

2.2.1 天线外套筒

建立天线外套筒三维模型，划分网格并优化网格质量，天线外套筒右端面全约束，另一端施加588 kN拉伸载荷，设定外压为40.0 MPa，计算出天线外套筒的最大应力为452.97 MPa（见图3），而天线外套筒35CrMo材质的屈服强度≥835 MPa，安全系数≥1.84，理论上安全，满足设计要求。

图3 天线外套筒应力分布云图Fig. 3 Stress distribution cloud map on antenna outer sleeve

2.2.2 电控外套筒

建立电控外套筒三维模型，划分网格并优化网格质量，电控外套筒一个端面施加全约束，另一端施加588 kN拉伸载荷，设定外压为40.0 MPa，计算出电控外套筒的最大应力为784.83 MPa（见图4），而其35CrMo材质的屈服强度≥835 MPa，安全系数≥1.06，虽然相对较小，但从图4可以看出，应力较大区域为电控外套筒端部的一小部分，对该部分安装组合部件的影响较小，因此满足设计要求。

2.2.3 滑套外套筒

建立滑套外套筒三维模型，划分网格并优化网格质量，滑套外套筒一个端面施加全约束，另一端施加588 kN拉伸载荷，外压设定为40.0 MPa，计算出滑套外套筒最大应力为590.68 MPa（见图5），而滑套外套筒35CrMo材质的屈服强度≥835 MPa，安全系数≥1.41，部件强度满足设计要求。

图4 电控外套筒应力分布云图Fig. 4 Stress distribution cloud map on the electric control outer sleeve

图5 滑套外套筒应力分布云图Fig. 5 Stress distribution cloud map on the outer sliding sleeve

天线外套筒、电控外套筒和滑套外套筒的强度校核结果表明，其力学性能均满足使用要求。由上述各部件的应力分布云图可知，应力较大部位分布在部件边缘薄壁处，这可为RFID智能滑套关键部件优化设计提供理论参考。

3 单元功能试验及样机室内试验

为了验证各单元功能的可行性，开展了RFID智能滑套单元功能试验。在单元功能试验的基础上，研制出2套RFID智能滑套样机，并进行了样机室内试验。

3.1 单元功能试验

3.1.1 通讯单元

通讯单元主要负责信号接收，为防止信号被屏蔽，天线内套筒为非导磁材料，天线缠绕其上。测试结果表明，天线磁场强度分布较为稳定。当RFID标签球经过天线段时，天线进行信号识别，并将识别的信号传递到电控单元，完成通讯。模拟不同工况，在流体速度0～5 m/s条件下投入RFID标签球，循环多次，天线均能接收到信号，表明RFID通讯可靠，且能满足井下通讯要求。

3.1.2 电控单元与电动单元

电控单元负责将通讯单元接收的信号分析并发送给电动单元，精确控制电机运转方向及圈数，并为电控及电动单元提供电能。试验时，在电机输出轴上作好参考标记，将含有正反转及一定角度的模拟信号直接传输到电控单元，观察电机运转的旋转方向及角度；经过多次单元试验验证并对电控单元控制程序进行改进，最终实现了电控单元精确控制电动单元的功能。

3.1.3 滑套单元

传动单元将电动单元电机转动转化为轴向位移，控制滑套的开启和关闭。滑套层间设有密封圈，阻力较大，电机需克服摩擦阻力并控制滑套完成开启和关闭。试验时，拉力和压力传感器检测滑套单元在开启、关闭过程中所需的轴向作用力，反向计算出电机所需的输出转矩，经过验算电机输出的扭矩满足预设要求，滑套单元能正常工作。

通讯单元、电控单元与电动单元和滑套单元的功能试验结果表明，各单元的功能均能实现，且工作情况良好，验证了各单元的可靠性，同时为整机功能性验证奠定了基础。

3.2 样机室内试验

对研制的RFID智能滑套样机进行了室内加压试验，测试了滑套在高温高压工况下滑套密封和开启关闭的可靠性，并进行了室内投球试验，测试了电机对滑套开度的控制性能。

3.2.1 室内加压试验

RFID智能滑套右侧与带有阀门的液压管线堵头相连，左端接高压泵的液压管线，接通泵的电源，将泵排量调节至最大，向滑套内泵入120 ℃液压油，排出滑套内空气，直到右端液压管线阀门口有连续液体流出，关闭右端液压管线的阀门；调节泵阀门，依次将泵压升至10，30，50和70 MPa，分别稳压1.0 h，观察各个过程中泵压是否下降；测试密封性能后，测试滑套高压载荷下开启和关闭的可靠性，因高压泵的排量较小，难以带动RFID标签球移动，故进行室内试验时借助辅助通讯方式控制滑套的开启和关闭，测试滑套在泵压10，30，50和70 MPa条件下的开启和关闭功能是否正常。

不同泵压下的测试结果见表2。从表2可以看出，滑套在温度120 ℃、压力10～70 MPa条件下密封效果良好，且滑套内部压力越大，滑套从关闭状态到全开启状态的时间越长。

表 2 RFID智能滑套样机加压试验结果Table 2 Pressure test results of prototype of RFID intelligent sliding sleeve

3.2.2 投球试验

从RFID智能滑套上接头端投入1#RFID标签球控制滑套全开，同时开始计时，从滑套孔处观察滑套的运动情况，滑套停止移动时暂停计时，记录全开启时间；1.0 min后，投入2#RFID标签球控制滑套关闭，同时开始计时，从滑套孔处观察滑套运动情况，滑套停止移动时暂停计时，记录关闭时间；1.0 min后，投入3#RFID标签球控制滑套开度达到1/4，同时开始计时，从滑套孔处观察滑套运动情况，滑套停止移动时暂停计时，记录开启1/4开度的时间；再投入2#RFID标签球关闭滑套。重复上述步骤，投入相应标签球，分别测试滑套开启1/2和3/4开度时的启闭情况。试验结果表明，投入标签球后，信号均可被天线接收，通过信号传输接头传递至电控腔室内，控制电机旋转，使滑套达到预设开度。

室内样机试验结果表明，该RFID智能滑套密封性能良好，滑套通讯成功率高，滑套窗口开度连续可调，且开启和关闭功能可靠性好。