海上油田井下液控解码技术

杨万有 薛德栋 张磊 沙吉乐 张凤辉 马喜超

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司

海上油田开发以大斜度井、水平井为主，层数多、层间压力差异大，导致开发层段层间矛盾大，需要对开采层位进行有效的控制。井下流量调节系统主要有液压、电力、电液复合控制等，其中液压驱动由于其耐高温、扭矩大、可靠性高的优点，在国内外应用广泛［1-5］。国外的Welldynamics 公司Smart-Well 智能完井系统，Halliburton 公司HS-ICV、LVICV、MCC-ICV 等系列的井下流量控制阀，以及Schlumberger 公司的IntelliZone Compact 智能完井系统均采用液压控制方式［6-9］。

井下液压控制阀具有动作可靠，动作力大，不易垢卡等特点，但大部分液控滑套均需要2 条液控管线进行开关调节控制，当井下层位过多时，会导致井下管线数量过多，工艺可行性受限。国内外对此进行了大量的研究，并提出了直接液压控制、微型液压控制及数字液力控制等方式。直接液压控制方式每层液控滑套分别采用1 条打开管线，多层滑套共用1 条关闭管线，即用n+1 条管线实现了井下n个层位的控制；微型液压控制方式通过优化控制方式，将滑套返出液直接排入环空，利用n条管线实现了井下n个层位的控制；数字液力控制通过井下编码技术，利用不同管线的组合，利用n条液压管线实现了n×(n-1)层的控制。液控井下解码技术为液压智能完井控制技术的核心［10-13］。

1 液控井下解码技术

液压控制技术能够对井下多个层位进行有效的控制，适用于海上油田开发，液控分层控制管柱结构如图1 所示。以6 层生产井为例，每1 个生产层位中分别下入1 套解码装置和液控滑套，解码装置用于识别地面液压信号，引导液控滑套动作，液控滑套用于井下产液的调整。通过解码器和液控滑套，可以通过3 条液控管线特定的压力顺序，实现井下6 层液控滑套的分层调节。

图 1 液控分层管柱结构Fig. 1 Schematic structure of separate-layer hydraulic control string

解码装置、液控滑套与液控管线连接顺序如图2所示，解码器的3 个压力控制口分别与3 条主控制管线连接，连接顺序如表1 所示。解码器出口与液控滑套连接，解码后将主管线压力液引导至液控滑套处，实现液控滑套的动作。利用井下液控解码装置，实现了3 条管线对6 层液控滑套的控制，提高了液控工艺的适应性。

表 1 井下液控解码器连接顺序Table 1 Connection order of downhole hydraulic control decoder

图 2 井下液压系统连接顺序Fig. 2 Connection order of downhole hydraulic system

2 井下液控解码器设计

2.1 解码器结构设计

作为液控智能工艺的核心部件，解码器需要完成2 部分功能，首先能够对不同的液压信号进行解析，根据不同的液压信号进行不同的响应，实现层位的解码；其次能够实现主液压通路导通功能，在解码器打开后能够将液压控制管路与井下液控滑套连接，完成液压信号对井下液控滑套的控制。解码器结构如图3 所示，a~h 为内部管线连接孔。

图 3 解码器打开状态Fig. 3 Open state of decoder

如图3 所示，解码器主要由上下接头，上下阀体，阀芯，滑阀，复位弹簧及解码用的阀控锁球，阀控锁芯组成；其中阀控锁球，阀控锁芯组合用于解码器的解码，阀芯、阀体、滑阀组合实现主通路液压油的引导。解码器主体为滑阀结构，左侧为解码部分，通过不同管线的不同压力，识别并引导阀芯动作，从而推动滑阀运动。右侧滑阀为动力液引导部分，在关闭状态下，将主液压通道与滑套隔离，在打开状态下将主液压通道动力液引导至液控滑套内，实现滑套的控制。

2.2 解码器解码开启原理

图4 所示为层位1 解码器与主液控管线连接方式。解码器内部管线连接顺序为a 孔和d 孔内部连接，对应解码器1 口；b 孔和e 孔在解码器内部连接，对应解码器2 口；c 孔和f 孔内部连接，对应解码器辅助口。外部解码器1 口与管线1 连接，解码器2 口与管线2 连接，解码器辅助口与管线3 连接，解码器g 孔和h 孔分别连接液控滑套的进出液孔。其中解码器1 口和解码器2 口组合，实现液压解码功能。由于液控管线静液柱的压力影响，解码器下井前，每个解码器a 口应覆盖一个爆破片，爆破片破坏压力应大于安装位置的液柱压力。

图 4 解码器关闭状态下内部液压系统Fig. 4 Internal hydraulic system in the closed state of decoder

解码器解码动作步骤：(1)图4 为解码器的关闭状态，首先对管线1 升压5 MPa， a 孔处压力升高，此时高压液推动阀控锁套4 向右移动，阀控锁套移动到位后其锁球槽位置与锁球中心线处于一条直线。d 孔处滑阀关闭，阀芯不动作。(2)动作1 完成后，对管线2 通入1 MPa 压力液，b 孔压力升高，阀芯7 有向右移动的趋势，此时阀芯7 将阀控锁球3 向上推动，将阀控锁球3 推至阀控锁套4 的锁球槽内，实现阀芯7 的解锁，从而推动阀芯7 带动滑阀9 克服下端复位弹簧10 的作用力向右移动，实现整体解锁。(3) 解锁完成后解码器状态如图3 所示。此时d 孔和g 孔的导通， e 孔和h 孔导通。此时液控管线1 通过解码器与液控滑套的进液孔连接，液控管线2 通过解码器与液控滑套的回液孔连接，从而通过管线1,2 的压力控制，实现了液控滑套的调整。

2 级打开压力梯度的设置，保障了解码器打开时层间互不干扰，单层的动作不会对其余层位的解码器状态产生影响，从而保证层间的互不干扰。以该层为例，打开时需要首先对管线1 施加5 MPa压力，此时4 层和6 层解码器辅助口接入管线1,该口压力为5 MPa，将4 层和6 层解码器推至全关状态，3 层解码器中2 口与管线1 连接，此时2 口压力升高导致阀芯7 带动阀控锁球3 向右做微小运动，从而将锁球在上接头1 的球孔处锁死。此后管线2 施加1 MPa 压力，此时2 层和5 层解码器辅助口为1 MPa 高压状态，该两层解码器处于完全关闭状态， 2 层解码器1 口压力升高，阀控锁套4 向右运动，但此时阀控锁球处于锁紧状态，阀控锁球3 无法向上运动，继续对阀芯7 进行锁紧，从而无法实现阀芯的解锁。即通过特定的压力顺序，只有1 层解码器能够顺利打开，其余层位均处于关闭状态。利用排列组合的原理，通过表1 的接入顺序及特定的压力序列，通过3 条管线可以实现井下6 个层位解码器的打开和关闭，层间均可以实现互不干扰。

表 2 井下液控解码器主要技术参数Table 2 Main technical parameters of downhole hydraulic control decoder

2.3 解码器解码关闭原理

液控滑套调整完成后，需要对解码器进行关闭操作，防止由于管线压力波动造成井下液控滑套的误动作，其解码关闭动作步骤为：(1)首先对液控管线2 泄压，解码器2 口压力下降，阀芯7 和滑阀9 在复位弹簧10 的作用下，向左移动，移动到位后，阀控锁球3 靠重力归位，实现对中心阀芯锁套的锁定。(2)卸掉管线1 压力，阀控锁套4 在上端复位弹簧5 作用下，向左移动，完成锁球的锁定，防止锁球动作造成的阀芯误动作。(3)管线3 打压2 MPa，辅助口压力升高，可以推动阀芯6 归位，保障解码器关闭动作稳定可靠。

2.4 主要技术参数及技术特点

井下液控解码器利用3 条管线实现了井下6 个层位的控制，该工具的应用减少了多层液压控制智能完井中井下液控管线的数量，提升了工艺的适用性，从而提高了液控智能完井效率。对井下液控解码器样机进行试制，其主要技术参数如表2 所示。其技术特点为：(1)通过液压解码技术，利用3 条液控管线实现了井下6 个层位液控滑套的分层控制和调节，减少了液控管线数量，提高了液控智能完井工艺适用性；(2)通过2 级压力控制，实现解码器的解锁和关闭，保证层间互不干扰，保障工具解码可靠性和稳定性；(3)工具最大外径为116 mm，满足海上油田大部分Ø120.65 mm 管柱防砂完井需求，为工艺推广奠定基础。

3 井下液控解码器实验

利用解码器功能实验平台进行验证，实验平台布置如图5 所示。利用地面液压控制站分别为3 条液控管线提供动力，在控制站和解码器之间分别加入3 000 m 液控管线模拟井下液控管线摩阻情况，管线前后端分别加入压力变送器监测管线压力［14］，3 条管线尾端接入解码器，解码器出口与液控滑套连接，进行液控滑套的控制。

图 5 解码器功能实验Fig. 5 Function experiment of decoder

3.1 功能验证实验

按照表1 中解码器1 的管线连接顺序，将解码器和液控管线进行连接。首先对第1 条液控管线施加5 MPa 先导压力，压力变送器2 压力升高到5 MPa稳定后，管线2 施加1 MPa 压力，压力变送器4 压力缓慢升高，解码器1 解码功能实现，解码器打开完成。此时解码器h 口输出高压，g 口输出低压，从而滑套活塞向左移动，通过液控滑套内长短轨道槽、复位弹簧共同作用，实现液控滑套上产液孔的开闭控制。调节完成后，管线2 泄压，压力变送器4 压力为0 后，对管线1 泄压，解码器关闭，对管线3 打压2 MPa，辅助解码器进行关闭，解码器解码关闭功能完成。通过解码器功能实验表明，解码器打开、关闭功能正常，能够通过预定的指令完成对井下滑套的控制。

3.2 互不干扰实验

为验证解码器功能稳定性，对其进行互不干扰实验，分别对3 条液控管线通入不同压力序列的液压油，验证解码器在不同压力序列下打开及关闭情况，同时观察液控滑套状态，管线压力实验顺序如表3 所示。实验表明，单层解码器在指定的压力序列下会按照预定程序打开，在其余压力序列下，均保持关闭状态，液控滑套无动作。即在指定的管线接入顺序下，解码器只能在指定的压力序列下打开，保证层间互不干扰。

表 3 3 条液控管线通入不同压力序列实验表Table 3 Experiment data of 3 hydraulic control pipelines with different pressure sequences

3.3 管线压力响应时间实验

液控管线长度和直径，对油压传递时间有直接影响，对此进行了室内实验。

室内常温20 ℃条件下，采用壳牌得力士22 号液压油，液控管线直径6.35 mm，长度为3 000 m，对液控管线首尾两端的压力变送器压力进行监测。首先对管线1 通入5 MPa 液压油，打开尾端管线开关瞬间，管线前端压力有瞬间下降的过程，后逐步稳定在5 MPa 左右，管线后端压力缓慢上升，在240 s后，管线前后压力基本保持一致。压力稳定后在地面液压站处对管线前端进行泄压，管线前端压力迅速降低为0，管线后端压力缓慢下降，在470 s 左右基本降为0。压力传导响应时间如图6 所示。

图 6 3 000 m 管线5 MPa 压力响应时间曲线Fig. 6 Response time of 3 000 m pipeline to the pressure of 5 MPa

实验结果表明，在20 ℃条件下，采用壳牌得力士22 号液压油，在3 000 m 长，直径6.35 mm 液控管线中，5 MPa 液压油传导至末端时间约为240 s，泄压时间约为230 s。该数据为井下液控滑套的控制提供了实验基础。

4 结论

(1)研制的解码器能够对不同的液压信号进行解读，根据不同的液压信号进行不同的响应，并完成液压控制液的引导和液压信号对井下液控滑套的控制，实现了利用3 条液控管线进行井下6 个层位的精细调节，满足了分层精细化开采的需求。

(2)实验表明单层解码器在指定的压力序列下会按照预定程序打开，在其余压力序列下，均保持关闭状态，液控滑套无动作，在指定的管线接入顺序下，解码器只能在指定的压力序列下打开，保证层间互不干扰。

(3)在20 ℃条件下，采用壳牌得力士22 号液压油，在长3 000 m、直径6.35 mm 液控管线中，5 MPa液压油传导至末端时间约为240 s。该数据为井下液控滑套的控制提供了实验基础。