智能完井技术地面控制系统研究

李瑞丰，张亮，刘景超，杨建义

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

0 引言

油田开发过程就是油藏和油井的生产管理过程，其主要目标是最大限度地提高产量和采收率。智能完井技术是采集井下温度、压力及流量等参数，监测产层生产动态，根据油井生产情况，通过地面控制系统对目标层位滑套开度进行智能调节，实现油井的稳产，从而使测量更精确，油井管理更科学。

目前，智能完井技术因其数字化、智能化的特点得到国内外的广泛关注，特别在稳油控水、实时监测、智能调节生产动态等方面优势明显，可实现科学地管理油井、提高采收率、经济开发油田的目标[1]。智能完井关键技术包含地面控制系统、井下数据采集及传输技术、井下生产流体控制技术等[2]。地面控制系统作为智能完井技术的控制中心，既要给井下液控滑套提供驱动动力，又要通过液控管线中液压油的压力及管线中的进油量、回油量数据采集、分析处理，对液控滑套的运动情况进行反馈，实现对液控滑套精准控制。

1 地面控制系统介绍

地面控制系统（Ground Control System，GCS）主要包括地面液压控制单元和地面操作控制站，框架图如图1所示。地面控制系统主要是对液控滑套的驱动与精准控制及对井下实时数据的处理[3]。

图1 地面控制系统框架图

地面液压控制单元需要特别考虑长距离的液压传输压力损失影响、液控滑套的动作时间及液控滑套的位置反馈等。地面操作控制站对采集的井下温度、压力及流量数据进行分析处理，生成实时曲线，可形象直观地反映井下状况，并与油藏开采方案对比，为开采方案优化或生产方案调整提供数据支持[4]。

2 地面控制系统现状

国内在智能完井领域的研究还处于起步阶段，目前关于智能完井系统的研究仅限于理论研究和技术引进层面，还未形成商业化产品。地面控制系统作为智能完井技术的三大关键技术之一，其设计及研究能决定整套系统是否达到预期目的。

国外多家技术服务公司如Well Dynamics公司、Baker Oil Tools公司和Schlumberger公司等，已经形成了较为成熟的智能完井技术，并获得大量的现场应用[5]。地面控制系统对比如表1所示。

表1 地面控制系统对比表

通过对比分析，斯伦贝谢、哈里伯顿和贝克休斯的地面控制系统各有特点，也有需要提升的部分。斯伦贝谢的地面液压控制单元适用区域有一定的局限性。哈里伯顿和贝克休斯的地面控制器只能就地手动操作，对使用人员要求较高，现场使用有一定的局限性。哈里伯顿和贝克休斯的地面控制系统只能就地手动控制模式，在系统扩展上有一定的难度。

为满足现场需求，提出一种集成直接液力驱动和数字解码驱动两种模式的地面控制系统方案。系统采用先导控制模式，由低压控制高压，可在上位机实现远程控制调节液控滑套开度。在紧急情况下，就地和上位机都能关闭系统，使设备处于安全状态。

3 地面控制系统设计

3.1 系统设计依据

地面控制系统的直接控制对象为井下液控滑套，根据滑套开度调节过程中的压力变化，设计控制系统相关参数。液控滑套运动及压力变化曲线图如图2所示。其中，滑套在开启时的压力约为10.3 MPa，经过不同开度位置时的压力为7～8 MPa。

图2 液控滑套运动及压力变化曲线图

3.2 地面控制系统详细设计

3.2.1 模块化设计思想

本次设计的地面控制系统需要满足直接液力驱动和数字解码驱动两种模式的要求，考虑到系统设计和维护方便，同时提高系统功能的可扩展性，地面控制系统采用模块化设计思想。液控滑套的液压驱动是共用的，针对数字信号输出设置了单独的液压调节回路。选择数字解码驱动模式时，只需打开数字信号的调压回路即可。

3.2.2 地面控制系统的驱动压力

液体在管道中流动时克服由黏性而产生的摩擦阻力及液体质点碰撞所消耗的能量，称为能量损失。这种能量损失表现为压力损失。压力损失ΔP分为沿程压力损失ΔPλ和局部压力损失ΔPξ两类。总压力损失为所有的沿程压力损失和所有的局部压力损失之和，即

据研究，在长距离的液压传递过程中，压力损失主要体现为沿程压力损失，局部压力损失占比很小，可以忽略不计。

考虑到在液控滑套动作过程中，液压管线中有较大压力损失，地面控制系统的输出压力为液控滑套的临界运行压力P临界和压力损失ΣΔP之和，即

液压控制管线的内径较小（3.048 mm），管线内壁非常光滑，且在进油过程中液压油流速较小。可认为液压油在液控管线中的流动近似层流。对于层流，非等温时的不锈钢液压管线，λ≈75/Re，液压油的雷诺系数Re=ρυd/μ，其中μ为液压油黏度。

液压油在管线中流动的压力损失可由达西公式估算[7]：

式中：λ为管路的沿程阻力系数；l为管路的长度，m；d为管路的直径，m；ρ为液压油的密度，kg/m3；v为液体的平均流速，即为平均进油量与管线截面积之比（v=Q/A），m/s。

由此可以判定，当选用液压油、管线类型和长度确定后，压力损失只和进油量有关。当进油量增大时，管线的压力损失也相应增大。可按照井下液控滑套要求的运动时间和最大进油量，计算出平均进油量，最终可以计算出地面液压控制系统的最大输出压力[8]。按照设计数据计算：

假定井下液控滑套执行最大容积为410 mL，若要求在30 min内完成动作，则平均注入速度为13.7 mL/min，计算压力损失为43.7 MPa。井下液控滑套驱动压力为10.3 MPa，则地面液压单元需要输出压力为54 MPa。本次地面控制系统中选用的是柱塞泵，考虑到液压泵的效率及使用周期，系统的压力应为液压泵输出压力的0.7～0.8倍，所以选择液压泵的最大输出压力为69 MPa，即地面控制系统的最大输出压力为69 MPa。

3.2.3 井下滑套的液压传递

按照地面控制系统的最大输出压力69 MPa，进行了模拟分析，在井下滑套阀不动作的情况下，液压传递如图3所示。

图3 井下滑套的液压传递

从地面控制系统对管线开始打压至达到井下滑套阀驱动压力10.3 MPa，需要6 min时间。实际上井下液控滑套在液压驱动下开始做滑行运动，直至运动到位，压力迅速上升。运动轨迹如图2所示。滑套阀在滑行中，引起压力损失，系统又迅速补压（时间极短）。简化运动模型，可假定井下滑套一直在压力10.3 MPa下推动，且可看做均速。则系统的压力损失为58.7 MPa，按照公式（4）计算平均流量为18.4 mL/min，则执行最大容积410 mL所需要的时间为22 min。综上，按照最大输出压力69 MPa，井下滑套阀执行最大容积所需的时间约为28 min。理论公式计算时间和模拟计算时间基本一致。

3.2.4 控制方式设计

井下液控滑套作为井下执行机构需要液压驱动，本次设计的液控滑套需要正反运动两次才能完成动作。在系统第一次启动时，需要确认现场情况，本地和远程上位机共同开启，系统投入运行后，液控滑套的控制只需在上位机操作即可。在紧急情况下，就地和中控均可单独关闭井下液控滑套。电磁阀是用电信号控制液信号，用于上位机远程控制液控滑套，手拉阀作为应急就地控制液控滑套的关闭，既能保证现场设施安全，又能保证设备安全使用。

为降低现场操作的风险，地面控制系统对驱动压力的控制采用先导控制模式。系统选用的高压先导阀即两位三通常闭型控制阀，其控制原理如图4 所示。当先导端PIOLT无控制压力时，先导阀的出口OUT与泄放口EX导通，当先导端PIOLT有控制压力时，先导阀的进口IN与出口OUT导通。先导端的控制压力为低压，这样就实现了以低压控制高压。

图4 高压先导阀控制原理图

3.2.5 井下液控滑套的精准定位

井下液控滑套具有开启、关闭或者局部开启位置状态，其位置决定了进油口的面积，是决定油井生产层流量的重要参数，因此滑套的位置精确定位至关重要[9]。关于液控滑套的位置目前主流有两种反馈方式，一种是通过在地面监测液压管线的回油量来确定阀门的位移量，另一种是在井下安装位移传感器来监测阀门位移量。本次地面控制系统设计采用监测流量的策略，通过高压高精度流量计对井下滑套阀所需流量进行计量，同时对供油管线中的瞬时流量进行监测。回油管线中高精度流量计对管线中的回油量进行计量，同时对瞬时流量进行监测。地面控制系统上位机通过数据采集系统对系统中的供油流量计信号、回油流量计信号、电磁阀信号、压力变送器信号进行采集、记录和分析。对井下滑套阀的判定依据有：供油流量计瞬时流量基本为零；累计供油流量与动作容积相等；回油流量计瞬时流量基本为零；累计回油流量与动作容积相等。在试验数据的支持下，供油回路中的压力信号及作用时间也可作为判定滑套阀状态的辅助条件。

3.2.6 与数字解码驱动的融合

直接液力驱动模式为3根管线控制2个滑套，2个滑套用2根管线分别实现单独开启，共同使用1根管线回油，其中回油管线也可供油，用于滑套的反向打压，直接液力驱动模式实现2个滑套阀分别开启，同时关闭。

数字解码驱动模式需要输出高压驱动液压和信号液压。高压驱动液压用于驱动滑套阀，信号液压用于选择层位，井下液压解码器根据液压信号指令选择和引导高压动力液进入目的层的滑套，实现对滑套阀的控制[10]。

数字解码驱动模式分两步执行，先选择需要操作的目标层位，然后将高压动力液引向目标层位控制滑套动作。第一步输出信号液压，先是第一条管线开始打压，如5 MPa，待井底压力建立之后，保持压力。接着第二条管线打压，如5 MPa，待井底压力建立之后，保持压力。井下数字解码器收到信号液压后，打开对应生产层的滑套，或者对应的滑套开度。第二步输出驱动液压，在第1条管线或第2条管线输出驱动液压，直到打开滑套。第3条管线根据需要进行打压或回油。

3.2.7 地面控制系统整体框图

兼容直接液力驱动和数字解码驱动两种模式的地面控制系统整体框图如图5所示。

图5 地面控制系统流程图

4 地面操作控制站

地面操作控制站主要用于数据接收分析、处理和反馈，根据开采方案远程控制井下滑套，主要由计算机、上位机数据接收处理软件、液压系统远程控制软件和报表打印机组成。由于井下复杂的物理环境及井深度，其技术难点在于数据的准确性、可靠性和实时性。根据目前初步方案的参数，编写了地面操作控制站上位机的人机界面（功能测试版）。

初步方案的参数如下：1）液压油箱的高度为400 mm，液压油液面低于150 mm中控报警；2）地面控制系统的最大输出压力为69 MPa；3）控制回路最大压力为1.03 MPa；4）进油、回油管线中的最大流速为13.7 mL/min。

地面操作控制站（功能测试版）操作界面如图6所示。地面操作与控制系统硬件（模拟调试）如图7所示。

图6 地面操作控制系统操作界面

图7 地面操作与控制系统硬件（模拟调试）

5 结语

地面控制系统作为智能完井技术的控制中心，集远程控制液控滑套、实时监测生产层动态、实时数据处理分析于一体，实现油井整个生命周期开采数据的完整记录，提高了油藏管理水平。地面操作控制站的主要任务是对井下生产数据实时处理和反馈，同时还对井下大数据分析处理，优化开采方案及实时闭环生产闭环管理，为建设智能生产油田提供数据支持。根据决策的优化开采方案，使油井的开采按照最优的方案实施，实现对油井全生命周期管理，最终提高油气采收率。