陳江燁， 王一良, 侯慶春， 楊 松

(1.常州大學機械工程學院，江蘇常州 213164； 2.中國石油北京石油機械廠，北京 100083；3.中國石油華北油田分公司采油工程研究院，河北任丘 062552)

油井聲控壓差平衡式開關(guān)控制器的研制與試驗

陳江燁1， 王一良2, 侯慶春3， 楊 松3

(1.常州大學機械工程學院，江蘇常州 213164； 2.中國石油北京石油機械廠，北京 100083；3.中國石油華北油田分公司采油工程研究院，河北任丘 062552)

為了克服傳統(tǒng)油井找水工藝中施工復雜、生產(chǎn)周期長、費用高、準確性低等缺點,提高油井找水效率和準確性，研制了油井找堵水聲控壓差平衡式開關(guān)控制器。該開關(guān)控制器采用自適應(yīng)動態(tài)壓力平衡系統(tǒng)，其活塞閥開啟和關(guān)閉時可承受20 MPa壓力差；采用油管傳輸聲波信號的聲波遙控技術(shù)，從地面遙控井下開關(guān)控制器開啟、關(guān)閉，根據(jù)工藝要求進行分層開采或分段開采。室內(nèi)靜壓試驗表明，開關(guān)控制器在125 ℃、50 MPa高溫高壓條件下，穩(wěn)壓30 min，整體設(shè)備無滲漏無變形；耐壓差試驗表明，活塞在承受25 MPa壓差的情況下，壓力平衡裝置可以承受壓差，電機驅(qū)動活塞做上下往復運動，動密封不滲不漏?，F(xiàn)場試驗表明，聲波接收器接收地面指令后，可以控制電機驅(qū)動裝置打開或關(guān)閉開關(guān)閥。試驗結(jié)果表明，該開關(guān)控制器可為油井提高開采效率提供技術(shù)支持。

水平井 開關(guān)控制器 活塞閥 聲波控制 找水

隨著油井規(guī)?；_發(fā)和生產(chǎn)時間的延長，開發(fā)生產(chǎn)中的問題逐漸暴露出來：一是初期產(chǎn)量高，但遞減幅度大，遞減速度快；二是部分油井投產(chǎn)即見水，含水上升快，水淹嚴重。這主要是因為油井鉆完井時僅考慮產(chǎn)能、防砂、油層保護等因素，對分層段的生產(chǎn)控制、產(chǎn)液剖面監(jiān)測、分層段改造和卡堵水缺少考慮[1]，特別是水平井井眼軌跡和流體流動狀態(tài)與直井相比發(fā)生很大變化，原有的直井測調(diào)技術(shù)不能適應(yīng)水平井流量分段測量的需要。目前，油井分層段開采堵水、卡水主要有液力找堵水方法和電控找堵水方法[2-3]，分別配有液控找堵水開關(guān)控制器和井下滑套開關(guān)控制器，這2種方法均不適用于水平井控水穩(wěn)油[4-6]。因此，迫切需要研制一種可控性高、對地層無污染、可減少作業(yè)費用的自主控制井下工具，實現(xiàn)水平井分層段開采；同時在生產(chǎn)過程中可以及時調(diào)整生產(chǎn)層段，以達到控水穩(wěn)油的目的。

筆者針對以上問題，研制了油井聲控壓差平衡式開關(guān)控制器，采用聲波控制技術(shù)，在地面控制井下開關(guān)控制器動作，開關(guān)控制器下到目的層，封隔器根據(jù)地質(zhì)條件將生產(chǎn)井段分為3～4段打壓坐封，動力源帶動電機驅(qū)動裝置使活塞上下運動做“開”或“關(guān)”的動作，完成對水平層段的打開和關(guān)閉，進行分層段開采作業(yè)，找出并關(guān)閉出水層，打開產(chǎn)油層。

1 井下開關(guān)控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 井下開關(guān)控制器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1.1 基本結(jié)構(gòu)

油井聲控壓差平衡式開關(guān)控制器要求可控性高、多級多段控制和分層準確，還可以在生產(chǎn)過程中及時調(diào)整生產(chǎn)層段，以達到控水穩(wěn)油的目的。根據(jù)以上設(shè)計思絡(luò)，從材料和工藝等方面論證與研究后，決定用開關(guān)啟動器控制井下分層開關(guān)，實現(xiàn)井下分層找水。開關(guān)控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了適應(yīng)井下惡劣的工作條件，設(shè)計時充分考慮了高壓密封性、防震抗沖擊性及防砂堵砂卡技術(shù)性能，采用了獨特的自適應(yīng)動態(tài)壓力平衡系統(tǒng)[7]及電子開關(guān)體精密檢測限位技術(shù)，確保儀器長期在井下工作的穩(wěn)定性和可靠性。

井下開關(guān)控制器設(shè)計有進液通道，單層進液孔與進液通道連通，單層進液孔中安裝有活動柱塞體，活動柱塞體與智能控制系統(tǒng)相連接，在智能控制系統(tǒng)中安裝有高溫直流伺服電機、減速器和動態(tài)平衡系統(tǒng)。

其他層位的流體可穿越整個儀器體的內(nèi)部環(huán)形通道流動，不受單層進液孔控制。

1.1.2 工作原理

油井聲控壓差平衡式開關(guān)控制器連同封隔器將生產(chǎn)井段分為3～4層段，地面打壓坐封封隔器，此時活塞閥承受20 MPa的壓差。地面發(fā)射聲波控制信號，通過油管傳輸至井下，井下的信號接收裝置接收聲波信號，通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入到單片機，單片機根據(jù)預制的編碼方案判斷是否為有效信號，然后根據(jù)信號代表的控制信息給控制電路發(fā)送動作指令，動力源驅(qū)動電機帶動活塞做上下往復運動進行“開”或“關(guān)”動作，完成對層段的打開和關(guān)閉，進行分層段生產(chǎn)。地面進行液量和含水的變化情況分析，判斷各分層段的產(chǎn)油、產(chǎn)水情況；判斷清楚各生產(chǎn)層段的地質(zhì)情況后，由地面發(fā)射控制信號，打開產(chǎn)油層段，關(guān)閉主產(chǎn)水層段，進行換層換段生產(chǎn)，實現(xiàn)油井分層段開采作業(yè)。

1.2 技術(shù)指標與特點

1.2.1 主要工作參數(shù)

開關(guān)控制器最高工作壓力30 MPa，最高工作溫度120 ℃，程控開關(guān)可循環(huán)次數(shù)為10次(標準值)， 井下連續(xù)工作時間不小于3個月，外形尺寸為φ88.9 mm×1 220 mm，泵徑大于44.0 mm。

1.2.2 技術(shù)特點

1) 開關(guān)控制器電源正向供電時活塞或閥體關(guān)閉，可以關(guān)閉生產(chǎn)層位;反向供電時，活塞或閥體打開，可以打開生產(chǎn)層位,實現(xiàn)相應(yīng)油層段的生產(chǎn)或封堵。

2) 在油井不停、不動生產(chǎn)管柱的情況下，通過控制井下開關(guān)控制器,實現(xiàn)任意層段找水、堵水調(diào)整和換層生產(chǎn)，也可根據(jù)堵水后的生產(chǎn)情況，反復調(diào)整堵水層段。

3) 封隔器與開關(guān)控制器可多級組合使用,實現(xiàn)多層段找水、堵水作業(yè)。

4) 開關(guān)控制器的由壬接箍連接引線采用航空對接技術(shù)，儀器易拆卸，連線不易纏繞。在井下地層靜壓條件下，開關(guān)控制器可承受20 MPa坐封封隔器壓差，活塞在電機機組驅(qū)動下可做上下往復運動，完成對層位的打開和關(guān)閉。采用了獨特的自適應(yīng)動態(tài)壓力平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以充分適應(yīng)惡劣的井下環(huán)境。

5) 聲波控制對油井井下環(huán)境和介質(zhì)沒有要求[8-9]，利用聲波信號傳導數(shù)字信息，可以實時采集鉆采動態(tài)數(shù)據(jù)，改變了現(xiàn)有的單一井下各層聲波測試回放技術(shù)，是一種高可靠性分段流量控制方法，實現(xiàn)了油井鉆采控制的自動化和智能化。

2 井下開關(guān)控制器管柱工藝設(shè)計

根據(jù)生產(chǎn)要求進行管柱工藝設(shè)計，為了保證井下工藝管柱分層的可靠性和長期有效性[10]，同時考慮生產(chǎn)層位的壓力低于其他層位時，可能會造成封隔器的上壓力大于下壓力[11]，因此選用帶平衡腔、坐封可靠、密封性能好的封隔器[12]。如果進行不丟手作業(yè)，建議采用泵后加伸縮管的方式，減小油管蠕動對封隔器的影響，提高封隔器分層的有效性；同時，為防止由于 “速敏”現(xiàn)象產(chǎn)生的出砂，建議使用沉砂裝置，防止出砂落到封隔器膠筒上。

2.1 工藝原理

井下開關(guān)控制器是由單片機系統(tǒng)控制的受控精密電子開關(guān)體。當井下開關(guān)控制器與分層測試管柱組合下井后，位于各層段的電子開關(guān)體根據(jù)接收到的控制信號自動打開或關(guān)閉該層段的流體通道。

各層段的電子開關(guān)控制器隨測試管柱一次下入井內(nèi)后，測試管柱各封隔器坐封完成油層分隔。當接收到地面發(fā)出的控制信號時，測控儀會自動打開或關(guān)閉某一產(chǎn)油層段，在地面井口計量和取樣，可取得打開或關(guān)閉該層后的產(chǎn)液量和含水率數(shù)據(jù)。該層段測試完成后，地面向井下發(fā)射控制信號，自動打開或關(guān)閉另一層段的開關(guān)控制器，取得新的層段的產(chǎn)液量和含水率數(shù)據(jù)。依次類推，即可先后獲得井下各層段被單獨打開或關(guān)閉的各分層產(chǎn)液量和含水率數(shù)據(jù)。同時，配合無電纜傳輸測試儀，對各分層壓力、溫度測試資料進行綜合分析，完成井下高出水層判斷和層間干擾等的解釋[13]，根據(jù)解釋結(jié)果關(guān)閉高含水層，打開產(chǎn)油層。

2.2 工藝特點

1) 利用一次管柱即可完成分層(分段)測試和分層(分段)生產(chǎn)[14]，能夠準確了解井下各生產(chǎn)層段的實際生產(chǎn)情況，在不需要動管柱的情況下進行換層(段)生產(chǎn)。

2) 傳輸信號采用聲波或電磁波控制，可以實現(xiàn)地面與井下通訊，能夠隨時了解地下的動態(tài)，并作出調(diào)整。

3) 在分層(分段)測試和換層(換段)生產(chǎn)中，不需要泵車、測試車和絞車等設(shè)備，同時不影響油井正常生產(chǎn)，操作簡單，作業(yè)成本低。

4) 對于斜井，尤其是水平井，在無法進行常規(guī)產(chǎn)液剖面測試的情況下[15]，利用該工藝可以提供測試資料和地質(zhì)動態(tài)資料。

3 室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試驗

3.1 室內(nèi)高溫高壓試驗

耐靜壓試驗 將整套儀器組裝后，放入密閉的油管打壓，檢驗開關(guān)控制器的抗壓能力。試驗表明，開關(guān)控制器在耐壓50 MPa條件下，不滲不漏，不發(fā)生形變。

耐壓差試驗 驗證開關(guān)控制器在封隔器坐封或關(guān)閉高壓產(chǎn)液層的耐壓差能力，采用雙級柱塞密封，同時增加動態(tài)平衡功能，關(guān)閉開關(guān)閥，從開關(guān)閥出液口打壓，模擬井下工作狀態(tài)“打開”， 活塞在承受25 MPa的壓差條件下，電機驅(qū)動活塞上下往復運動，工作正常，動密封不滲不漏。

高溫高壓“打開”、“關(guān)閉”試驗 將開關(guān)控制器放入密閉的油浸試驗罐里，在溫度125 ℃、壓力50 MPa條件下，時鐘電路設(shè)置開關(guān)控制器在168 h內(nèi)、每隔2 h進行一次“打開”、“關(guān)閉”的工作狀態(tài)試驗。開關(guān)控制器斷電降溫泄壓后，取出檢查，其靜密封、動密封完好無滲漏，開關(guān)閥無變形，電機驅(qū)動裝置完好，達到設(shè)計技術(shù)指標。

3.2 500 m深模擬井試驗

開關(guān)控制器下入井下50，200和450 m處，通過地面信號控制可以正?！按蜷_”、“關(guān)閉”，試驗數(shù)據(jù)見表1。

模擬井試驗結(jié)果表明：1)無線傳輸聲控井下分層段開采工藝方案設(shè)計合理可行；2)聲波信號可以傳輸?shù)骄?，能夠獨立控制各層開關(guān)控制器；3)井下開關(guān)控制器開關(guān)靈活，滿足現(xiàn)場需要。

3.3 現(xiàn)場試驗

整個試驗系統(tǒng)可靠性得到充分驗證以后，在華北油田X井進行了系統(tǒng)整體的聯(lián)調(diào)試驗。根據(jù)現(xiàn)場試驗井的基本數(shù)據(jù)，開關(guān)控制器下至井深1 257 m處，封隔器坐封后通過套管傳輸?shù)孛婵刂菩盘?，根?jù)地面產(chǎn)量、示功圖等判斷井下開關(guān)控制器的狀態(tài),X井現(xiàn)場工藝管柱如圖2所示。

開關(guān)控制器關(guān)閉后的產(chǎn)液量變化情況見圖3。

現(xiàn)場聯(lián)調(diào)試驗結(jié)果表明：1)聲波信號可以傳到井下2 800 m深處，信噪比能夠滿足實際需要；2)油管可以作為信號傳輸介質(zhì)；3)系統(tǒng)設(shè)計合理，能夠正常工作，整個系統(tǒng)在井深1 257 m處，地面指令關(guān)閉地層正常。

室內(nèi)和現(xiàn)場試驗表明：1)油井聲控壓差平衡式開關(guān)控制器設(shè)計合理可行，開關(guān)靈活，符合現(xiàn)場需要;2)聲波信號可以傳輸?shù)骄?，能夠獨立控制各層開關(guān)控制器，解決了信號傳輸問題;3)開關(guān)控制器整套儀器組裝后，動密封結(jié)構(gòu)、壓差平衡密封結(jié)構(gòu)的密封性能好,機械傳動部件可以正常打開關(guān)閉開關(guān)控制器，開關(guān)控制器打開關(guān)閉自如，符合設(shè)計要求;4)井下開關(guān)控制器采用雙級柱塞結(jié)構(gòu)，并在柱塞的兩側(cè)增加了平衡孔，消除了油套壓力不平衡的影響;5)開關(guān)控制器在現(xiàn)場溫度125 ℃、靜壓40 MPa條件下不滲不漏，活塞閥在承受20 MPa坐封封隔器壓差條件下可正常上下往復運動，能夠順利“打開”或“關(guān)閉”。

4 結(jié) 論

1) 為了實現(xiàn)找卡水、分層開采管柱一體化，研發(fā)了機電一體化的新型油井聲控壓差平衡式開關(guān)控制器。

2) 油井聲控壓差平衡式開關(guān)控制器為油井分層段開采找堵水提供了一種新方法，實現(xiàn)了地面與井下之間的無線信號傳輸及控制，達到油井分層找卡水和換層生產(chǎn)的目的，并可以及時進行調(diào)整。

3) 油井聲控壓差平衡式開關(guān)控制器具有很好的技術(shù)拓寬空間，利用該技術(shù)可遙控井下多種可控工具，實現(xiàn)井下工具的智能化和自動化。

References

[1] 王海靜，薛世峰，仝興華.射孔水平井產(chǎn)液剖面均衡性影響因素分析[J].石油鉆探技術(shù)，2012，40(1):78-82. Wang Haijing，Xue Shifeng，Tong Xinghua.Analysis of factors influencing the production profile equilibrium for perforated horizontal wells[J].Petroleum Drilling Techniques，2012，40(1):78-82.

[2] 趙勇，楊海波，何蘇榮.勝利低滲油田水平井篩管分段控流完井技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2012，40(3):18-22. Zhao Yong，Yang Haibo，He Surong.Well completion technique with screen pipe controlling flow by segments in horizontal well of low permeability resevoirs in Shengli Oilfield[J].Petroleum Drilling Techniques，2012，40(3):18-22.

[3] 慕立俊，朱洪征，呂億明，等.低產(chǎn)液量水平井找堵水管柱的設(shè)計與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(1):91-94. Mu Lijun，Zhu Hongzheng，Lü Yiming，et al.Design and application of water detecting and plugging pipe string for low production horizontal wells[J].Petroleum Drilling Techniques，2014，42(1):91-94.

[4] 熊友明，劉理明，張林，等.我國水平井完井技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展建議[J].石油鉆探技術(shù)，2012，40(1):1-6. Xiong Youming，Liu Liming，Zhang Lin，et al.Present status and development comments on horizontal well completion techniques in China[J].Petroleum Drilling Techniques，2012，40(1):1-6.

[5] 韓福彬，李瑞營，李國華，等.慶深氣田致密砂礫巖氣藏小井眼水平井鉆井技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41(5):56-61. Han Fubin，Li Ruiying，Li Guohua，et al.Horizontal slim-hole drilling technology for deep tight glutenite gas reservoir in Qingshen Gas Field[J].Petroleum Drilling Techniques，2013，41(5)：56-61.

[6] 劉猛，董本京，張友義.水平井分段完井技術(shù)及完井管柱方案[J].石油礦場機械，2011,40(1):28-32. Liu Meng,Dong Benjing,Zhang Youyi.Segregated completion technology and completion string for horizontal well[J].Oil Field Equipment，2011， 40(1):28-32.

[7] 趙靜.吉林油田低滲油藏水平井開發(fā)技術(shù)[J].石油勘探與開發(fā)，2011，38(5):594-599. Zhao Jing.Development techniques of horizontal wells in low permeability reservoirs,Jilin Oilfield[J].Petroleum Exploration and Development，2011，38(5):594-599.

[8] 李傳亮.油藏工程原理[M].北京: 石油工業(yè)出版社，2010:426-428. Li Chuanliang.The principles of reservoir engineering[M].Beijing：Petroleum Industry Press,2010: 426-428.

[9] 步玉環(huán)，沈兆超，王銀東，等.固井第一界面微環(huán)隙對聲波傳播規(guī)律的影響[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(1):37-40. Bu Yuhuan，Shen Zhaochao，Wang Yindong，et al.Effect of microannulus on sonic wave propagation at first cementing interface[J].Petroleum Drilling Techniques，2014，42(1):37-40.

[10] 韓志勇.關(guān)于內(nèi)外壓力對油井管柱穩(wěn)定性影響問題的再討論[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(4):14-20. Han Zhiyong.Re-discussion on effects of internal and external pressures on stability of pipe string in oil wells[J].Petroleum Drilling Techniques，2014，42(4):14-20

[11] 周俊昌，付英軍，朱榮東.深水鉆井送入管柱技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(6):1-7. Zhou Junchang，F(xiàn)u Yingjun，Zhu Rongdong.Design method and development trend of landing strings in deepwater drilling[J].Petroleum Drilling Techniques，2014，42(6):1-7.

[12] 艾池，于法浩，馮福平，等.帶封隔器的油套合壓管柱油管臨界排量計算[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(1):81-85. Ai Chi，Yu Fahao，F(xiàn)eng Fuping，et al.Calculation of tubing critical pump rate while fricturing by both tubing and casing with packers[J].Petroleum Drilling Techniques，2014，42(1):81-85.

[13] 魯新便,蔡忠賢.縫洞型碳酸鹽巖油藏古巖溶系統(tǒng)與油氣開發(fā):以塔河碳酸鹽巖溶洞型油藏為例[J].石油與天然氣地質(zhì),2010，31(1): 22-27. Lu Xinbian,Cai Zhongxian.A study of the paleo-cavern system infractured-vuggy carbonate reservoirs and oil/gas development: taking the reservoirs in Tahe Oilfield as an example[J].Oil & Gas Geology，2010，31(1): 22-27.

[14] 解宇寧，周曉宇.微環(huán)隙對聲幅測井影響的定量計算及校正[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41(1):45-50. Xie Yuning，Zhou Xiaoyu.Quantitative calculation and correction of the influence of microannulus on acoustic amplitude log[J].Petroleum Drilling Techniques，2013，41(1):45-50.

[15] 詹鴻運，劉志斌，程智遠，等.水平井分段壓裂裸眼封隔器的研究與應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2011，33(1):123-125. Zhan Hongyun，Liu Zhibin，Cheng Zhiyuan，et al.Research on open hole packer of staged fracturing technique in horizontal wells and its application[J].Oil Drilling & Production Technology,2011，33(1):123-125.

[編輯 滕春鳴]

Acoustically-Controlled Oil Well Pressure Switch Development and Testing

Chen Jiangye1, Wang Yiliang2, Hou Qingchun3, Yang Song3

(1.SchoolofMechanicalEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou,Jiangsu，213164,China; 2.CNPCBeijingPetroleumMachineryCo.,Ltd.,Beijing, 100083,China; 3.OilProductionTechnologyResearchInstitute,PetroChinaHuabeiOilfieldCompany,Renqiu,Hebei，062552,China)

Conventional techniques for detecting in oil wells have been disadvantageous due to their complex process, long production period, high cost and low accuracy. In order to enhance the efficiency and accuracy of the techniques used for water detection and plugging, an acoustic controlled pressure-balance switch has been developed.With an adaptive dynamic pressure balance system, piston valves in the switch can endure differential pressure up to 20 MPa during opening and closing processes.By means of remote acoustic controlled technique that transmits acoustic signals through tubing, the down-hole switch can be controlled remotely on the ground to facilitate production in different layers (in vertical wells) or in different intervals (in horizontal wells) according to operational requirements. Laboratory static pressure testing shows that the switch can withstand high temperature up to 125 ℃ and high pressure up to 50 MPa for 30 min with no leak or deformation.Differential pressure tests show that pressure balancing device can resist the differential pressure up to 25 MPa on the piston. Moreover, the electric motor can drive the piston to move reciprocally with no leak or seepage in dynamic sealing. Field tests show that valves can be opened or closed by the electric driving mechanism upon reception of instructions transmitted by acoustic waves from the ground by the receiver. It is considered that the switch can provide reliable technical support for enhancing recovery in the oil well.

horizontal well;switch;piston valve;acoustic control;water locating

2014-06-30；改回日期：2015-04-19。

陳江燁(1977—)，女，江蘇常州人，1999年畢業(yè)于南京師范大學應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)，2012年獲南京理工大學計算機科學專業(yè)碩士學位，講師，現(xiàn)從事鉆井機械新工藝、新技術(shù)及無線傳輸控制研究工作。

?鉆采機械?

10.11911/syztjs.201504024

TE358+.3

A

1001-0890(2015)04-0133-05

聯(lián)系方式：(0519)83290264，catonbaby@qq.com。