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新一代电液一体化智能完井系统

新一代电液一体化智能完井系统

相比于传统的电子控制系统和液压动力控制系统而言,新一代电液一体化智能完井系统具备快速操作、可靠性高等优点。使用该系统,完井作业增加了单井的井下产层数量,同时降低了阀门操作时间,提升效率。

来自 | Saudi Aramco
编译 | 袁建波

井下回流控制阀门(ICVs)和永久式的传感器是智能完井的重要组成部分。最初阶段的智能完井系统更多依靠电力技术,众多的井下阀门需要通过一条来自地面的电缆来实现工作。这类完井系统靠井下马达或者液压泵来产生动力源。

随后,通过使用高压液压油从地面泵入控制管线,实现了用简单电磁阀来代替原有动力源,井下电力控制系统被逐渐简化,简化后的集成系统通过井下电磁阀来选择需要进行工作的阀门。

无论是电动还是电动液压控制阀门,都具备反应速度快、反应灵敏的特点。然而不幸的是,这种系统中所使用的电缆、连接头以及电路元件等,容易受到水的侵入而造成电力故障。这也导致此类电动阀门在恶劣的井下环境中的可靠性大大降低,另外其高昂的成本也是行业慢慢放弃使用电力控制系统的另一个重要原因。

因此,整个行业开始从电动系统向液动系统转变,选择从地面向很小的控制管线泵入高压液压油来控制阀门工作。这是基于液压控制井下安全阀和机械旁通阀的经验而推出的可靠性更高的液动控制智能完井系统。这种系统出了具有较高的可靠性之外,其成本也比电动阀门低很多。因此在很长一段时间里,液动控制阀门在智能完井系统里都占据着主要地位。目前,大约有1000口井都采用了液动控制智能完井技术。

相对于电子控制系统而言,液压动力系统具备较高的可靠性和经济性,同时自然也存在一些不可忽略的缺点。比如,液压动力控制井下工具阀门所需的时间较长,且对所控制阀门的数量也有一定限制。对于复杂井下流体测量和导向系统而言,有时操作单一阀门就需要几个小时。

以上因素的制约,增加了安装智能完井系统的额外钻机时间。本就高昂的钻机成本,再加上这些额外时间,这就严重制约了智能完井的经济性。同时,井下阀门较长的工作时间也在一定程度上限制了在生产时的作业频率。

液压动力控制完井系统需要一条特制的液压控制管线来操作不同的井下阀门。由于多条控制管线的操作限制、有限的井口和封隔器连接孔的限制,单井最多阀门数量仅为5个。那么如果需要钻穿8个产层的话,就只能通过这5个井下阀门来进行完井。

由于这一限制,每个产层就不得不与邻近产层共同使用同一阀门。剩余的天然气和水侵入某一产层时,则需要关闭相应阀门,这样可以降低从邻近层位的流体侵入(两个层位通过一个阀门进行生产)。目前,新一代的技术正在发展中,通过使用同样数量的控制管线来增加更多的井下阀门。

新一代电液一体化智能完井系统

正如之前所介绍的一样,电动控制的智能完井系统具有一定的优势,比如快速开关井下阀门、及时提供及时阀门开关位置的反馈等。最近,基于高温电子元件的应用,新一代电动控制智能完井系统问世,相比之前的型号,克服了很多原有限制。

新一代电液一体化系统,应用一条电路管线和两条液压控制管线来操作12个井下流量控制阀门(ICVs),电路控制管线和两条液压控制管线连接着所有的井下阀门。两条液压管线分别连接打开和关闭阀门,而电路管线则连接着电磁阀。每一个电磁阀都对应着不同的位置,因此它们可以通过电路管线在地面被分别激活打开。单独打开某一个电磁阀,高液压油压力作用于控制管线,然后打开特定的流量控制阀门而不去影响其它的阀门。

总的来说,电力系统是选择特定的阀门来工作,而液压系统则是提供动力来操作阀门使其工作。

图1 给出了一组液压控制和电液一体化控制阀门的操作时间对比。其结果显示电液一体化控制阀门更为迅速。系统里的电磁阀单元是相对独立于其井下控制阀的,彼此之间通过液压控制管线相连接。正是这一独立系统才使得液压控制ICV阀门可以继续使用。该套系统唯一新引进的就是电磁阀模块,其它所有部分都是借鉴现有成熟的技术;系统的电路管线充满了液体,这是为了提供正压,降低水侵导致电路失效的风险。

 

图1 液压阀(左)和电液阀(右)的工作时间比较

图1 液压阀(左)和电液阀(右)的工作时间比较

钻完井设计

现有一口由7寸套管、悬挂4寸半尾管完井的单分支井转为多分支井,测试电液一体化智能完井的效果。修井作业主要是通过回收油管、磨洗掉上部的4寸半尾管,然后开窗,钻进6-1/8寸新井眼,悬挂5寸半膨胀式尾管,并从该5寸半尾管钻分支井段,最后下入智能完井管柱。最终由于作业条件的限制,分支段数量从9段减少到了6段。图2给出了智能完井安装后的最终井身结构。

 

图2 最终井身结构

图2 最终井身结构

井下控制阀门分别运用在每一个层位。图3给出了ICV阀门放大的Trim节流阀位置显示,左图显示的是开位,中间图显示的是关位,右图显示的是活动位。

 

图3 ICV阀门放大的Trim节流阀位置

图3 ICV阀门放大的Trim节流阀位置

完井作业

包含井下控制阀门、封隔器、传感器等设备的智能完井系统最终成功地安装在6段分支井中。电液一体化控制阀门的操作时间比常规液压控制阀门要少得多。这是因为电液一体化控制阀门的操作更为迅速,同时也减少了控制管线的数量。在安装之后,所有阀门均通过了测试。该系统可以实现对某一层位阀门的单独控制,所以就避免了2段或者多段分支井的油气混合在一起。除此之外,井下光纤电缆也一同安装在完井管柱中,通过分布式声学传感来监测流体流动。

生产作业

在完井后3个月,该井开始正式生产。首先,所有分支井段均分别进行了返排以验证阀门的工作性能,同时也去除了完井盐水和钻井泥浆。当一个分支井段完成清洗返排并投入产油后,便开始测量地层压力、油气比、产水率,并估测产能。

产能模拟

测试获得的数据可用来模拟不同井况下的产能。模拟结果显示,由于生产力和完井井身结构的变化,某些分支井层位贡献了大部分产能,而其它层位则较少。图4显示,在所有井下控制阀门打开的状态下,第5段和第3段层位提供了最主要的产量,阻碍了其它较弱层位的生产。而如果长期在这种情况下生产,则可能造成早起的水或气侵入高产能成为,影响整口井的寿命。

图4 当井下控制阀处于开位时,不同层位的产量对比图

图4 当井下控制阀处于开位时,不同层位的产量对比图

平衡产量的生产目标是指通过降低高产能层位的产量,提高较低产能层位的产量。降低高产能层位的产量通过将节流阀从全开位调至较小位置来实现的;而较低产能的层位,则可以通过保持井下控制阀处于全开状态来提高产量。图5给出了根据上述办法调节后的平衡产量。

 

图5 通过调节节流阀的位置来平衡产能

图5 通过调节节流阀的位置来平衡产能

结论

沙特阿美公司首套电液一体化智能完井系统在一口6级分支井中成功安装并使用,技术性能表现均达到了预期设计效果。该套电液一体化系统增加了单井的井下产层数量,同时通过降低阀门操作时间,提高了效率。

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