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新一代電液一體化智能完井系統

新一代電液一體化智能完井系統

相比于傳統的電子控制系統和液壓動力控制系統而言,新一代電液一體化智能完井系統具備快速操作、可靠性高等優點。使用該系統,完井作業增加了單井的井下產層數量,同時降低了閥門操作時間,提升效率。

來自 | Saudi Aramco
編譯 | 袁建波

井下回流控制閥門(ICVs)和永久式的傳感器是智能完井的重要組成部分。最初階段的智能完井系統更多依靠電力技術,眾多的井下閥門需要通過一條來自地面的電纜來實現工作。這類完井系統靠井下馬達或者液壓泵來產生動力源。

隨后,通過使用高壓液壓油從地面泵入控制管線,實現了用簡單電磁閥來代替原有動力源,井下電力控制系統被逐漸簡化,簡化后的集成系統通過井下電磁閥來選擇需要進行工作的閥門。

無論是電動還是電動液壓控制閥門,都具備反應速度快、反應靈敏的特點。然而不幸的是,這種系統中所使用的電纜、連接頭以及電路元件等,容易受到水的侵入而造成電力故障。這也導致此類電動閥門在惡劣的井下環境中的可靠性大大降低,另外其高昂的成本也是行業慢慢放棄使用電力控制系統的另一個重要原因。

因此,整個行業開始從電動系統向液動系統轉變,選擇從地面向很小的控制管線泵入高壓液壓油來控制閥門工作。這是基于液壓控制井下安全閥和機械旁通閥的經驗而推出的可靠性更高的液動控制智能完井系統。這種系統出了具有較高的可靠性之外,其成本也比電動閥門低很多。因此在很長一段時間里,液動控制閥門在智能完井系統里都占據著主要地位。目前,大約有1000口井都采用了液動控制智能完井技術。

相對于電子控制系統而言,液壓動力系統具備較高的可靠性和經濟性,同時自然也存在一些不可忽略的缺點。比如,液壓動力控制井下工具閥門所需的時間較長,且對所控制閥門的數量也有一定限制。對于復雜井下流體測量和導向系統而言,有時操作單一閥門就需要幾個小時。

以上因素的制約,增加了安裝智能完井系統的額外鉆機時間。本就高昂的鉆機成本,再加上這些額外時間,這就嚴重制約了智能完井的經濟性。同時,井下閥門較長的工作時間也在一定程度上限制了在生產時的作業頻率。

液壓動力控制完井系統需要一條特制的液壓控制管線來操作不同的井下閥門。由于多條控制管線的操作限制、有限的井口和封隔器連接孔的限制,單井最多閥門數量僅為5個。那么如果需要鉆穿8個產層的話,就只能通過這5個井下閥門來進行完井。

由于這一限制,每個產層就不得不與鄰近產層共同使用同一閥門。剩余的天然氣和水侵入某一產層時,則需要關閉相應閥門,這樣可以降低從鄰近層位的流體侵入(兩個層位通過一個閥門進行生產)。目前,新一代的技術正在發展中,通過使用同樣數量的控制管線來增加更多的井下閥門。

新一代電液一體化智能完井系統

正如之前所介紹的一樣,電動控制的智能完井系統具有一定的優勢,比如快速開關井下閥門、及時提供及時閥門開關位置的反饋等。最近,基于高溫電子元件的應用,新一代電動控制智能完井系統問世,相比之前的型號,克服了很多原有限制。

新一代電液一體化系統,應用一條電路管線和兩條液壓控制管線來操作12個井下流量控制閥門(ICVs),電路控制管線和兩條液壓控制管線連接著所有的井下閥門。兩條液壓管線分別連接打開和關閉閥門,而電路管線則連接著電磁閥。每一個電磁閥都對應著不同的位置,因此它們可以通過電路管線在地面被分別激活打開。單獨打開某一個電磁閥,高液壓油壓力作用于控制管線,然后打開特定的流量控制閥門而不去影響其它的閥門。

總的來說,電力系統是選擇特定的閥門來工作,而液壓系統則是提供動力來操作閥門使其工作。

圖1 給出了一組液壓控制和電液一體化控制閥門的操作時間對比。其結果顯示電液一體化控制閥門更為迅速。系統里的電磁閥單元是相對獨立于其井下控制閥的,彼此之間通過液壓控制管線相連接。正是這一獨立系統才使得液壓控制ICV閥門可以繼續使用。該套系統唯一新引進的就是電磁閥模塊,其它所有部分都是借鑒現有成熟的技術;系統的電路管線充滿了液體,這是為了提供正壓,降低水侵導致電路失效的風險。

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圖1 液壓閥(左)和電液閥(右)的工作時間比較

圖1 液壓閥(左)和電液閥(右)的工作時間比較

鉆完井設計

現有一口由7寸套管、懸掛4寸半尾管完井的單分支井轉為多分支井,測試電液一體化智能完井的效果。修井作業主要是通過回收油管、磨洗掉上部的4寸半尾管,然后開窗,鉆進6-1/8寸新井眼,懸掛5寸半膨脹式尾管,并從該5寸半尾管鉆分支井段,最后下入智能完井管柱。最終由于作業條件的限制,分支段數量從9段減少到了6段。圖2給出了智能完井安裝后的最終井身結構。

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圖2 最終井身結構

圖2 最終井身結構

井下控制閥門分別運用在每一個層位。圖3給出了ICV閥門放大的Trim節流閥位置顯示,左圖顯示的是開位,中間圖顯示的是關位,右圖顯示的是活動位。

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圖3 ICV閥門放大的Trim節流閥位置

圖3 ICV閥門放大的Trim節流閥位置

完井作業

包含井下控制閥門、封隔器、傳感器等設備的智能完井系統最終成功地安裝在6段分支井中。電液一體化控制閥門的操作時間比常規液壓控制閥門要少得多。這是因為電液一體化控制閥門的操作更為迅速,同時也減少了控制管線的數量。在安裝之后,所有閥門均通過了測試。該系統可以實現對某一層位閥門的單獨控制,所以就避免了2段或者多段分支井的油氣混合在一起。除此之外,井下光纖電纜也一同安裝在完井管柱中,通過分布式聲學傳感來監測流體流動。

生產作業

在完井后3個月,該井開始正式生產。首先,所有分支井段均分別進行了返排以驗證閥門的工作性能,同時也去除了完井鹽水和鉆井泥漿。當一個分支井段完成清洗返排并投入產油后,便開始測量地層壓力、油氣比、產水率,并估測產能。

產能模擬

測試獲得的數據可用來模擬不同井況下的產能。模擬結果顯示,由于生產力和完井井身結構的變化,某些分支井層位貢獻了大部分產能,而其它層位則較少。圖4顯示,在所有井下控制閥門打開的狀態下,第5段和第3段層位提供了最主要的產量,阻礙了其它較弱層位的生產。而如果長期在這種情況下生產,則可能造成早起的水或氣侵入高產能成為,影響整口井的壽命。

圖4 當井下控制閥處于開位時,不同層位的產量對比圖

圖4 當井下控制閥處于開位時,不同層位的產量對比圖

平衡產量的生產目標是指通過降低高產能層位的產量,提高較低產能層位的產量。降低高產能層位的產量通過將節流閥從全開位調至較小位置來實現的;而較低產能的層位,則可以通過保持井下控制閥處于全開狀態來提高產量。圖5給出了根據上述辦法調節后的平衡產量。

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圖5 通過調節節流閥的位置來平衡產能

圖5 通過調節節流閥的位置來平衡產能

結論

沙特阿美公司首套電液一體化智能完井系統在一口6級分支井中成功安裝并使用,技術性能表現均達到了預期設計效果。該套電液一體化系統增加了單井的井下產層數量,同時通過降低閥門操作時間,提高了效率。

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