林丽君 何明格 王清远 马梓瀚

(1. 成都大学机械工程学院 2四川大学建筑与环境学院 3中国石油西南油气田公司)

0 引 言

随着国内外天然气开发技术的发展，智慧油气田技术越来越受到重视。目前，国内在气井的地面集输管理数字化监控方面已取得长足进步，逐步建立了较为完备的数据集成体系[1-8]，但涉及地面以下的井筒自动化控制技术较少，尚未实现油气田全生命周期生产过程的自动化及智能化控制。井下智能工具及工艺技术作为智慧油气田领域中的技术关键，有待取得更大的突破，井下智能控制技术必是未来智能油田技术领域的研究热点和难点。相比国外，国内在井下智能工具的研发上起步较晚，加上国外诸多的技术封锁，开展井下智能工具系统自主研发显得越发重要和紧迫[9-11]。

针对传统绳索作业更换节流嘴的调产方式作业周期长、成本较高和风险较大等难题，本文通过集成机电一体化技术、气压波控制技术和井下节流技术，提出无线控制井下智能调产方法，配套研制了无线控制井下节流器，完成室内测试及现场试验，以期促进国内井下智能工具发展，推动我国采气工艺技术水平的提升。

1 技术分析

开采天然气时，井下节流技术在水合物防治、地面流程简化、节约地面建设投资、多井集气和集中分离生产等方面具有突出优势[12-13]。传统井下调产技术主要采用固定式和活动式两种方式，当用户需求变化时，须采取绳索作业更换不同尺寸节流嘴，实现不同等级的节流功能，这样会导致无法及时调整天然气井的产量，影响生产进度，增大作业风险。

1.1 井下无线智能调产工艺管串

井下无线智能调产技术综合应用机械工程、计算机、自动化控制和无线通信等技术手段，实现远程控制井下节流的智能化天然气生产控制技术，主要包括智能节流工艺方法和无线控制井下节流器工具，工艺管串结构如图1所示。

图1 井下无线智能调产工艺管串Fig.1 Downhole wireless intelligent production adjustment string

井下无线智能调产设备主要由井口信号发射机构和井下调产执行机构组成。井口信号发射机构主要依托于现有井口采气设备和集输管道，井下调产执行机构由研制的无线控制井下节流器及相关控制设备组成，系统总体结构如图2所示。

图2 井下无线智能调产系统总体结构图Fig.2 Downhole wireless intelligent production adjustment system architecture

1.2 无线控制井下节流器

无线控制井下节流器主要由进气嘴、节流嘴、阀体、转接套、电气密封筒、导气筒、封头和母套等部件组成，如图3所示。其中，电气密封筒内封装有温压传感器、电池、控制电路板和微型电机，以保证电子元件免受高压损坏；节流嘴采用孔板阀结构形式，由动瓣和静瓣组成，依靠动瓣的旋转来改变进气通道的面积，实现井下节流；封头端部安装有温压一体传感器，对节流后的压力和温度进行实时采集。无线控制井下节流器最大长度1 050 mm，最大外径57 mm，压力等级35 MPa，温度等级90 ℃，适用于外径73.0 mm油管。

1—进气嘴；2—节流嘴；3—阀体；4—转接套；5—电气密封筒；6—导气筒；7—封头；8—内套。

1.3 井下无线智能调产控制方法

井下无线智能调产作业时，首先通过控制地面井口生产阀门开度大小，在井口产生一种压力随时间规律变化的信号波。该信号波沿井筒内气体传输到井下节流器处，由内置的井下信号接收装置接收信号，再通过内置控制芯片进行信号编码同步校验及控制指令解码，形成地面控制指令，最终实现地面到井下节流器处的无线通信。井下节流器成功提取出配产指令后，井下控制芯片利用集成的开度推算控制模块向电机输出节流器开度指令，电机按照开度指令运行相应的角度，驱动节流油嘴到达对应产量开度位置，最终成功执行配产指令。同时，节流器内置的温度压力传感器实时检测节流器前后的温度压力参数，井下控制芯片依据检测参数对实时产量进行信息融合处理，反馈并检验配产是否按照指令成功实施。该项工艺的控制架构及信号流如图4所示。

图4 井下无线智能调产技术控制架构及信号流Fig.4 Technical control architecture and signal flow of downhole wireless intelligent production adjustment

2 井下无线智能调产关键技术

2.1 无线控制井下调产系统机械结构设计

运用工具设计软件对系统各组成零件进行结构设计和装配设计，在此基础上运用专业数值模拟软件对零部件和整体机构进行静力学、动力学、流体流速场、流体温度场以及流体压力场等方面的分析，利用分析结果对关键结构进行修正和优化，重复上述步骤直至整体结构达到合理要求，其设计流程如图5所示。

图5 无线控制井下节流器设计流程Fig.5 Flow chart for design of wireless control downhole choke

2.2 基于气体压力波的调产编解码方法

系统从地面向井下发送控制指令信号帧，如表1所示。帧头采用固定波形，用来唤醒井下节流器内置控制系统；随后3组数码用来设定井下节流嘴开度大小；为提高信号可靠性，在每一帧数据的尾端设计增加一个校验字节，对前面的数据进行校验。

表1 指令信号帧Table 1 Instruction signal frame

与指令信号帧相对应，气井井口压力波波形按照BCD编码方式进行编码，通过手动形式对气井井口阀门进行控制。将井口阀门由开到关在管柱内形成的压力升高作为一次上升沿跳变，反之作为一次下降沿跳变，连续8个跳变组成一个编码波形，代表一个4位二进制，其中每个上升沿与下降沿跳变间全开的状态表示二进制1，半开的状态表示二进制0。示例：发送二进制数据 0000(数字0)的波形如图6所示；表示二进制数据0001(数字1)的波形如图7所示。以此类推，直至二进制数据1001(数字9)。

图6 二进制数据 0000(数字 0)波形Fig.6 Waveform of binary data 0000 (digital 0)

图7 二进制数据 0001(数字 1)波形Fig.7 Waveform of binary data 0001 (digital 1)

井下控制器接收到气压波数据后，由模糊逻辑推理系统对其进行解码。模糊逻辑推理系统采用模糊规则进行解码，具有较强的非线性映射能力且对参数扰动的鲁棒性强，对井口发送的气压波数据解码精准。无线控制井下调产系统采用生产管柱内的天然气脉冲压力波向井下传输控制指令信号，可大幅节约井下智能工具的通信成本[14-15]。同时，本通信方法对压力变化范围以及井口阀门操作时间无须严格定义[16-17]，因此适用于各种工况的气井，编码可靠性高，误操作率低。

2.3 无线控制井下节流器控制算法设计

为实现井下节流的准确控制，以PID控制方法构建无线控制井下节流器油嘴的开度控制算法。根据无线控制井下微电机工作原理，设计伺服电机驱动节流油嘴控制流程，如图8所示。控制微分方程如式(1)所示。

图8 无线控制井下节流器油嘴控制流程Fig.8 Flow chart for control of wireless control downhole choke

(1)

式中：L为电机相电感，R为电机相电阻，J为电机和负载折合到电机轴上的转动惯量，f为电机和负载折合到电机轴上的黏性摩擦因数，Km为电机转矩系数，Ke为电机反电势系数。

由于油嘴机构与电机的连接近似完全刚性，不会出现轴向位移的情况，所以设定电机编码器的传递函数H(s)=1。选定电机参数为：转动惯量J=1.0×10-6(N·m·s2)/rad，摩擦因数f=22.9×10-7，相电阻R=5.9 Ω，电机转矩常数Km=36.9×10-3(N·m)/A，相电感L=240 μH，反电势系数Ke=36.9×10-3(N·m)/A。结合电机微分方程建立无线控制井下节流油嘴驱动系统的闭环控制模型，如图9所示。

图9 无线控制井下微电机系统的控制模型Fig.9 Control model of wireless control downhole micromotor system

设计中采用积分分离式PID控制算法，系统响应进入稳态时控制器中的积分环节开始运行，以提高稳态精度；系统响应处于瞬态过程时，将积分环节断开以改善系统动态响应质量。节流器作为较大负载的惯性系统，延迟时间较长。因此，在常规PID控制中引入积分环节，可减小系统稳定误差，提高控制精度。

以阶跃信号为测试信号，对系统按照图9模型进行动态性能指标仿真计算，测试结果为超调量8.7%，上升时间78 ms，调节时间189 ms。说明在无线控制井下节流器控制系统中加入PID控制后，较好地优化了整个节流系统的响应性能，可为工具实现准确稳定的节流调产提供保证。

3 室内试验及现场应用

3.1 无线控制井下节流器室内试验

为验证研制的无线控制井下节流器各项性能参数，开展了密封承压、调节驱动、绳索投捞功能和整机功能性试验，如表2所示。

表2 无线控制井下节流器室内试验项目Table 2 Laboratory test items of wireless control downhole choke

试验结果如下：

(1)在35 MPa、90 ℃条件下，工具整体承压、密封可靠，动力驱动能力强，可实现油嘴开度尺寸多级调节，整机的密封性能、承压性能和可调性能满足要求。

(2)在模拟井460 m处完成了多次整机的钢丝投捞作业试验，工具的通过性良好，整机抗震击性能和可靠性满足要求。

(3)在模拟井井下460 m井深处完成了多次气压波远程控制功能试验，通过调节井口针阀产生压力波，实现了对井下节流器油嘴开度的准确控制。

3.2 无线控制井下节流现场应用

2019年7月，无线控制井下节流器在西南油气田公司A井成功应用。A井配产工艺参数为：井口油压1.2 MPa，套压5.5 MPa，节流器油嘴等效通径0～10 mm(多级可调)，配产气量1.4×104m3/d，产液量1 m3/d。工具坐封于井下2 298.6 m处的工作筒内。依据井场生产要求，需要将该井的产气量进行提高，操作井口针阀发送气压波数据(4 1 2 1 4)，成功调节井下节流器油嘴开度，实现了气井产量由原0.4×104m3/d调节到1.4×104m3/d进行生产，顺利完成气压波无线控制井下节流调整气井产量的作业任务，产量变化如图10所示。

图10 井下无线智能调产技术现场应用情况(1)Fig.10 Field test (1) of downhole wireless intelligent production adjustment technology

无线控制井下节流器在井下稳定工作4个月，期间完成了6轮次气压波无线远程控制井下节流调产任务，均取得成功，如图11所示。

图11 井下无线智能调产技术现场应用情况(2)Fig.11 Field test (2) of downhole wireless intelligent production adjustment technology

无线控制井下节流器现场的成功应用，验证了井下无线智能调产工艺方法的可行性和工具的可靠性。

4 结 论

现场成功应用表明，井下无线智能调产技术各项性能稳定可靠，验证了井下智能节流方式的可行性与先进性，相比于传统的井下节流工艺技术，主要呈现以下特点：

(1)集成微电子技术、自动控制和井下无线通信技术构建的井下无线智能调产系统，只需利用现有井场采气井口装置，即可在地面远程无线控制调节井下节流嘴开度大小，革新了传统关井和采取绳索作业更换节流嘴进行井下调产的方式，可为气井生产节约人力、物力和时间成本。

(2)井下无线智能调产技术较好地满足数字化天然气田技术中数字化、自动化要求，可指导技术人员依据生产需要高效调整天然气井产量，增强天然气井开发安全性，提高运行效率，降低运行成本。

(3)本文提出的方法和理论能够为其他井下智能工具的研发提供思路，能提升井下采气工具的技术水平，可为采气工艺技术改进提供一定参考。