国内外井下电驱动流量控制技术研究进展*

罗 杰 何东升 郑家乐 熊 浪 李若岚 栾京生

(西南石油大学机电工程学院)

0 引 言

当今世界石油资源十分紧缺，开发已进入中后期，陆地上大部分易开采区域的开发已经接近极限，目前正向开发困难的地区发展。面对资源的紧缺和开采难度的增加，人们对石油的开采目标逐渐从陆地过渡至深海，深海石油勘探将成为未来石油开采技术的主要研究方向。截至2022年，我国的石油产量为2.05亿t，不到全球开采总量的5%，而且绝大部分为非均质油藏，含水量过多，无法直接进行工业化生产[1-3]。因此，传统的常规油气井生产技术已不适合此类情况。为了解决这一问题且降低油气井的开采和维护成本，在20世纪80年代初，国外的一些油田在井下安装永久传感器和流量控制阀，对井下的流量、温度及压力等参数实现远程控制和监测，开创了油田智能化管理的先河[4-6]，这就是智能完井的前身。智能完井系统中最重要的是流量控制系统，流量控制系统的主要核心部件为流量控制阀。流量控制系统的远程控制技术主要有3种，分别是电驱动、液压驱动以及电液混合驱动[7-8]。后二者占据绝大部分市场，在电气化发展的时代，电驱动技术将会是未来发展的主要趋势。本文在对目前行业中出现较少的电驱动流量控制技术进行调研的基础上，对电驱动流量控制技术的研究进展和存在的问题进行分析和总结，并提出相关建议，以期为后续研究提供借鉴与指导。

1 国外技术研究状况

1.1 Wytch Farm井F22全电动系统井下节流器

2000年8月，Wytch Farm井F22安装的全电动智能完井系统是世界上第一个完整的纯电力控制的完井系统，打破了由纯液压控制和电液混合控制垄断的行业僵局。传统的液压控制系统中的液压流量控制阀需要通过数根管线，由地面控制进入井下流量控制阀的压力，通过压力节流来控制整个流量控制阀的开关和节流。而该电控完井系统不需要通过地面进行压力控制，直接利用井下电机的运动控制流量控制阀内滑套的运动，从而进一步控制节流孔的开度，达到对井下流量的控制。

该流量控制系统中流量控制阀的结构较为简单，称之为井下节流器，安装在油管外的外套筒用来固定整个井下节流器的位置。井下节流器的上部和下部均安装有套筒。上套筒结构简单，通过电机驱动来控制其运动，上套筒在电机驱动下经过节流区，从而达到节流的目的。下套筒安装有1根能达到6 230 N压缩力的弹簧驱动来保护底部密封。整个节流器由非弹性材料制成的密封件进行密封[9]，保证了在高腐蚀度的井下能正常工作5 a以上，同时也保护了里面电机制动系统的安全。

电机控制系统的组成主要有电机、齿轮箱及球形螺旋杆等，由电机产生动力来控制整个系统的运作[9]。此装置产生的作用力可达44.5 kN以上，能在绝大多数情况下无阻碍运动，起到控制流量和节流的作用。电机在运作过程中的参数全部由地面计算机监测系统进行实时监测，方便操作员及时对电机运转和生产操作做出及时调整。图1为井下节流器节流装置3个位置开启和关闭示意图。该节流器通过控制电机的运转来控制套筒的运动，从而起到控制节流器节流的效果。

1—上滑动套筒；2—流量面；3—下部填充组；4—保护套管；5—弹簧；6—扼流圈和偏转唇。图1 井下节流器开启和关闭示意简图Fig.1 Schematic diagram for opening and closing of downhole choke

1.2 Baker Hughes公司InCharge流量控制系统

1.2.1 InCharge流量控制系统

Baker Hughes公司有2种智能完井系统，除了液压控制的以外，还有电动完井系统InCharge。 InCharge完井系统如图2所示，通过电缆线来传送信号，利用带有电机的流量控制阀(IPR)来控制流量[10]。该系统集合了多个传感器对井下的数据(如温度和压力等)进行实时监控。整个电力控制系统的电缆使用的是6.35 mm(0.25 in)电缆，且用单根控制，电缆穿过各个井层的封隔器以及井口，方便传输井下各个数据以及发生操作指令，使得传输更加简便化。InCharge的节流器为无级可调节流器[11]。

1—地面控制系统；2—接口设备；3—油管悬挂压头；4—安全阀；5—伸缩接头(可选)；6—温式对接接头(可选)；7—生产封隔器；8—流量计；9、11、13—智能生产调节器；10、12—封隔器；14—堵塞器。图2 InCharge流量控制系统Fig.2 InCharge flow control system

InCharge的适用范围主要为垂直井、水平井、斜井[12]，操控者可以通过地面控制系统即PC端对井下的流量控制阀的开度进行控制，从而达到控制流量的目的。单套系统最多可对井的12个层位进行监测和控制，完全实现电动化。

InCharge系统具有如下优点：①结构简单，各个部分的连接设计十分可靠，采用单管钢管电缆进行电动控制，操作简单；②电动的完井技术可以承受更高的动力，弥补海上动力不足的缺点；③流量控制阀为无级调节，可以精细地对单层流量进行控制，且适用范围广。

1.2.2 IPR电动流量控制阀

Baker Hughes公司对流量控制阀的研究颇有经验，目前该公司的流量控制阀主要有HCM节流阀、HCM-PlusTM滑套、HCM-ATM可调式油嘴系列和IPR电动流量控制阀[13]。其中：IPR(见图3)采用的是电动控制，且配合InCharge完井系统一起使用[14]。该电动流量控制阀采用旋转电机推动丝杠运动，从而推动阀体中的滑套来达到控制开度的目的，并且集合了多种传感器对其内部的数据(如温度和压力等)进行实时监测和及时反馈。断电后能保持滑套位置不变，下次使用时不需要再次控制滑套运动。IPR和InCharge完井系统的所有电缆线组合在1根ø6.35 mm管线中。IPR流量控制阀的推力最大可达到45 000 N，温度适用范围为4～163 ℃，最大控制腔室压力可达68 MPa以上，最大工作压力可达51.71 MPa，适应绝大多数井层的工作环境，最多可深至井下第12层实时监测和控制。该流量控制阀也可以配合其他电控完井系统进行使用。

1.3 Baker Hughes公司MultiNodeTM全电动完井系统

1.3.1 MultiNodeTM全电动智能完井系统

Baker Hughes公司针对井下层流复杂的情况，研发了一种新的智能完井系统——MultiNodeTM全电动智能完井系统，系统组成如图4所示，可分为多个生产段。该系统采用多节点智能完井技术，其组成部分分别为地面控制单元和AFCD井下电动阀，二者只需要通过1根电缆即可完成连接[15-16]。截止到现在，MultiNodeTM全电动智能完井系统在近几十年的完井系统中具有较高的技术水平，且已经用于生产实践。

1—悬挂器；2—生产封隔器；3、6—压力/温度计；4、8—AF-CD井下电动阀；5、7—裸眼封隔器；9—管堵；10—ETC电缆连接井下传感器；11—ETC电缆连接井下ACDF阀；12—SCU。图4 MultiNodeTM全电动智能完井系统简图Fig.4 Schematic diagram of MultiNodeTM fully electric intelligent completion system

该系统主要适用在长水平井或者斜井之中，最多可将井下划分成27个控制单元。每个单元均安装有AFCD电动阀，操控者可以通过地面控制单元(简称SCU)控制每个单元的生产并监测单元内部的实际生产情况，达到逐个控制同时生产的目的，实现动态生产。所有连接上、下部件的电缆集中在单根控制管中，使得整个智能完井系统结构更加简单，节省了石油开采的生产成本和完井系统的制造成本。

1.3.2 MultiNodeTMAFCD 井下电动阀

MultiNodeTMAFCD 井下电动阀如图5所示。该阀为纯电力驱动，由TEC电缆进行控制。相比于其他的电动流量控制阀，该阀的电机并不在阀的内部，而是在地面，通过地面控制系统的控制将电机的移动指令通过TEC电缆远程输送给井下的电动阀，从而驱动阀体。AFCD 井下电动阀在其内部一共集成了6个节流装置，每个节流装置的开度有4个，可以满足多种条件下的生产需求。这种多开度的结构设计能够使整个完井系统无论在采油还是注水过程中均能够保持适合的开度，实现整体的均衡流动，保证井下作业的顺利进行；倘若井下出现水侵现象，AFCD 井下电动阀可以保持全闭状态使得进入的水量大幅度降低，大大提高产量和效率；且整个电动阀的材料为耐腐蚀材料，能承受井下的高腐蚀环境以及对抗砂石的侵蚀作用，保障了电动阀的使用寿命以及整个智能完井系统的安全性。

图5 MultiNodeTMAFCD井下电动阀
Fig.5 MultiNodeTM AFCD downhole electric valve

TM

[15]

AFCD 井下电动阀具有以下优势[16-17]：

(1)结构紧凑简单，体积小，便于安装。

(2)内部节流装置采用硬质合金，耐腐蚀，耐高温，环境适应能力强，适用温度范围广，在125 ℃以内均能正常工作，可延长使用寿命。

(3)电动阀在全闭状态时可有效减少水的进入，密闭效果佳。

(4)电动阀的电机安装在地面，仅通过1根电缆远程控制其节流装置，使电机安全性提高，不用频繁更换电机。

(5)电动阀内部装有节流位置传感器，可实现电动双向节流，提高节流效率，操作更为灵活。

1.4 Schlumberger公司的Manara电动完井系统

Schlumberger公司的Manara电动完井系统(见图6)是该公司目前较为先进的完井系统，允许连续、同时、实时地控制多个区域[18]。它的地下部分主要由电感耦合器、电动流量控制阀以及监控装置组成。其中监控装置的主要功能是监测压力、温度、截水量和流量。

1—电潜泵；2—电缆；3—电感耦合装置；4—电动流量控制阀；5—各生产层参数显示器。图6 Manara电动完井系统示意图(水平井)Fig.6 Schematic diagram of Manara electric completion system (horizontal well)

Manara电动完井系统特点是利用一条电气控制线路将每个站连接到下一个，然后将整个系统连接到地面，最大限度地减少连接点和拼接，简化安装过程，提高可靠性。功率和数据通过感应耦合器通过连接点进行无线传输。耦合器能够同时监测和控制多个区域的连接。电动流量控制阀可以提供连续流量控制技术，节流位置是无限的。流量控制阀的阀口处安装有监测装置，可以发送节流阀位置的实时反馈，操作员可以观察区域波动的发生，并根据生产优化软件的建议进行流量调整，阀口会立即对表面指令作出反应，从而实现流量控制。图7是该系统的完井管柱示意图。系统的完井管柱内部集成了多个监测点，能提供丰富的井下数据。工作压力范围为0～34.5 MPa，流量范围8～80 m3/d，温度范围0～125 ℃。

1—定位装置；2—外扣接头；3—控制电缆；4—Manara监测点1；5—膨胀式封隔器2；6—Man-ara监测点2；7—膨胀式封隔器1；8—封隔器。图7 常规Manara智能完井管柱(水平井)Fig.7 Conventional Manara intelligent completion string (horizontal well)

Manara电动完井系统具有以下优势：

(1)纯电力控制，响应速度快，流量控制效果明显。

(2)适用范围极广，尤其是单边和多边井需要模块化和可扩展的配置监控的情况。

(3)在水平井与多个分支井具有显著优势，能够最大限度地实现开采。

(4)井在偏远、人口密集或环境敏感地区可用，减少对环境的影响。

2 国内技术研究状况

2.1 电控智能配产器

EIC-Riped智能完井系统是中石油科学技术研究院自主研究开发的，是国内比较先进的智能完井系统。它完全采用电驱动控制技术，利用单根钢管电缆实现对井下流量的控制，同时兼顾监测井下动态参数和传输电力的作用[19]。EIC-Riped系统大大缩短了井下工具等待指令的时长，提高了生产作业效率，也大幅度减少因电输送困难带来的结构复杂问题。

其中电控智能配产器是整个系统的重要组成部分，它的功能集合了流量控制装置以及数据监测装置。电控智能配产器主要结构如图8所示，主要由上下接头、中心管、钢管电缆、扶正及执行机构等组成[19]。

1、4—钢管电缆；2—扶正机构；3—温度测量装置；5—下接头；6—中心管；7—压力测量装置1；8—压力测量装置2；9—上接头。图8 电控智能配产器结构示意图Fig.8 Schematic diagram for structure of electric intelligent bottom-hole regulator

钢管电缆的上端上接地面电缆，下接下一层的电控智能配产器的上端电缆。钢管电缆的执行机构中又有电路分支，方便对执行机构里面的配件进行供电并传输数据。执行机构是流量控制装置的核心部件，与常见的流量控制阀有所不同，它在其他流量控制阀结构的基础上进行了改装。该执行机构的主要组成部件有电机、齿轮减速器和油嘴，其中电机的最大输出扭矩为30 N·m。相比于常见的圆形或者方形节流孔而言，电控智能配产器的节流器形式是油嘴，油嘴由上、下2个阀体组成，上、下阀体上有扇形油孔，电机驱动上、下两个阀体运动，通过2个阀体的运动来控制油孔的开闭程度，从而改变流经油孔的油液流量，达到控制流量的目的。

油液在智能配产器的通过路线为：先经过下接头所接的油嘴(油嘴上开孔)经过孔后流入中心管，然后被吸至地面。数据监测装置主要组成部分是控制电路，其作用为控制电机运转提供动力。温度传感器和压力传感器作用是监测井下温度、压力等数据并及时反馈给上位机系统。为了适应井下高温高压环境，控制电路的电子元件和电路印刷版均采用能耐150 ℃高温的军用级材料。

电控智能配产器的优点：

(1)结构简单紧凑，便于装配。

(2)打破常规形状节流孔，改为扇形孔，且上、下阀体均开设有扇形孔，使流量控制更为精准快速。

(3)电机输出扭矩适中，能够轻松地控制扇形孔的开闭。

(4)由单根电缆控制，数据传输灵敏，节省成本，操作方便。

(5)集合了流量控制和数据监测为一体，功能更加齐全。

(6)适用范围广，能适应井下恶劣的高温高压环境。

2.2 智能分注分采技术的井下电控滑套

中海油集团针对渤海油田地层非均质性严重、油层厚、产液剖面不均衡等问题研发了一款智能电控滑套，以此来改善传统机械滑套需要通过钢丝牵引操作复杂的局面[20-22]。采用此电控滑套，能够精准有效地开采。原先机械滑套开启和闭合1次耗时均在2～3 h。该电控滑套通过钢管电缆，从地面向井下的滑套传输动作指令，远程控制滑套的开启与闭合，大大缩短控制时间。

电控滑套主要由下接头、电缆连接头、滑环导电机构、调节臂机构、控制线路、限位机构、陶瓷阀机构、过滤网、主体部分、外套管及压力传感器等组成，结构如图9所示。由图9可知，主体部分内开设有许多凹槽，用来安装和固定电控滑套内部其他部件。主体部分上端开设有电缆连接口，用来连接上部控制系统和电源，内部电缆线连接各个部件。下接头用来连接其他的井下工具，同时接头一侧设置电缆接口，将电控滑套用电缆连接起来。外套管用来连接主体部分和接头，为油液提供流通通道，同时起到保护电缆、内部电机和其他机械结构的作用。

1—主体部分；2—过滤网；3—限位机构；4—调节臂机构；5—电缆连接部分；6—下接头；7—滑环导电机构；8—调节臂电池；9—线路控制；10—外套管；11—内套管；12—陶瓷阀机构。图9 电控滑套结构示意图Fig.9 Schematic diagram for structure of electric sliding sleeve

电控滑套的控制部分组成有单片机、井下信号整合单元、压力传感器、温度传感器、电压电流测量装置、电机及其驱动装置、数据存储部分等[23]。

电控滑套工作过程：地面工况机发出指令，通过电缆传输给解码电路，解码电路根据指令进行解码操作，将指令传送给电机，电机随之启动，电机将运动传递给调节臂机构，调节臂机构推动调节阀的开闭，从而调节流量。

限位机构是为了防止调节臂过度运动以致损坏电控滑套的内部结构。调节臂转动会产生脉冲信号传递给内置芯片，芯片根据脉冲信号推断出调节臂的运动情况以及调节阀的开度情况，反馈给电机控制电路；然后由电机控制电路在调节臂的运动行程满足开度要求时会切断电机电源。

该电控滑套优点如下：

(1)电控调节指令操作简单。

(2)开度调节范围大，可无级调节。

(3)日产量高，满足较高产量的生产需求。

在国内智能完井系统中，该电控滑套的使用范围较为广泛，尤其是在深海领域等地质结构复杂的情况。

2.3 井下电控变流量控制阀

由中石化集团研发的井下电控变流量控制阀包括外套以及外套上下部分连接的上下接头。其主体结构构成流量控制阀的阀座，阀座和阀芯相互配合形成阀腔；阀座位于外套上开设进油通道的下方，并在阀座上开设阀孔。阀芯由阀腔内的传动机构和动力装置推动移动。动力装置主要由电机构成，电缆连接外部电源，并将其传送给电机，电缆置于毛细钢管中，而毛细钢管同时穿过下接头及连接塞[24]。传动装置的传动箱在下端口设置传动箱润滑油封盖，传动箱内部传动块下部及丝杠周侧用来盛装润滑油，油腔传动箱的上端口设置有导套，传动装置同时起到密封作用，避免了地层油液对传动机构表面材料的腐蚀作用。电机驱动传动机构中的丝杠传递向前或者向后的运动，使得阀芯移动从而达到节流的目的。其关键结构如图10所示。

1—下接头；2—控制电路；3—外套；4—传动箱；5—丝杠；6—阀芯；7—上接头；8—阀座；9—传动块；10—传动杆；11—电机及减速器；12—密封箱；13—连接塞。图10 井下电控变流量控制阀结构示意图Fig.10 Schematic diagram for structure of downhole electric variable flow control valve

该井下电控变流量控制阀的优点在于，设计了一种保护内部电机和井下电路的装置，使得内部电气设备不受腐蚀；同时设计了多个油液流入孔道，对流量控制效果更为精准，能够很好地达到控制效果。

3 目前存在的问题及建议

未来深海油田的开采将成为石油行业的开采主阵地，随着电子技术的发展以及人工智能时代的到来，智能完井技术以及井下流量控制技术都将朝着电气化的方向发展[25-29]。目前，国内外对电驱动流量控制技术做了不少研究，也取得了一定的进展，但是仍存在一些问题。

(1)国内外的众多科研机构对智能完井技术以及电驱动流量控制阀技术做了相应的研究，但现如今流量控制技术的主流依然为液压驱动或电液混动，电动流量控制技术的研究成果较少。从现有的研究技术来看，电驱动流量控制技术的关键在于井下的电动流量控制阀，且流量控制阀的节流效果由内部驱动电机控制节流装置的开闭程度实现。虽然现如今研究出的电动流量控制阀能适应多种环境，但还难以大范围推广，主要原因在于其内部驱动电机和相关仪器的选择需要考虑井下的实际工作环境，需要特定生产，无法批量投入使用。因此电机和仪器的选择相当重要，尤其是电机的驱动力和扭矩要进行相应的计算，以免驱动力或扭矩过大损坏其他部件，也避免驱动力或扭矩过小无法推动阀体产生不了节流效果，更重要的是要考虑电机和仪器是否能适应井下高温高压的恶劣环境。

(2)针对流量控制阀本身结构而言，电机一般安装在流量控制阀内部的阀体上，由电机推动其移动控制开度，从而控制油液的流动。电机安装位置与流道位置的设置很重要，否则容易引起油液泄漏，导致电机损坏而停止工作。因此需要考虑电机安装位置，设计相应的保护密封装置以免油液影响电机的正常工作。同时与液控流量控制阀一样，作为电力驱动的流量控制阀，其节流装置结构的优化研究也在研究行列之中。

(3)由文献调研可知，目前所有的电驱动流量控制技术都需要相应的地面控制系统来控制电机的驱动以及采集井下数据，因此在研究该流量控制技术的同时还应该推进包括井下信号的采集与传输系统、数据的监测与反馈系统以及相关测试装置等方面的研究工作。

4 结束语

面对石油资源的紧缺，石油的开采发展方向逐渐从陆地向着深海领域过渡，我国的深海海域(如渤海)油田存在着地质非均质性严重、油层厚等问题，影响开采效率。智能完井作为一项重要技术，对深海海域的开采起着极为重要的作用，其中流量控制系统是智能完井的核心装置，在控制流量的大小，稳定开采进度方面起到重要作用。目前行业里用到的流量控制系统主要有电驱动、液压驱动及电液混合驱动3种，其中后二者占据绝大部分市场，电驱动技术较为少见，但面对开采难度的提高和电子技术的发展，电驱动技术的需求会越来越大。该技术作为智能完井中信号传输速度最快，系统控制管线结构最简单的控制技术，是未来流量控制领域发展的主要方向，同时电控智能完井技术也是整个智能完井技术发展的主攻方向。

目前针对电驱动流量控制技术，国内外做出了不少研究，得出了一定的结论。国外研究早于国内，目前主要的研发企业有Baker Hughes、Schlumberger等。其研发的InCharge系统、Manara系统和相应的产品等均取得了较好的研究成果。国内接触虽然较晚，但中石油、中石化等研究单位对其做出了不少的研究，并将其运用到实际生产之中。该技术的关键研究有以下几点：①需要研制相应的大功率电机来驱动井下流量控制阀中节流阀套的运动，且要适应井下的高温、高压等恶劣环境；②与常规流量控制阀一样，需要研究相应的密封技术，增强电机与仪器封装处的密封性能，否则会使油液进入电机电路，引起电机电路和其他仪器的损坏，从而影响生产；③相关井下仪器和井下电路、地面控制系统、数据采集传输系统和测试装置等方面的研究也是推进该技术发展的动力之一。

流量控制系统是整个智能完井的关键部分，电驱动技术是其未来发展的主攻方向，在面对石油资源紧缺和技术壁垒的情况下，想要提升我国深海石油开采能力，就需要研发具有我国自主知识产权的技术以及相关设备，只有这样才能为我国石油开采，尤其是深海领域的油田开发打下坚实的基础。