0 引言

智能完井技术(Intelligent well completion system)能够采集、传输井下产状，从而根据油井实际生产情况对油层生产动态进行实时监测和控制，实现油井开采过程的精细化控制，最终提高油井产状^[1]。自1997年首次被应用以来，智能完井以其在优化油井生产、改善油藏管理、降低作业风险、提高最终采收率和节省物理修井时间等方面独特的优势，越来越受到油田作业者的重视^[2]。智能完井系统主要由井下流量控制系统、井下动态监测系统和油井生产优化系统组成，井下流量控制系统通过井下流量控制阀(Downhole flow control valve)对井下各油层的生产动态进行调控，控制阀的驱动方式主要有液压、电力和电液混合。液压驱动为主的有Welldynamics公司Smart-Well智能完井系统，Halliburton公司HS-ICV、LV-ICV、MCC-ICV等系列的井下流量控制阀^[3-5]，以及Schlumberger公司的IntelliZone Compact智能完井系统^[6-7]；另外还包括Baker Hughes公司开发的InForce系统和Weatherford公司的Multiple-Zone系统。电力驱动的目前有Baker Hughes于1997年推出的全电子智能系统InCharge^TM，以及2014年推出的MultiNode系统，其采用的AFCD控制阀为电驱动^[8]。同时，近些年国内智能完井技术也取得一定进步，但仍需从技术成熟度等方面继续进行攻关^[9-12]。国内外现有研究主要集中在井下流量控制阀结构设计上，对控制阀操控的研究则鲜有报道，特别是液控式控制阀，长液控管线作用下控制阀的动作时间、运行压力及可靠性等的影响因素研究较少。

自2008年以来，中国石油集团科学技术研究院针对智能完井技术进行了持续研发和攻关，并已形成了一套完整的液控光纤监测型智能完井系统IC-Riped。井下流量控制阀为智能井智能开采的核心工具。笔者介绍了IC-Riped的井下液控多级流量控制阀(HO-FVC)的设计及试验测试，在试验基础上特别对液控管线的压力损失进行了分析，并建立了压力损失与进油流量的定量关系。研究结果为控制阀实现精确控制提供了试验和理论支撑。

1 流量控制阀技术分析

由于液压驱动式井下流量控制系统在耐温性和可靠性等方面的优势，所以IC-Riped的井下流量控制系统为液控式，其主要由地面液压控制系统、Ø6.35 mm液控管线、管缆穿越式封隔器和井下液控多级流量控制阀组成，图 1为实物图。其中地面液压控制系统输出压力80~100 MPa，4通道输出，控制距离6 000 m以内，具备控制阀状态监测功能；管缆穿越式封隔器密封上/下压差达52/62 MPa，耐温125 ℃，具有6个管线穿越孔；液压控制管线外径6.35 mm，壁厚1.2 mm，耐压达70 MPa。

1.1 结构

图 2为井下液控多级流量控制阀的结构示意图。控制阀主要由上接头、上内筒、上外筒、上活塞、滑筒、中间套、销钉、防砂筛管、油嘴套筒、下内筒、下活塞、下外筒和下接头组成。

上接头带有液压油通道，外端与液压管线连接，内端与上内筒、上外筒通过螺纹连接，与活塞形成环形液压缸。滑筒在活塞的推动下可以自由滑动。中间套上端与上内筒通过螺纹连接，下端与油嘴套筒通过螺纹连接，油嘴套筒下端又通过螺纹与下内筒连接，形成固定内部结构。销钉安装在滑筒上，可以在中间套上的J形槽(见图 3)中滑动。下接头内部带有液压油通道，外端与液压管线连接，内端分别与下内筒和下外筒通过螺纹连接。

1.2 原理

油嘴套筒上分布有直径不同的油嘴，在上、下活塞推动下，滑筒带动销钉上、下滑动，销钉到达J形槽的设计位置时，滑筒上的过油口与油嘴套筒上的某个油嘴对准，通过调节销钉在J形槽中的位置，改变与滑筒过油口对准的油嘴，从而调节控制阀的进油量，最终可实现从地面对井下各油层流动状态的远程多级实时调控。

1.3 关键技术

在控制阀的优化中，采用了双J形槽和双销钉结构，以保证滑筒运行平稳。为了保证高温高压下控制阀良好的密封性，对控制阀的动、静密封进行了优化设计，并采用进口密封圈进行密封。在液控管线与控制阀的连接位置增加了管线锁定装置，以保证现场连接可靠性。

1.4 主要技术参数

适用于Ø177.8 mm套管油井的流量控制阀长度2 380 mm，最大外径140 mm，最小内径60 mm，控制阀可实现7级流量调节。

2 流量控制阀耐高温高压试验

采用试压泵(额定压力80 MPa，额定流量20 L/h)在常温下对流量控制阀加内压。首先将压力增加到50 MPa，控制阀保持压力10 min，各部位无泄漏；压力增加到70 MPa，同样保压10 min，控制阀各部位依然无泄漏。为了验证控制阀的耐高温性能，将控制阀放置于高温箱中，温度设置为150 ℃，同样在压力50和70 MPa时各保持10 min，控制阀各部位无泄漏。

使用长度较短(≤5 m)的Ø6.35 mm液控管线将控制阀与地面液压控制系统相连接，对控制阀进行动作测试。当地面液压控制站的运行压力达到5 MPa，也即液控管线进口压力达到5 MPa时，控制阀开始运动，由全开状态运动到下一个状态。最终完成7种流量状态调节，重新达到全开状态，一共用时约30 min，控制阀平均进油流量约为300 mL/min，整个动作过程，控制阀运行平稳，状态调整准确。

3 流量控制阀长管线操控试验

使用3 000 m长Ø6.35 mm液控管线将控制阀与地面液压控制系统相连接以模拟控制阀在井下的操控及运动情况。图 4为控制阀不同动作状态时运行压力和流量随时间的变化曲线。流量控制阀运动过程中存在8种运动状态，按图 5所示规律循环变化，对应流量状态为7种，即全开、全关、A、B、C、D和E状态。试验前，控制阀状态为全开，液控管线已提前注满液压油。

地面液压控制站设定的最大输出压力为52 MPa，在测试过程中，记录控制阀由一个状态运动到下一个运动状态时的运行压力、进油流量、回油流量和目测控制阀到位时间，时间间隔约10 min。由图 4可知，在每个状态下，地面液压控制站的运行压力都不断增大，但增幅较小，最大增幅仅4 MPa；但运行压力最小也达到30 MPa，远大于短管线时的运行压力5 MPa，说明长管线摩阻较大，导致管线压力损失较大。进油流量则是不断减小，最终降为0，而回油流量则是首先从0增加到最大，接下来不断减小，最终降为0。当进油流量和回油流量都降为0时，可以判定控制阀到位，完全运动到下一个运动状态了，控制阀在井下时，可通过地面液压控制系统显示的这2个流量参数来判定控制阀是否到位。图 6所示为控制阀各运动状态的动作时间及进油量。由图可知，动作时间远大于短管线时的动作时间，最短用时A状态到全开状态也需要38 min，最长用时则达到60 min。这表明在现场应用中，控制阀的操控时间将较长。由于各运动状态控制阀滑筒的运动行程不尽相同，所以各运动状态的进油量也不相同，最小进油量为930 mL，最大为1 290 mL。

4 流量控制阀液控管线压力损失

根据现场操作及借鉴国外经验，控制阀相邻状态的动作时间不宜超过1 h，时间过长导致调节效率降低，过短会导致状态判断困难。而动作时间与液控管线压力损失密切相关，为此对液控管线压力损失的影响因素进行了分析，以实现控制阀的精确控制。由前述短管线控制阀操控试验可知，当地面液压控制站的运行压力达到5 MPa，控制阀开始运动，由于此时管线较短，管线压力损失可以忽略不计，所以可认为控制阀动作的临界压力为5 MPa。在使用长管线对控制阀进行操控试验时，在目测控制阀到位时间前(图 4虚线所示之前时间位置)，可以认为控制阀处于平稳运动状态，此时的运行压力与控制阀动作的临界压力5 MPa的差值即为对应进油流量下管线的压力损失。由此根据试验数据计算得到不同运动状态下3 000 m长Ø6.35 mm液控管线的压力损失列于表 1中。由表可知，随着进油流量的增加，管线压力损失也不断增大，在管长3 000 m时，达到最大46 MPa。油液在直管中流动的压力损失Δp可由达西公式(式1所示)进行估算:

(1)

式中：λ为阻力系数；l为管线长度；d为管线的内径；ρ为油液密度；v为油液平均流速。

由式(1)可以看出，在直管中管线压力损失Δp与管线长度l、油液密度ρ、油液平均流速v和阻力系数λ成正比，而与管线的内径d成反比，其中λ与油液的黏度μ、管壁表面粗糙度和油液流动状态等参数有关。

由于液控管线的内径较小(3.86 mm)，且进油流量较小，所以假设液压油在液控管线中的流动为层流，即有λ≈75/Re，Re为液压油的雷诺系数，其计算式为：

(2)

式中：μ为油液黏度。

将λ代入式(1)，又有v=Q/A，Q为进油流量，A为液控管线的内截面积，最终得到Δp如式(3)所示：

(3)

对于确定的液控系统，管线长度l、内径d和油液黏度μ都已确定，由式(3)可知，压力损失Δp仅与流量Q有关。

为了验证理论分析及所做的假设，根据表 1的试验数据，采用数值拟合方法分析了Δp与Q之间的关系，结果见图 7。由于进油流量Q测量时不断波动，所以横坐标为Q的平均值，纵坐标为对应的管线压力损失Δp。拟合得到Δp=1.836Q^0.983，两者近似呈线性关系，与式(3)得到的Δp与Q之间的关系基本一致，表明前述的理论分析正确，液压油在液控管线中的流动确实可近似为层流。在控制阀的现场调控中，可以增大进油流量Q，以减少控制阀的动作时间，但由于管线压力损失也随Q增加而呈线性增加，所以当地面液压控制站的最大输出压力一定时，控制阀动作时的进油流量Q存在一个最大值。IC-Riped系统地面液压控制站的最大输出压力为80 MPa，控制阀动作的临界压力为5 MPa，因此控制阀动作时允许的最大压力损失为75 MPa，通过上述拟合公式计算得到最大进油流量为43.556 mL/min，约为3 000 m长管线试验时控制阀在各状态进油流量的2~3倍，可以据此推算在地面液压控制站的压力设为最大值时，控制阀各运动状态的动作时间将缩短为试验时的⅓~½。同时由式(3)可知，选用黏度较低的液压油也有助于增大进油流量，缩短控制阀的动作时间。

5 结论

(1)通过双J形槽、双销钉结构及其他优化设计，智能完井系统IC-Riped的井下液控多级流量控制阀可实现7级流量调节，耐压70 MPa，耐温150 ℃。

(2)控制阀地面操控试验结果表明：控制阀动作运行平稳，流量状态调整准确，满足现场要求。

(3)通过理论分析和试验数据分析相结合，对控制阀液控管线压力损失的影响因素进行了研究，得到管线压力损失Δp与进油流量Q的定量关系为Δp=1.836Q^0.983，验证了液压油在液控管线中的流动可近似为层流。这些数据和分析为控制阀实现精确控制提供了扎实的试验和理论支撑，并为智能完井井下流量控制系统的优化设计提供了依据。