随着油井规模化开发和生产时间的延长，开发生产中的问题逐渐暴露出来：一是初期产量高，但递减幅度大，递减速度快；二是部分油井投产即见水，含水上升快，水淹严重。这主要是因为油井钻完井时仅考虑产能、防砂、油层保护等因素，对分层段的生产控制、产液剖面监测、分层段改造和卡堵水缺少考虑^[1]，特别是水平井井眼轨迹和流体流动状态与直井相比发生很大变化，原有的直井测调技术不能适应水平井流量分段测量的需要。目前，油井分层段开采堵水、卡水主要有液力找堵水方法和电控找堵水方法^{[2, 3]}，分别配有液控找堵水开关控制器和井下滑套开关控制器，这2种方法均不适用于水平井控水稳油^{[4, 5, 6]}。因此，迫切需要研制一种可控性高、对地层无污染、可减少作业费用的自主控制井下工具，实现水平井分层段开采；同时在生产过程中可以及时调整生产层段，以达到控水稳油的目的。

笔者针对以上问题，研制了油井声控压差平衡式开关控制器，采用声波控制技术，在地面控制井下开关控制器动作，开关控制器下到目的层，封隔器根据地质条件将生产井段分为3~4段打压坐封，动力源带动电机驱动装置使活塞上下运动做“开”或“关”的动作，完成对水平层段的打开和关闭，进行分层段开采作业，找出并关闭出水层，打开产油层。

油井声控压差平衡式开关控制器要求可控性高、多级多段控制和分层准确，还可以在生产过程中及时调整生产层段，以达到控水稳油的目的。根据以上设计思络，从材料和工艺等方面论证与研究后，决定用开关启动器控制井下分层开关，实现井下分层找水。开关控制器的基本结构如图1所示。

图1 油井声控压差平衡式开关控制器结构剖面 Fig.1 The structure of an acoustic controlled pressure switch for oil wells 1.油井压差平衡式开关阀；2.油套变扣接头；3.锁紧螺母；4.进液基座；5.套管变扣接箍；6.油管；7.驱动总成； 8.直流伺服电机机组；9.电机控制电路；10.过线密封接头；11.由壬接箍总成；12.扶正环；13.电机供电电池组； 14.声波接收解码器；15.声波接收解码器供电电池组；16.聚氨酯水听器

图选项

为了适应井下恶劣的工作条件，设计时充分考虑了高压密封性、防震抗冲击性及防砂堵砂卡技术性能，采用了独特的自适应动态压力平衡系统^[7]及电子开关体精密检测限位技术，确保仪器长期在井下工作的稳定性和可靠性。

井下开关控制器设计有进液通道，单层进液孔与进液通道连通，单层进液孔中安装有活动柱塞体，活动柱塞体与智能控制系统相连接，在智能控制系统中安装有高温直流伺服电机、减速器和动态平衡系统。

其他层位的流体可穿越整个仪器体的内部环形通道流动，不受单层进液孔控制。

油井声控压差平衡式开关控制器连同封隔器将生产井段分为3~4层段，地面打压坐封封隔器，此时活塞阀承受20 MPa的压差。地面发射声波控制信号，通过油管传输至井下，井下的信号接收装置接收声波信号，通过信号转换器转换为电信号，经模数转换为数字信号，输入到单片机，单片机根据预制的编码方案判断是否为有效信号，然后根据信号代表的控制信息给控制电路发送动作指令，动力源驱动电机带动活塞做上下往复运动进行“开”或“关”动作，完成对层段的打开和关闭，进行分层段生产。地面进行液量和含水的变化情况分析，判断各分层段的产油、产水情况；判断清楚各生产层段的地质情况后，由地面发射控制信号，打开产油层段，关闭主产水层段，进行换层换段生产，实现油井分层段开采作业。

开关控制器最高工作压力30 MPa，最高工作温度120 ℃，程控开关可循环次数为10次(标准值)，井下连续工作时间不小于3个月，外形尺寸为φ88.9 mm×1 220 mm，泵径大于44.0 mm。

1) 开关控制器电源正向供电时活塞或阀体关闭，可以关闭生产层位;反向供电时，活塞或阀体打开，可以打开生产层位,实现相应油层段的生产或封堵。

2) 在油井不停、不动生产管柱的情况下，通过控制井下开关控制器,实现任意层段找水、堵水调整和换层生产，也可根据堵水后的生产情况，反复调整堵水层段。

3) 封隔器与开关控制器可多级组合使用,实现多层段找水、堵水作业。

4) 开关控制器的由壬接箍连接引线采用航空对接技术，仪器易拆卸，连线不易缠绕。在井下地层静压条件下，开关控制器可承受20 MPa坐封封隔器压差，活塞在电机机组驱动下可做上下往复运动，完成对层位的打开和关闭。采用了独特的自适应动态压力平衡系统结构设计，可以充分适应恶劣的井下环境。

5) 声波控制对油井井下环境和介质没有要求^{[8, 9]}，利用声波信号传导数字信息，可以实时采集钻采动态数据，改变了现有的单一井下各层声波测试回放技术，是一种高可靠性分段流量控制方法，实现了油井钻采控制的自动化和智能化。

根据生产要求进行管柱工艺设计，为了保证井下工艺管柱分层的可靠性和长期有效性^[10]，同时考虑生产层位的压力低于其他层位时，可能会造成封隔器的上压力大于下压力^[11]，因此选用带平衡腔、坐封可靠、密封性能好的封隔器^[12]。如果进行不丢手作业，建议采用泵后加伸缩管的方式，减小油管蠕动对封隔器的影响，提高封隔器分层的有效性；同时，为防止由于 “速敏”现象产生的出砂，建议使用沉砂装置，防止出砂落到封隔器胶筒上。

井下开关控制器是由单片机系统控制的受控精密电子开关体。当井下开关控制器与分层测试管柱组合下井后，位于各层段的电子开关体根据接收到的控制信号自动打开或关闭该层段的流体通道。

各层段的电子开关控制器随测试管柱一次下入井内后，测试管柱各封隔器坐封完成油层分隔。当接收到地面发出的控制信号时，测控仪会自动打开或关闭某一产油层段，在地面井口计量和取样，可取得打开或关闭该层后的产液量和含水率数据。该层段测试完成后，地面向井下发射控制信号，自动打开或关闭另一层段的开关控制器，取得新的层段的产液量和含水率数据。依次类推，即可先后获得井下各层段被单独打开或关闭的各分层产液量和含水率数据。同时，配合无电缆传输测试仪，对各分层压力、温度测试资料进行综合分析，完成井下高出水层判断和层间干扰等的解释^[13]，根据解释结果关闭高含水层，打开产油层。

1) 利用一次管柱即可完成分层(分段)测试和分层(分段)生产^[14]，能够准确了解井下各生产层段的实际生产情况，在不需要动管柱的情况下进行换层(段)生产。

2) 传输信号采用声波或电磁波控制，可以实现地面与井下通讯，能够随时了解地下的动态，并作出调整。

3) 在分层(分段)测试和换层(换段)生产中，不需要泵车、测试车和绞车等设备，同时不影响油井正常生产，操作简单，作业成本低。

4) 对于斜井，尤其是水平井，在无法进行常规产液剖面测试的情况下^[15]，利用该工艺可以提供测试资料和地质动态资料。

耐静压试验 将整套仪器组装后，放入密闭的油管打压，检验开关控制器的抗压能力。试验表明，开关控制器在耐压50 MPa条件下，不渗不漏，不发生形变。

耐压差试验 验证开关控制器在封隔器坐封或关闭高压产液层的耐压差能力，采用双级柱塞密封，同时增加动态平衡功能，关闭开关阀，从开关阀出液口打压，模拟井下工作状态“打开”，活塞在承受25 MPa的压差条件下，电机驱动活塞上下往复运动，工作正常，动密封不渗不漏。

高温高压“打开”、“关闭”试验 将开关控制器放入密闭的油浸试验罐里，在温度125 ℃、压力50 MPa条件下，时钟电路设置开关控制器在168 h内、每隔2 h进行一次“打开”、“关闭”的工作状态试验。开关控制器断电降温泄压后，取出检查，其静密封、动密封完好无渗漏，开关阀无变形，电机驱动装置完好，达到设计技术指标。

开关控制器下入井下50，200和450 m处，通过地面信号控制可以正常“打开”、“关闭”，试验数据见表1。

模拟井试验结果表明：1)无线传输声控井下分层段开采工艺方案设计合理可行；2)声波信号可以传输到井下，能够独立控制各层开关控制器；3)井下开关控制器开关灵活，满足现场需要。

整个试验系统可靠性得到充分验证以后，在华北油田X井进行了系统整体的联调试验。根据现场试验井的基本数据，开关控制器下至井深1 257 m处，封隔器坐封后通过套管传输地面控制信号，根据地面产量、示功图等判断井下开关控制器的状态,X井现场工艺管柱如图2所示。

图2 X井现场工艺管柱示意 Fig.2 Sketch of technical pipe string at the X well site

图选项

开关控制器关闭后的产液量变化情况见图3。

图3 开关控制器关闭后油井产液量变化曲线 Fig.3 Changes in fluid productivities of the oil well after closing the switch

图选项

现场联调试验结果表明：1)声波信号可以传到井下2 800 m深处，信噪比能够满足实际需要；2)油管可以作为信号传输介质；3)系统设计合理，能够正常工作，整个系统在井深1 257 m处，地面指令关闭地层正常。

室内和现场试验表明：1)油井声控压差平衡式开关控制器设计合理可行，开关灵活，符合现场需要;2)声波信号可以传输到井下，能够独立控制各层开关控制器，解决了信号传输问题;3)开关控制器整套仪器组装后，动密封结构、压差平衡密封结构的密封性能好,机械传动部件可以正常打开关闭开关控制器，开关控制器打开关闭自如，符合设计要求;4)井下开关控制器采用双级柱塞结构，并在柱塞的两侧增加了平衡孔，消除了油套压力不平衡的影响;5)开关控制器在现场温度125 ℃、静压40 MPa条件下不渗不漏，活塞阀在承受20 MPa坐封封隔器压差条件下可正常上下往复运动，能够顺利“打开”或“关闭”。

1) 为了实现找卡水、分层开采管柱一体化，研发了机电一体化的新型油井声控压差平衡式开关控制器。

2) 油井声控压差平衡式开关控制器为油井分层段开采找堵水提供了一种新方法，实现了地面与井下之间的无线信号传输及控制，达到油井分层找卡水和换层生产的目的，并可以及时进行调整。

3) 油井声控压差平衡式开关控制器具有很好的技术拓宽空间，利用该技术可遥控井下多种可控工具，实现井下工具的智能化和自动化。