油氣井智能開采技術(shù)綜述與發(fā)展趨勢

劉寧 (長江大學(xué)石油工程學(xué)院)

王英敏 (河南油田勘探開發(fā)研究院)

油氣井智能開采技術(shù)綜述與發(fā)展趨勢

劉寧 (長江大學(xué)石油工程學(xué)院)

王英敏 (河南油田勘探開發(fā)研究院)

油田數(shù)字化是目前油氣田發(fā)展的新趨勢,而智能井技術(shù)是實(shí)現(xiàn)油田數(shù)字化的主要構(gòu)成部分,是實(shí)時油藏管理的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元,通過安置在油藏平面上的傳感器與控制閥,可以對油藏與油井的動態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,分析數(shù)據(jù),制定決策,改變完井方式,以及對設(shè)備的性能進(jìn)行優(yōu)化,從而提高油藏采收率,增加油井產(chǎn)量;減少作業(yè)中投入的勞動力,更有效地進(jìn)行油氣藏管理。本文敘述了智能井技術(shù)的發(fā)展歷史、原理及特點(diǎn),并結(jié)合實(shí)例說明了其技術(shù)優(yōu)勢以及國內(nèi)外智能井的發(fā)展趨勢。

數(shù)字油田 智能井 系統(tǒng) 傳感器 智能完井

1 簡介

智能井技術(shù)是為了適應(yīng)現(xiàn)代油藏經(jīng)營管理和信息技術(shù)應(yīng)用于油氣藏開采而發(fā)展起來的新技術(shù),通過生產(chǎn)動態(tài)的實(shí)時監(jiān)測和實(shí)時控制,達(dá)到提高油藏采收率和提高油藏經(jīng)營管理水平的目的[1]。

自從1997年世界上第一套智能井系統(tǒng)(SCRAMS)在北海首次安裝,全球智能井系統(tǒng)的應(yīng)用迅速加快,其功能和可靠性有了顯著的提高。例如,貝克休斯公司1999年推出的液壓智能井系統(tǒng)InForce TM已商業(yè)化;2000年下半年將其全電力智能井系統(tǒng)InChargefM推向市場;其他的智能井系統(tǒng)有斯倫貝謝公司的油藏監(jiān)測和控制(RMC)系統(tǒng)、BJ公司的系列智能井儀器和威德福公司的Simply IntelligentTM智能井系統(tǒng)[2]。

目前,各種類型的電力智能井系統(tǒng)、電力-液壓智能井系統(tǒng)與光纖-液壓智能井系統(tǒng)均已成功應(yīng)用,這些技術(shù)將油藏動態(tài)實(shí)時監(jiān)測與實(shí)時控制結(jié)合在一起,為提高油藏經(jīng)營管理水平提供了一條嶄新的途徑。

2 智能井技術(shù)原理及特點(diǎn)

智能井這個術(shù)語一般指基本過程控制向井下的轉(zhuǎn)移,是一個實(shí)時注采管理網(wǎng)絡(luò),是一種利用放置在井下的永久性傳感器實(shí)時采集井下壓力、溫度、流量等參數(shù),通過通信線纜將采集的信號傳輸?shù)降孛?利用軟件平臺對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、分析和學(xué)習(xí),同時結(jié)合油藏數(shù)值模擬技術(shù)和優(yōu)化技術(shù),形成油藏管理決策信息,并通過控制系統(tǒng)實(shí)時反饋到井下對油層進(jìn)行生產(chǎn)遙控、提高油井產(chǎn)狀的生產(chǎn)系統(tǒng)[2]。智能井系統(tǒng)的主要構(gòu)成和用途,如圖1所示[3]。

圖1 典型智能井系統(tǒng)組成和用途

在油田開發(fā)過程中,智能井的主要優(yōu)點(diǎn)是:①優(yōu)化產(chǎn)量和儲量采收率;②最大限度地降低基建費(fèi)用 (CAPEX)和作業(yè)費(fèi)用 (OPEX);③更加有效地管理油藏。

在油田開發(fā)過程中,智能井的基本用途:①控制注入井內(nèi)的注入水或注入氣沿井眼分布;②控制或隔斷生產(chǎn)井內(nèi)無用流體從井眼流出;③通過合采加速生產(chǎn)。

智能井的其他用途:①能夠有效地管理油藏采油過程,特別是對二次注水或三次EOR采油項(xiàng)目尤為重要;②智能井還能控制注入水或注入氣在井內(nèi)層間、隔層間和油藏間的分布,從而限制或隔斷無用的流出物從井內(nèi)不同產(chǎn)層產(chǎn)出,因此,作業(yè)者能夠管理注水或采油過程,使未波及到的儲量得以動用;③控制壓降,確保井眼的穩(wěn)定性;不同儲層流體組分混合;控制自流;連接井;氣舉和自動氣舉;減少干擾或進(jìn)行遙控等作用[4]。

總之,智能井技術(shù)是一種強(qiáng)有力的工具,它有助于處理油田開發(fā)中經(jīng)常遇到的各種地下不確定因素,解決各種挑戰(zhàn)性問題。包括:驅(qū)動機(jī)理對采收率的影響、油氣空間展布對注采剖面的影響或者像含水層或儲層隔層等其他因素的影響,同時,也可以減少地面基建設(shè)施成本[5]。

為了實(shí)現(xiàn)智能井的實(shí)時監(jiān)測與實(shí)時控制功能,需要解決關(guān)鍵的技術(shù)與之匹配,包括:[6-7]

◇特殊的傳感器和信息傳輸系統(tǒng) (高溫高壓環(huán)境下可以正常工作、更換或維修)。

◇可自動控制的開關(guān)滑套或流量控制閥。當(dāng)井下傳感器測得某層段大量出水而需要將其關(guān)閉時,可以通過地面控制系統(tǒng)下達(dá)指令關(guān)閉出水層段閥門,實(shí)現(xiàn)智能控制;也可以自動調(diào)節(jié)開關(guān)滑套的入孔流量、生產(chǎn)壓差,達(dá)到優(yōu)化各層流量的目的。

◇動力提供與儲存技術(shù)。提供傳感器、滑套、流量控制閥開關(guān)的動力,電纜傳輸?shù)姆绞教峁┗蚋吣茈姵亟M提供。

◇匹配的完井工藝技術(shù)。多油層之間安裝帶封隔器、傳感器和智能化控制閥的完井管串。

◇井口貫入技術(shù)。智能井的關(guān)鍵技術(shù)之一是電源線、儀表電纜、液壓控制線、光纜等穿越井口的技術(shù)。

◇電纜斷開裝置技術(shù)。井下舉升設(shè)備更換時,如果將電泵與控制管纜配置在同一油管上,需要為智能井的液壓控制管線和電源線提供井下濕式斷開裝置。

3 國內(nèi)外應(yīng)用實(shí)例

油氣井智能分層配產(chǎn)找堵水增采技術(shù)在長慶油田X43-23井進(jìn)行的現(xiàn)場應(yīng)用證明該技術(shù)具有見效快、有效期長、工藝過程簡單、成本低的特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)找水、堵水和配產(chǎn)的功能,配套工具穩(wěn)定可靠。可在地面直讀測試數(shù)據(jù),更直觀地分析目的層采油情況,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)油田開發(fā)良性循環(huán)拓展空間[8]。其地面配套和井下管柱組成見圖2。

拉美國家的作業(yè)者在電潛泵采油井中運(yùn)用智能完井技術(shù)[9],使用可調(diào)式節(jié)流閥技術(shù)來優(yōu)化多油層的合采,最終改變了油藏動態(tài) (圖3)。

其原理是:利用井下監(jiān)測系統(tǒng)提供上下兩個層的壓力、溫度以及下層的流量和含水資料。通過獨(dú)立的可調(diào)式節(jié)流閥來控制兩個層段的生產(chǎn),從而能夠以最優(yōu)化的壓力降和產(chǎn)量進(jìn)行選層生產(chǎn)。目前,已在5口油井中成功應(yīng)用,與常規(guī)完井相比,通常增產(chǎn)油量達(dá)1 500～3 000 bbl/d(1 bbl/d=0.159 m3/d)[10]。

圖2 智能分層配產(chǎn)找堵水技術(shù)地面配套和井下管柱組成示意圖

圖3 智能完井示意圖

4 最新應(yīng)用和發(fā)展趨勢

4.1 智能井技術(shù)在非常規(guī)油氣資源開發(fā)中的應(yīng)用

隨著智能井技術(shù)的不斷完善,將不再局限于常規(guī)的成熟油田或深水油田,而是逐步發(fā)展應(yīng)用于非常規(guī)油氣資源的開發(fā)。

4.1.1 低滲透致密油氣藏[11]

低滲透致密油氣藏由于其儲層的特殊性,一般需要人工水力壓裂才可以改善開發(fā)效果。遠(yuǎn)程控制的水力壓裂閥可以對水平井多個層段有選擇性地實(shí)施高效增產(chǎn)作業(yè),而且還可以通過取消連續(xù)油管起下作業(yè)縮短增產(chǎn)作業(yè)時間。此種壓裂閥可以用水泥就地封固,水力壓裂后可進(jìn)行簡單的選擇性生產(chǎn)測試和洗井,隨后能夠操控此閥封堵水 (氣)的侵入。

4.1.2 稠油蒸汽驅(qū)和SAGD

蒸汽驅(qū)和SA GD是針對稠油的一種常規(guī)開采工藝,通過注入蒸汽降低稠油黏度。這類開采工藝的經(jīng)濟(jì)效益取決于均勻加熱稠油的蒸汽的高效分配,以及蒸汽從注入井突破到生產(chǎn)井時立刻關(guān)閉蒸汽的能力。目前正研制中的智能井蒸汽閥是專門為水平井蒸汽驅(qū)設(shè)計的。智能井技術(shù)可使操作者控制蒸汽均勻地沿著分支分配,采用分布式光纖溫度傳感器識別蒸汽突破,并通過在注蒸汽分支或者產(chǎn)油分支中選擇性地隔離突破而及時關(guān)閉蒸汽,提高了稠油注蒸汽開采的效率。

4.1.3 高溫/高壓以及特殊環(huán)境的油氣藏

隨著智能井技術(shù)在深井中的使用越來越多,現(xiàn)在正在設(shè)計適用于高溫/高壓環(huán)境的新型智能井設(shè)備[12]。新一代層間控制閥,現(xiàn)在可以承受15 kpsi(1 psi=6.895 kPa)的高壓和163℃的高溫。而且逐漸應(yīng)用到復(fù)雜地區(qū)、灘海及深海等惡劣環(huán)境的油氣藏。

4.2 國內(nèi)外智能井技術(shù)發(fā)展趨勢

目前,智能井系統(tǒng)的可靠性雖然有明顯的提高,但還是存在風(fēng)險,需要在目前基礎(chǔ)上研發(fā)出能在成熟油田推廣應(yīng)用、具備新能力、可應(yīng)對新的市場挑戰(zhàn)、應(yīng)用范圍不斷拓寬的智能井方案。

4.2.1 智能井技術(shù)與數(shù)字油田的建設(shè)相結(jié)合

“數(shù)字油田”技術(shù)是集綜合信息學(xué)、地質(zhì)學(xué)、石油勘探開發(fā)學(xué)和管理學(xué)等眾多學(xué)科于一身的新技術(shù)[13]。它貫穿油田整個生命周期,是以加快生產(chǎn)、減少停工期、提高效率、降低鉆井成本、追求最終采收率最大化為目的的一個宏觀過程,從而可以發(fā)展以智能井為基本構(gòu)成單元的“數(shù)字油田”。

4.2.2 智能井技術(shù)將向前饋控制技術(shù)方向發(fā)展

當(dāng)前,智能井技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種“反饋控制技術(shù)”,即一種依據(jù)反饋信息調(diào)節(jié)被控對象,使之保持或修正預(yù)定狀態(tài)的過程。隨著技術(shù)的集成和自動化程度的提高,將來可能采用一種前饋控制技術(shù)來優(yōu)化以后若干段時間內(nèi)可能要發(fā)生的油藏響應(yīng)。它是一種建立在預(yù)測基礎(chǔ)上面向未來的控制方式,意在防患于未然。該技術(shù)體現(xiàn)了智能井技術(shù)發(fā)展和數(shù)字油田經(jīng)營理念上的一個顯著變化,需要在今天的最佳產(chǎn)量和明天的最終采收率之間取得平衡,以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)優(yōu)化決策。

5 結(jié)論

(1)智能井技術(shù)是一項(xiàng)很有潛力的技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)油田的遠(yuǎn)程管理,達(dá)到高效開發(fā)油田的目的。

(2)智能井技術(shù)應(yīng)用于X43-23油田,可實(shí)現(xiàn)找水、堵水和配產(chǎn)的功能,從而提高油田最終采收率,經(jīng)濟(jì)效益顯著;智能完井技術(shù)也顯著地增加了產(chǎn)量。它具有其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)越性。

(3)隨著智能井技術(shù)不斷地集成各種新技術(shù)、功能更加完善,智能井將應(yīng)用于陸上成熟油田特殊油氣藏的開采;智能井技術(shù)也適用于小位移、小斜度井,遙遠(yuǎn)地域作業(yè)油井,及多層注采井和電潛泵井的應(yīng)用,以期在一次采油階段就能獲得相當(dāng)高的采收率。智能井技術(shù)在大幅度提高采收率和產(chǎn)量、降低井的建設(shè)成本方面有著廣闊的應(yīng)用前景;也能促進(jìn)油田數(shù)字化的發(fā)展。

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10.3969/j.issn.1002-641X.2010.11.009

2010-06-09)