油藏動態實時監測與調控

張 凱,姚 軍,劉均榮,吳明錄,閆 霞

(中國石油大學(華東)石油工程學院,山東青島266555)

油藏動態實時監測與調控

張 凱,姚 軍,劉均榮,吳明錄,閆 霞

(中國石油大學(華東)石油工程學院,山東青島266555)

油藏動態實時監測與調控是智能化油田管理的核心內容之一。該技術以節約生產成本、最大化油田經濟效益為目標,將油藏實時監測、數據分析解釋、油藏數值模擬、方案實時優化與生產調控等多項技術集成一體,為制定油田生產預警、開發方案調整、增產增注等措施提供技術支撐與保障,具有廣闊的應用前景。介紹了動態監測與控制系統組成和現場應用案例。

動態監測;智能化管理;實時控制;應用

隨著經濟的發展,世界對石油的需求不斷增長,為了在節約生產成本的前提下盡可能多地采出地下原油,要求各大石油公司加強油田開發的監測與管理,根據實際開發狀況,進行有針對性的調控與處理,實現效益的最大化,油藏動態實時監測與控制技術正是基于這樣的理念提出來的。

1 油藏動態監測與控制技術概述

a) 該技術構建了一個實時注采管理的框架,利用放置在井下的永久性傳感器,實時采集井下設備的工況以及生產層段的壓力、溫度、流量、含水等參數,通過通信電纜/光纜將采集的信號傳輸到地面,對其數據進行挖掘、分析及處理,結合油藏數值模擬技術與最優化調控理論,形成適用于當前油田開發狀況下的調控方案與決策信息,再采用自動控制或者人工調控的方式將相應的信息反饋至生產系統,調控油水井生產,提高油田的采收率[1-5]。

b) 該技術能夠將油水井層間隔離、流量控制、機械采油、長時間監測、出砂控制等多項功能安全可靠地結合起來,由地面實時地對單井多層段油氣生產或多分支井中單分支井眼的油氣生產進行監測和控制,實現優化生產,降低生產成本,改善油藏開發效果的目標。

c) 該技術不僅適用于陸地油田生產開發,在沙漠和海洋地區更是有著較好的應用前景。

2 動態監測與控制系統

2.1 系統組成

油藏動態實時監測與控制系統(如圖1～2)一般包括4個部分。

圖1 油藏動態實時監測與控制系統

圖2 油藏動態實時監測系統示意

a) 井下信息監測系統 主要由永久安裝在井下的、間隔分布于整個井筒中的井下溫度、壓力、流量、位移、時間等傳感器組構成。隨著光纖技術的發展,普通傳感器逐步被光纖傳感器替代。井下光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐高溫、精度高、靈敏度高、漂移小、壽命長、可靠性高等特性,在復雜的井下環境中具有更大的應用優勢。

在油氣井井下壓力/溫度監測中經常采用的光纖傳感器有光纖干涉型(M-Z、F-P)、拉曼散射型、側研磨光纖型、光纖布喇格光柵型等4種類型,其中,光纖布喇格光柵傳感器(FBGS)是近10 a來發展起來的新一代光纖傳感器,其測量信號不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗、探測器老化等因素的影響,在1根光纖中能夠串接多個、甚至數百個布喇格光柵進行大范圍、大容量、遠程分布式測量,適合大型工程多種參數的長期安全監測,是實現井下壓力、溫度、流量等多參數、多點位實時監測的最理想選擇[6]。

b) 井下生產控制系統(如圖3) 主要通過井下節流技術來實現對層段或分支流量的控制,由井下封隔器、可遠程調控油嘴、節流器、井下控制滑閥和安全閥等組成。系統可以采用液壓控制、電動控制或者液壓/電動控制,目前在石油工業安裝的大部分是液壓驅動流量控制裝置,該裝置作用力能達到300 kN,可在井下雙向驅動任何流量控制裝置,由于作用力大,在井筒結垢、腐蝕、摩阻增加的情況下更可靠。

c) 井下數據傳輸系統 井下數據的通信方式主要有電纜和光纖2種。將井下工具與地面計算機連接起來,可以實現在一條傳輸媒介上進行多種數據信息的傳遞,最大限度地、有效地利用資源,即使是在井下有電潛泵的情況下,信號也不會受到影響。

圖3 井下生產控制系統構成[7]

d) 地面系統(如圖4) 包括高性能計算機和分析數據用軟件,用于實時數據存儲、分析和處理,結合油藏工程方法、油藏數值模擬與預測方法、優化方法等理論,得到有效可行的調控方案,再通過地面控制系統將信息實時反饋至井下,優化生產。

圖4 地面及井下子系統構成

2.2 特點和優勢

油藏動態實時監測與控制技術將多項功能集成一體,與常規生產管理技術相比,技術優勢突出。

a) 遠程調控管理[8-9]通過地面系統能夠實時管理井下各井、各個層位流入控制閥的大小,有選擇地開關某一油層,實現在不經過措施調控對井身結構的重配。由于實時監測與控制系統具有遠程調控功能,特別適用于調整井和修井費用高的環境,包括海下油井、深水油井、沙漠油井、遠距離無人操作的油井等。

b) 動態實時監測[10]對井下資料的長時間檢測具有較強的連續性和較高的測試精度。通過地面數據庫將測試數據(包括地震測試、壓力、溫度、流量、含水、粘度、組分等)進行存儲,能夠用于長時間試井解釋及油藏動態模擬等技術,減小不穩定試井分析中的模糊性和不確定性,獲得更準確的油藏模型,得到更多的關鍵信息。

c) 節約成本提高油田最終采收率[8-9,11]可以通過減少大量的井筒維修工作量,優選采油方式和工作制度達到節約生產成本的目的?？筛鶕_發過程中的實際情況,采用多層油藏按序生產、多層合采、開采隔層中的油環、恢復驅替過程、流動剖面控制、多分支井生產、井下測試、自動氣舉等多種生產方式,控制水或氣的錐進現象,實現提高油田最終采收率。

由于具有上述特點與優勢,國外許多技術服務公司和油公司如WellDynamics公司、Schlumberger公司、Baker Oil Tools公司、Weatherford公司、Halliburton公司、Roxar公司、Sensa公司等,都投入了大量資金進行該技術的研發和應用。目前, WellDynamics公司、Schlumberger和 Baker Oil Tools公司的研究處于領先地位。

3 優化調控理論

在監測的基礎上,實時將最優方案反饋至生產系統,維護油藏開發處于最優的狀態,就需要完善油藏生產的優化理論。常規方案的制定是通過油藏模擬來實現多次運算,對不同開發方案的效果進行預測和對比,找出相對更優的調控方式。但在方案對比、預測和選擇的過程中,由于人為因素太多,所以基于實時監測的基礎上,將油藏模擬與優化控制理論相結合,提出了實時調控的優化理論,用以獲取不同開發階段油藏的最優開發方案,結合油藏動態監測與控制系統,方便快捷地對需要的油水井進行調控。

自2005年以來,多家石油公司和高校開始開展生產優化方面的研究,該項研究以油藏開發效益最大化為目標,通過優化方法與油藏數值模擬相結合(如圖5),找出油水井的最優調控模式,實現方案的動態調整,以獲得更好的經濟效益。

圖5 油藏監測與優化調控

優化調控理論的方法主要分為3類。

a) 經驗公式與優化理論相結合的方法[12-15]該方法著眼于生產的短期優化,利用便利的經驗公式實時、快速地獲取優化后的開發方案,如油氣井開發指標、新井井位、措施井措施優選等。其優點在于優化結果具有一定的普遍性,高效快捷。但缺點也很明顯,即針對性差,不能考慮地層的非均質特性和進行細分層系優化控制。

b) 梯度算法[16-19]工程問題優化方法主要是以遺傳算法和模擬退火算法為代表的全局搜索算法和以最速下降法和牛頓迭代算法為代表的梯度算法。由于油藏生產動態實時優化問題是一個大規模的最優控制問題,必須以保障計算速度為前提,因此研究學者多采用梯度算法,將最優化理論伴隨算法與油藏數值模擬相結合對生產優化進行研究,通過計算各井注采指標的梯度和多次迭代計算,找出最優調控方案,應用于油田開發的動態調控,改善整體開發效果。但該方法計算復雜,仍有待于進一步的簡化及研究。

c) 隨機動態預測算法[20-21]因為梯度算法較為復雜,所以工程技術人員采用隨機優化算法進行簡化計算,如集合卡爾曼濾波、SPSA等方法,該算法相對梯度算法來說較為簡便,但速度問題仍是一個較大的難題。

通過上述分析可以發現,隨著現場自動化程度的提高,相應的理論研究也隨之開展,通過理論與實際的結合,能夠有效地解決油田開發中遇到的問題,目前這些理論已在全世界多個油田開始試用,取得了很好的效果。

4 現場應用案例

SACROC油田[22]位于美國西得克薩斯州境內Permian盆地的西北邊緣,是北美第7大陸地油田。該油田Canyon Reef油層非均質性強,存在大量巖溶、孔洞和微裂縫,使得孔隙度和滲透率在橫向和垂向上均不連續。2005年,SACROC油田的注CO2強化采油項目對5口井進行了實時監測與控制先導性試驗,目的是驗證井下流量控制閥能否限制或隔離產自采油井高滲透層的CO2,并調控注入的CO2在地層中的分布,以減少CO2在注入井和采油井之間的不必要循環和層間干擾,提高波及效率,增加采油量和提高最終采收率。

在高氣油比的3口采油井(SU X-12、SU X-13和SU X-8井)中安裝了實時監測與調控系統,對SU X-12井單個隔離層段進行流動測試,將測試結果與歷史注入剖面測量結果比較,采用優化調控理論進行預測分析,確定了該井CO2已突破的層段,需要將其徹底關閉。通過地面遠程操作,關閉了SU X-12井突破層段的井下控制閥。關閉突破層前的總采油量為5.247 m3/d,采氣量為5.38×104m3/d,CO2含量為93%。采取措施后,CO2采出量大幅度減少,有效地阻止了CO2的突破,采油量基本保持恒定,取得了較好的效果。該井網水/氣交替注入井周圍其他3口采油井(SU X-6、SU Z-7和SU A-5井)的采油量經歷小幅度下降后逐步上升。采油量增加的原因就是通過阻止CO2向SU X-12井突破,提高了注入井的平面波及效率,改善了井網單元的整體開發效果。

5 結論與展望

1) 油藏動態實時監測適合在復雜的井下環境中長期工作,光纖監測技術由于光纖固有的優勢,已逐步取代了傳統的電子式監測,具有較好的應用前景。

2) 多傳感器、多參數監測將成為未來油藏動態監測的主要發展方向。

3) 井下控制方式目前仍主要采用液壓控制方式,但電動控制方式的優勢已逐步展現,電動、液壓/電動控制方式也開始被油田廣泛使用。

4) 優化調控理論已取得了一定的進展,梯度算法是研究的熱點,但距離實際推廣應用仍存在許多問題,如計算速度、結果的精度等,有待進一步地深入研究。

5) 油藏動態實時監測與控制技術在一定程度上表明了油田的發展趨勢,但就國內而言,目前無論是監控設備,還是理論技術,均處于一個較為滯后的階段,雖有多家公司與院所已開展了相關方面的研究,但距國外仍有不小的差距,有待進一步提高并結合油田實際進行廣泛的應用研究。

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Dynamic Real-time Monitoring and Control of Reservoirs

ZHAN G Kai,YAO Jun,LIU Jun-rong,WU Ming-lu,YAN Xia
(College ofPetroleum Engineering,China University ofPetroleum(Huadong),Qingdao266555,China)

The first boom of research and application on enhanced oil recovery promotes the progress and development of EOR technologies in the 1980s.And then in the 21st century,intelligent oil field management has already launched a second boom of research and application on enhanced oil recovery technology.Dynamic real-time monitoring and control of reservoirs is just the one of the core elements of intelligent field management.The technology aiming at production cost savings and economic benefit maximization integrates several advanced technologies such as real-time reservoir monitoring,data analysis and interpretation,reservoir numerical simulation, real-time plan optimization and production control programs etc.It provides a strong technical support and guarantee for production early warning,development plan adjustment,stimulations and other measures design,and has broad application prospects.

dynamic monitoring;intelligent management;real-time control;application

1001-3482(2010)04-0004-05

TE938.2

A

2009-10-26

國家科技重大專項資助(2008ZX05024-004);中國石油大學(華東)自主創新科研計劃項目資助(09CX05007A);國家建設高水平大學公派留學生項目資助(2007104039)

張 凱(1980-),男,四川蓬安人,講師,博士,從事采油工藝及油氣田開發理論與優化控制工程方面的研究,E-mail:reservoirs@163.com。