頁(yè)巖氣生產(chǎn)動(dòng)態(tài)井下無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制與應(yīng)用

李枝林，韓 雄，龐東曉，許期聰，岳 明，陳麗萍，劉 欣，干建華

1中國(guó)石油川慶鉆探公司鉆采工程技術(shù)研究院 2國(guó)家能源高含硫氣藏開(kāi)采研發(fā)中心 3中國(guó)石油川慶鉆探公司頁(yè)巖氣項(xiàng)目經(jīng)理部 4中國(guó)石油天然氣股份公司西南油氣田分公司勘探事業(yè)部

0 引言

頁(yè)巖氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)可為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)措施的制定提供科學(xué)依據(jù),是保障頁(yè)巖氣效益開(kāi)發(fā)的有效手段之一。目前我國(guó)頁(yè)巖氣井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)主要通過(guò)生產(chǎn)測(cè)井和試井作業(yè)等獲取,即在井口通過(guò)電纜把監(jiān)測(cè)儀器下到產(chǎn)層,錄取一段時(shí)間的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)信息,通過(guò)電纜把數(shù)據(jù)傳到地面,待作業(yè)結(jié)束后,再將監(jiān)測(cè)儀器隨電纜一起取出井筒。其存在以下不足之處:第一,包括測(cè)井車、防噴設(shè)備等在內(nèi)的井口裝備復(fù)雜,操作難度大,且風(fēng)險(xiǎn)高，同時(shí)還影響頁(yè)巖氣井正常生產(chǎn);第二,頁(yè)巖氣井多采用水平井開(kāi)發(fā)，由于井斜較大,監(jiān)測(cè)儀器隨電纜下入的深度受限,難以到達(dá)產(chǎn)層位置,獲取數(shù)據(jù)與真實(shí)產(chǎn)層數(shù)據(jù)有差異;第三,生產(chǎn)測(cè)井或試井作業(yè)為間斷性開(kāi)展，如半年一次,而且每次作業(yè)時(shí)間有限，如5 d左右,獲取數(shù)據(jù)為靜態(tài)的、不連續(xù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量少，不能了解井下動(dòng)態(tài)全貌;第四,隨著頁(yè)巖氣大量開(kāi)發(fā)，未來(lái)頁(yè)巖氣井越來(lái)越多,數(shù)以千計(jì)的頁(yè)巖氣井,生產(chǎn)測(cè)井工作量巨大,難以口口井兼顧[1-8]。因此，亟需開(kāi)發(fā)一套可在產(chǎn)層位置長(zhǎng)期持續(xù)監(jiān)測(cè)、智能的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體框架

掌握頁(yè)巖氣井下生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，其實(shí)質(zhì)是對(duì)氣井在生產(chǎn)過(guò)程中井下壓力、溫度、產(chǎn)量、產(chǎn)出流體理化性質(zhì)以及工程參數(shù)的獲取。為滿足數(shù)字/智慧油氣田建設(shè)需要，克服傳統(tǒng)生產(chǎn)測(cè)井或鋼絲下壓力計(jì)試井的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣井全生命周期井下生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的全程掌握，設(shè)計(jì)一種頁(yè)巖氣生產(chǎn)動(dòng)態(tài)井下無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其采用“井下數(shù)據(jù)無(wú)線采集”+“井口物聯(lián)網(wǎng)終端”+“基地?cái)?shù)據(jù)中心”三位一體的模式；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包含井下溫度、壓力、流量、含水率等數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)井下異常報(bào)警、單井生產(chǎn)制度優(yōu)化及油氣藏動(dòng)態(tài)管理。如圖1所示，井下數(shù)據(jù)無(wú)線采集工具安裝在油管上，隨油管下入到頁(yè)巖氣產(chǎn)層，采集工具內(nèi)部的傳感器獲取頁(yè)巖氣生產(chǎn)過(guò)程的近產(chǎn)層動(dòng)態(tài)信息，然后再由采集工具上的信號(hào)發(fā)射模塊以電磁波的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛妗?/p>

圖1 頁(yè)巖氣井下動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)框架圖

井口物聯(lián)網(wǎng)終端首先接收井下信號(hào)并解調(diào)出數(shù)據(jù)，然后通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)回傳到基地?cái)?shù)據(jù)中心，支撐工程師開(kāi)展油氣藏模型實(shí)時(shí)、快速、精細(xì)優(yōu)化，從而制定最佳的生產(chǎn)制度，延長(zhǎng)氣井生命周期，提高采收率。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井下信號(hào)傳輸

頁(yè)巖氣井井下電磁波傳輸涉及“油管—套管—井筒液體—地層”等復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境。首先信號(hào)發(fā)射位置的金屬套管屏閉效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電磁波發(fā)射效率大幅降低[9-11]，采用“油管—發(fā)射器—套管”構(gòu)成似穩(wěn)恒震蕩復(fù)合天線，信號(hào)電流在套管上產(chǎn)生極化現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)穿透套管在管外向地層輻射，見(jiàn)圖2。

圖2 電磁極化信號(hào)穿透套管示意圖

另外從井下到地面不同深度地層的阻抗非均勻性(10～108Ω·m)，會(huì)使得電磁波信號(hào)在不同地層界面?zhèn)鬏敃r(shí)發(fā)生反射和散射，衰減嚴(yán)重，如圖3所示。

圖3 信號(hào)在不同地層界面散射衰減模擬圖

模擬了泥頁(yè)巖、灰?guī)r石和碳酸酸鹽之間的界面信號(hào)衰減率在10～15%左右，通過(guò)建立阻抗反饋信號(hào)發(fā)射機(jī)制，監(jiān)測(cè)發(fā)射端的電流來(lái)評(píng)估地層綜合阻抗，動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率，保證信號(hào)傳輸距離內(nèi)穩(wěn)定可靠。

2.2 地面信號(hào)接收

頁(yè)巖氣井場(chǎng)由于周邊有較多用電設(shè)備，地面電磁噪聲來(lái)源多、頻譜復(fù)雜[12-14]，強(qiáng)度可達(dá)井下上傳信號(hào)的1 000倍，信噪比1∶1 000。通過(guò)實(shí)時(shí)錄取井場(chǎng)背景噪聲頻譜特性，在頻域中搜索工頻諧波的干擾成分，利用參數(shù)估計(jì)方法重構(gòu)電磁噪聲時(shí)域信號(hào)，如圖4所示，基于時(shí)域特征值實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的精準(zhǔn)過(guò)濾，過(guò)濾后信噪比從1∶1 000提升到1∶1以上，實(shí)現(xiàn)了在井場(chǎng)復(fù)雜電磁噪聲環(huán)境下可對(duì)井下傳輸上來(lái)的信號(hào)有效識(shí)別。

圖4 地面信號(hào)濾波獲取模式示意圖

3 系統(tǒng)參數(shù)

威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣生產(chǎn)井多數(shù)井的A點(diǎn)在井深3 500 m以內(nèi)，地層壓力小于70 MPa，地層溫度小于150 ℃，單井氣產(chǎn)量在15×104m3/d以內(nèi)，產(chǎn)水量在150 m3/d以內(nèi)，單井連續(xù)生產(chǎn)時(shí)間一般在3年左右。根據(jù)生產(chǎn)井情況，設(shè)計(jì)了頁(yè)巖氣生產(chǎn)動(dòng)態(tài)井下無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制參數(shù)，如表1所示。井筒套管外徑139.7 mm、套管內(nèi)徑114.3 mm、油管外徑60.32 mm、油管內(nèi)徑50.66 mm，為了監(jiān)測(cè)工具能正常下入井筒且不影響油氣正常生產(chǎn)，工具內(nèi)徑采用全通徑設(shè)計(jì)，一方面工具能夠滿足井下監(jiān)測(cè)環(huán)境條件，另一方面監(jiān)測(cè)工具能夠進(jìn)入水平段一段距離，直接獲取產(chǎn)層的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)信息。監(jiān)測(cè)工具的尺寸結(jié)構(gòu)，如圖5、表2所示，同時(shí)，地面解調(diào)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)終端采用太陽(yáng)能供電設(shè)計(jì)，增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性。

表2 發(fā)射器工具尺寸表

圖5 井下發(fā)射器、地面信號(hào)接收天線及物聯(lián)網(wǎng)終端實(shí)物圖

表1 系統(tǒng)參數(shù)

由于監(jiān)測(cè)周期一般在3年以上，系統(tǒng)可靠性挑戰(zhàn)大，主要表現(xiàn)為井下電子元器件、傳感器老化；氣井生產(chǎn)管柱長(zhǎng)期持續(xù)振動(dòng)可能導(dǎo)致井下工具儀器松動(dòng)；井下高壓、地層水(Cl-含量20 000 mg/L)腐蝕介質(zhì)，井下工具密封保證長(zhǎng)時(shí)間可靠難度大。為了提高可靠性，按軍工標(biāo)準(zhǔn)GJB 4057—2000《軍用電子設(shè)備印制電路板設(shè)計(jì)要求》優(yōu)選電子元器件和實(shí)施電路封裝，電路板耐溫等級(jí)高于環(huán)境溫度一個(gè)等級(jí)，同時(shí)關(guān)鍵元器件多路備份；井下天線零部件優(yōu)選抗腐蝕合金718，主要密封件優(yōu)選HNBR橡膠，在密封形式上設(shè)計(jì)多重組合密封[15]，開(kāi)展了整機(jī)抗震試驗(yàn)評(píng)估。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣田是國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)，目前已開(kāi)發(fā)近十年。當(dāng)前很多井進(jìn)入生產(chǎn)中后期，為提高單井產(chǎn)能，今后重點(diǎn)工作之一是優(yōu)化合理的單井生產(chǎn)制度，延長(zhǎng)單井壽命；另外優(yōu)化布局新井，提高整個(gè)氣藏的開(kāi)發(fā)效益。而核心是對(duì)單井和整個(gè)氣藏的后期生命周期井下生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的全程掌握，為此在威204H36-6井和威202H22-7井開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

4.1 威204H36-6井

自上而下管串結(jié)構(gòu)：油補(bǔ)距+油管掛+?60.3 mm油管(N80E)+扶正器+?60.3 mm油管(N80E)+扶正器+信號(hào)發(fā)射器(2 250 m左右)+扶正器+?60.3 mm油管(N80E)+扶正器+?60.3 mm油管(N80E)+破裂盤(pán)+篩管+引鞋,長(zhǎng)度為2 870 m左右;工具下入深度2 250 m，位于直井段。

自2021年3月27日以來(lái)，頁(yè)巖氣井下動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在威204H36-6井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下溫度、壓力數(shù)據(jù)，截至目前連續(xù)監(jiān)測(cè)1年，期間根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共開(kāi)展3次控壓調(diào)整井口生產(chǎn)制度，如圖6所示，明顯減緩了地層能量衰減速度，延長(zhǎng)了氣井生命周期，根據(jù)氣藏模型預(yù)測(cè)，可提高采收率2%～3%。

圖6 威204H36-6井控壓調(diào)產(chǎn)曲線

4.2 威202H22-7井

自上而下管串結(jié)構(gòu)：油補(bǔ)距+油管掛+?60.3 mm油管(N80E)+扶正器+?60.3 mm油管(N80E)+扶正器+信號(hào)發(fā)射器(2 750 m左右)+扶正器+?60.3 mm油管(N80E)+扶正器+?60.3 mm油管(N80E)+破裂盤(pán)+篩管+引鞋，長(zhǎng)度為3 200 m左右;工具下入深度2 750 m，探入水平段420 m。

自2022年1月以來(lái)，頁(yè)巖氣井下動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在威202H22-7井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下溫度、壓力、含水率數(shù)據(jù)，在連續(xù)監(jiān)測(cè)2個(gè)多月后發(fā)現(xiàn)水平段含水率突然上升，甚至高達(dá)100%。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，為鄰井威22H21-7井大型壓裂施工所致，本井被壓竄，大量壓井液進(jìn)入井筒，從側(cè)面證實(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功識(shí)別壓裂壓竄。現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)井下含水率監(jiān)測(cè)情況，制定了排水采氣作業(yè)方案，調(diào)整井口采氣速度，以排出井下壓裂液，防止氣井被淹死,見(jiàn)圖7。

圖7 威202H22-7井被鄰井壓竄預(yù)警與排液指導(dǎo)

5 結(jié)論

(1)通過(guò)搭建“井下數(shù)據(jù)采集”—“井筒信號(hào)無(wú)線遠(yuǎn)傳”—“信號(hào)地面接收解碼”—“物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程連接”的技術(shù)架構(gòu)，突破頁(yè)巖氣生產(chǎn)井筒環(huán)境下電磁波信號(hào)發(fā)射、傳輸和地面接收難題，實(shí)現(xiàn)“井下—地面”信息實(shí)時(shí)溝通，使頁(yè)巖氣井下生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)具有實(shí)時(shí)性、便捷性及智能性。

(2)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取儲(chǔ)層段井筒內(nèi)的壓力、溫度、流量、含水率等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)水淹、管柱損壞等井下異常動(dòng)態(tài)的報(bào)警，為生產(chǎn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)分析、調(diào)整井口生產(chǎn)制度、優(yōu)化作業(yè)工序等提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐，指導(dǎo)頁(yè)巖氣井合理開(kāi)采，以提高儲(chǔ)層采收率。

(3)后期將持續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)迭代，由“單點(diǎn)監(jiān)測(cè)”升級(jí)為“分布式監(jiān)測(cè)”，有利于全面掌握井下各段精細(xì)產(chǎn)出情況。有望在未來(lái)大區(qū)塊多氣井同時(shí)管理時(shí)，實(shí)現(xiàn)智慧型頁(yè)巖氣田管理模式。