智能井系统_发展现状与趋势

　　　J ack Angel 翻译:王金旗　孟金焕(河南石油勘探局勘探开发研究院)校对:纪常杰(大庆油田有限责任公司设计院)

　　摘要　智能井技术已经在130多口井中

成功地得到了应用。文中探讨了可以利用的

智能井系统的现状,新一代智能井系统实现

的功能,以及如何利用实时油藏数据管理智

能井系统来增加油气储量资产的价值。

主题词　　实时监测　实时控制油藏描述　提高资产价值

一、引言

智能井(IW)技术在油气工业上游的应用尚处于初期阶段。一些作业公司已经应用了智能井系统技术,他们认识到改善油藏描述和实时生产管理的潜力:降低修井和采油修理成本;不再需要通过维持油层压力的方式来保持油层的生产能力;加速现金流动;增加动用油气资产的可采储量。

到目前为止,智能井已达130多口,而已安装使用的遥控流量装置有220多套。实际应用情况表明,智能井系统能够达到人们预想的效果。智能井系统设备性能可靠,而且经济回报丰厚。在一个以性能和价值为主要推动因素的新兴市场上,这一点可能是最引人注目的,大多数终端用户都已成为回头客。智能井技术在飞速发展,现在的问题已经不再是这种技术是否有效以及能否创造价值,而是终端用户的基础设施是否有能力最佳地利用它。

文中概述了智能井技术的基本原理,介绍了这项技术的发展历史、推动因素和配套技术,探讨了新一代智能井技术能够实现的功能以及智能井技术发展的最后一个障碍,即怎样管理数据。

二、智能井系统的基本原理

智能井这个术语一般指基本过程控制向井下的转移。现今的智能井系统是一个实时注采管理网络,包括井内监测、数据评价、模拟及遥控流量的工作方式。智能井系统通过先进的井内传感器采集数据,操作者不需要进行修理干预便能改变流动特性(生产和/或注入)。测量点离目标层越近,所采集数据的分辨率和最终价值越大。因此,井内永久性传感器还有助于更好地认识特定开采层和/或注入层的特性以及近井和井间油藏特征。

智能井技术包含两个即时概念:①实时监测———采集井下流动数据和/或油藏数据的能力;②实时控制———通过开合式节流阀或者可调式节流阀遥控流量的能力。

采用常规的电子仪器或新型的光子(光纤)仪器都可以实现实时数据采集。在最新的监测系统中,油层专用的临时性传感器正在被永久性传感器所取代。现今已投入商业应用的智能井系统大都包括压力、温度和质量流量测量装置。

可用于实时流量控制的装置有液压阀、电动液压阀、全电动阀。这些控制系统现有的设置包括简单的开关、多位调节和无级调节。

三、历史、推动力和配套技术

复杂的技术、经济和环境等挑战性问题是当前油气田开发的特点,而应对这些挑战则是发展智能井技术的主要推动力。这些挑战使人们对基于常规修理干预的生产管理的许多基本措施和设想提出了疑问。

大多数常规完井原理都是在采用陆上和/或平台上简单的直井开发油气田的过程中总结出来的,这种简单性被视为解决油井稳定性的关键。在这种开发方式下,油井一直生产,直到因油藏压力降低、含水上升或其他井下问题而无法按设计的采油量进行开采时为止。一般通过分析不同流量条件下的地面压力特征来确定问题所在。此外,可以通过生产进行电缆生产测井,直接测量产层的压力和流量。

随着20世纪80年代和90年代钻井技术的发展,尤其是大斜度井/水平井、大位移井和多分支井技术的出现,生产井的数量减少了,而单井产量提高了。此外,油藏状况和恶劣的环境条件,即深水、海底、高温高压、混采和浮式采油等,不断地对常规生产管理方式提出挑战。到90年代中期,同时存在的多个重要条件既产生了远程监测和控制完井的需求,又使人们具备了这样的技术能力。这

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　　王金旗:智能井系统———发展现状与趋势　　些条件有:

◇水下采油系统性能更加可靠;

◇在深海的重大发现;

◇深海钻井成本不断上升;

◇井下电子和液压系统的性能更加可靠;

◇光纤技术的应用。

这些条件在以下几个方面推动了智能井技术的发展:

◇减少完井数量,扩大完井规模(表现在管径更大而且产量更高);

◇为了在同一口一次开采井筒中开采多套油层,要对一次、二次和三次采油层进行前期完井作业;

◇增强对计划外作业费用(OPEX)的敏感性;

◇对可靠性和可用性的要求更高;

◇需要在开发早期就确定油藏模型和压降开发方案;

◇需要获取高质量实时井下数据并远程控制井下多层开采,以实现高产水下完井。

三项油田技术(井下仪表、滑套和地面控制的井下安全阀)的出现使智能井技术得到发展。在80年代后期智能井技术首次在完井中得到应用,在井中安装了温度-压力计实时记录井下状况。直到90年代后期才出现了无需修理干预的实时流量控制技术。在此之前,只能通过钻机进行干预或挠性管传送射孔、挤注或换套筒来调整产层的流量。

贝克石油工具公司(Baker Oil Tools)于1995年开始研制无需修理干预的流量控制技术。1999年该公司研制的第一台液压智能井系统InForce投入商业应用。2000年下半年全电子智能井系统In2 Charge投入商业应用。

除了主体完井装置之外,还研制了智能井系统的配套装置,有断开装置、馈入装置、接合器和转向特形接头、通信协议、数据存储、机械后备保险系统等等。

四、匹配阀门的应用

现今的很多油井都钻遇一个以上的油层。在这些井筒中,滑套成了隔离和选择油层、封堵、混采和不稳定试井的首选装置。在期望实现开

-关或者多位阀功能时,液压启动的滑套是一体化程度更高的智能完井系统可供选择的经济装置。电子系统可以实现传感器和套筒的无缝一体化,在管流量最小的情况下可以提供能够证实的有关阀位置的信息以及实现阀的无级调节。

常规滑套的传统用法要求通过修理干预采用机械方法更换套筒衬管。在智能井中,通过把实时数据监测和遥控滑套或可变节流阀结合在一起,作业者可以减少甚至完全避免修理干预以及由此造成的停产时间、油井成本和风险。在陆上和海上高角度井、大位移井和多分支井中尤其如此。除此之外,操作人员利用地面控制的阀门可以开采电潜泵以下的油层。要更主动地管理层间压力,采用多位阀或无级调节阀更合适。图1显示了智能井系统的主要构成和用途。

图1　建立在平台之上。智能井系统的主要构成和用途

五、采油修理以外的价值

到目前为止,采用智能井系统的主要好处是它能够降低修理干预成本。现在已证实,采用智能井系统作业者不需进行修理干预便可以改变流动特性,从而有可能使油井的净现值增加数百万美元。

然而,只根据与采用修理干预方法对比情况来判断智能井系统的经济合理性有局限性。具体的实例说明,减少或者完全避免修理干预在智能井系统相对价值中所占的比例实际上还不到20%。很显然,智能井技术的相对价值效果大大超过修理干预的成本。其真实的价值在于加快现金流转(35%)并提高最终采收率(50%)。

在世界上支持混采的地区,具备了管理两层间和数层间压力的能力,作业者就可以加快资产回收的速度,提高油气产量。在通过永久性监测系统获取的知识做出更好的管理决策的基础上,把以往孤立的和废弃的油层进一步投入开采并且提高驱油效率,可以把可采储量提高到2%～15%。

六、实例分类

从1996年起智能井系统已经投入了应用,现在可以把智能井实例研究明显地分为以下三类: 1,成功的安装

由于对钻井自动给进装置(AFE)有直接影

42　　国外油田工程第20卷第2期(200412)　　响,智能完井系统的成功安装和交付使用可以实现为连接装置(和接头)的连接和测试提供充足的时间和尽可能减少仪器下井的时间(＄/h)这两者的协调一致。

2,近期价值

大多数智能井系统的成本在不到6个月的时间内就可以收回。成本回收速度快所增加的价值超过了修理干预的成本,因为现在生产和油藏工程技术人员可以利用智能井系统管理油气资产。现在智能井系统可以根据要求提供实时压力恢复曲线和压降曲线。可以快速完成注入方案评价,以确定它们能否实现模拟的注入速度。在许多情况下,都是根据智能井系统获取的数据参数确定油藏构造,尤其是封闭断层。隔开油气田中特定的产层,提高油井压力并确定是否与周围产层连通,具备了这些能力有很大的好处。

3,长期价值

由于很多智能井系统已经实现了两年多的无故障运行,因此现在我们可以确定其预期的长期价值。现在我们才真正认识到了延迟或者完全免除修理干预的真正好处。此外,详细的综合性趋势分析说明,数据质量越高,油气资产管理水平越高,进而可以提高采收率,减缓水或者气的突破,把以前封隔的油层投入开发,实现油层周期性开采和注入。

七、新一代智能井系统

由于认可新技术仍保持强劲的势头,我们有理由预期降低成本和新一代产品应用将是今后工作的重点。成熟技术的系统综合与应用预计将增强低端和高端智能井系统的特点。光纤的出现对基于液压和电子元件的智能井系统的改进(使之能够最有效地利用数据采集与控制)提供了机遇。光电和光液压智能井系统将会在市场还远远没有做好应用准备之前出现。

在永久性监测方面,人们的需求将持续增强,在未来几年内永久性监测将成为行业规范。井内测量参数的范围将扩大到识别出砂层、表皮因子、流体组分、腐蚀、侵蚀和多相流。检波器的成功耦合使人们可以监测微地震波,从而准确地追踪流体流动。人们正在研制近井和远井传感器,以便进行井间电磁和声波成像,获取更详细的地层层析X射线图像。

现在人们正在把该项技术与多分支系统及可膨胀系统结合起来。把该项技术和防砂作业结合起来,我们可以看出智能井系统是如何推动生产和油藏管理的最新发展。工具已经有了,问题在于我们是否具备应用它们的能力。

八、数据管理:最后一道障碍

到目前为止,智能井系统研究的重点是降低风险并使井下组件创造最大价值。由于在以往几年内已经获得了智能井系统性能方面的大量资料,研究的重点开始向真正促进其应用的基础设施方面转移。

根据数据采集速度,一口井每天可以生成百万字节的原始数据。在合适的时间和地点把这些数据安全地送到相应人员的手中,这是一个很大的挑战。同样,传统体系和工作方法也妨碍数据在勘探生产公司内部各部门之间的传递。与实时生产管理相比,现今的智能井数据模拟方法还非常幼稚,而且目前还没有有效指导智能井系统应用的教科书。

然而,采用现有的油藏模型与节点分析和快速反演的变换已经取得了很大成功。毫无疑问这些技术将发展成为未来的实时生产和油气田管理系统。

业界专家已经开始共同制定智能井界面标准。已有人提议改善通信和相互可操作性,这样可以实现数据和设备的互换,而且共同开发一个油藏的多家生产公司可以使自己的产量最大化。

智能井系统数据的发展情况和地震图书馆具有可比性。人们掌握采集地震数据的能力要远早于掌握利用这些数据的能力。最终实践证明,3D地震是上游油气工业最重要也是最有价值的一项技术突破。

智能井技术有希望在实时油藏描述和生产管理方面取得相似的技术突破,将大幅度增加油气资产的价值。我们在神经网络和真正自动的学习系统研究方面仍有很长一段路要走,但我们已经取得了一定的成就,关于智能井作业的问题已经从“为什么我们要采用该项技术?”经过“为什么我们不用该项技术?”发展到“我们应当怎样利用该项技术?”。

资料来源于美国《World Oil》2003年3月

(收稿日期　20031215)

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