智能完井综述

智能完井综述摘要：智能完井作为一种年轻的完井技术，是技术上的一种创新，同时也是对过去宝贵的完井理论和经验的荟萃和继承。本文从智能完井理念入手，调研总结了国内外的智能完井技术。通过对比分析，提出了智能完井系统的技术难点和发展趋势。特别地，为我国的智能完井技术发展指明了方向。引言：智能完井最重要的作用就是改善油藏管理。在避免由不同地层压力导致窜流这一情况下，智能完井能够在一个井眼内独立控制多个储层的开采量，使一口井同时独立开采多个油层成为可能。智能完井另一个重要的作用在于节省物理修井时间。在多油层、多分支井的开采后期，由于某个油层（井眼）的含水率升高而导致整个井的产量下降。而智能完井则是通过远程控制关闭或节流含水率较高的油层（井眼），更加方便快捷地重新分配各油层（井眼）的产量，避免了针对该水层的修井作业。尤其是在滩海和深海平台上，由于作业时间限制和修井费用昂贵，更能体现出智能完井系统的优越性。1智能完井系统的概念智能完井技术其实质是油藏监测和控制技术，主要是为了控制气、水和油窜。随着技术的不断提高，智能完井技术已经能够提供连续监测井下动态。适用于海底油井智能完井技术，高度非均质油藏井、深水井、多分支井、多储混合井的横向延伸井下油水分离及处理，它集井下监测，层段流体控制和智能化的油藏管理技术为一体。2智能完井技术的发展历史20世纪80年代末，智能完井技术通常只限于对采油树和油嘴附近的地面传感器进行远程监控、对地下安全阀进行远程液压控制、对采油树阀门进行液压或电动液压控制。最初利用计算机辅助生产主要两个方面：一是对采油树附近的油嘴进行远程控制，实现气举井生产优化；二是抽油机井进行监控。随着该技术的发展和智能控制系统的成功运用以及各种永久性置入传感器可靠性的提高，经营者开始考虑对井筒流体进行直接控制，以便获得更大的商业利润，这就要求设计出一种能提供检测和控制功能的高水平智能系统。在初期阶段，智能完井井下液流控制装置是基于常规的电缆起下滑套阀的工作机理而设计的。这种阀的构造设计具备了井下开关和变位节流功能，这些功能一般均采用液压、电力或电动液压激活系统来完成，而后进行的新技术开发工作促成了具有抗冲蚀功能节流装置的问世，并且其结构可耐高的压差，除此之外，还开发了基于常规井下安全阀技术研究的其他装置，以及可用于井下生产管柱开关的球阀等[21]。在90年代后期，bakerhughes、schlumberger、ABB和Roxar等几家公司都开发了对井下进行监控的智能完井技术。1997年BakeroilTools和schlumberger公司联合开发了电子智能流量控制系统，称为“InCharge”。BakeroilTools还单独在Baker自己的CM滑套的基础上研制了一个水力操作系统，称为“InForce”。这两种系统于1999年和2000年在巴西的Roncador油田和挪威的Snohe油田得到了现场应用。目前有三种智能完井系统:全电子智能元件系统、光纤传感器的水力系统和具有电子永久性井下参数测量仪的水力系统。全电子智能完井系统采用电子传感器，结合电动滑套开关，每个滑套开关或智能生产调节器都采用一种无级可调油嘴，连接到电动机和井下参数测量仪上。而井下的动力电和数字信息传输都是通过用环氧树脂充填的绞织双线接头提供给智能生产调节器的。为了精确控制流量，在选好了智能生产调节器之后，由井下电动马达驱动调节阀，可以使调节阀的位置开启到任意角度，实现井下流量的无级调节。而后面两种水力控制的智能完井系统依靠电子和液压传感器驱动井下滑套开关，每个水力操作滑套由地面的两条水力管道驱动，靠滑套依靠压力响应打开或关闭，水力滑套开关则由地面的两个水力管线控制。地面控制器可控制滑套，遥控操作井下开关，还可控制油嘴和水嘴。其中，由于光纤传感器具有分布式测量能力，可以测量被测量空间的空间分布，给出剖面信息，所以光纤传感器的水力系统能够让传感器更准确地进行井下各种参数的采集和监测，并且它可单独地采用水力滑套实现分层开采，使其互不干涉。3智能完井国内外发展现状3.1国外现状BakerHughes、Schlumberger、ABB和Roxar等公司在上个世纪90年代就已经开发了对井下进行监控的智能完井技术。这些技术得到了很多的现场应用，随着科技的逐渐进步，认识的不断加深，已经有很多成功的产品推出。例如SmartWell、InCharge、InForce、Scrams、Weatherford的光纤技术和TAM公司的穿线式自膨胀封隔器技术等。自1997年8月世界第一口智能井在北海snorre油田成功安装以来，国外对智能井技术的研究与应用已有十多年的历史。且多为石油公司与高校及科研机构联合研究，研发出了一系列装置、软件与系统。测量系统：（1）井下压力监测：哈里伯顿公司的EZ-Gauge毛细管测压系统、加拿大先锋石油公司的PDMS永久井下压力检测系统、美国WTS公司PR300系列存储式电子压力计等。（2）井下温度测量：拉曼反向散射分布式温度传感器DTS、英国Sensornet公司的Sentinel-DTS分布式温度测量系统、斯伦贝谢公司的Sensa光纤监测系统、哈里伯顿公司的OptologDTS技术等。（3）井下多相流量测量：威德福公司的光学流量计、斯伦贝谢公司的Phase-WatcherVx多相流量计、哈里伯顿公司的FastQ多相流量计等。（4）物性测量：井间电磁成像技术等地面分析决策系统（1）信号处理技术：Promore公司的ESIA传感器隔离算法、多传感器数据融合技术（随机类方法：加权平均法、卡尔曼滤波算法、多贝叶斯估计、Dempster-Shafer证据推理等。人工智能类方法：模糊逻辑轮、神经网络、粗集理论、专家系统等）。（2）控制模式：闭环控制技术、实时优化控制技术、系统辨识和实时模型参数最优估计理论、用克雷洛夫子空间投影法和状态空间正交分解法对高维模型进行降维处理。（3）实时分析与优化软件：斯伦贝谢公司的Decide及兰德马克公司Decision-Space和Production系列软件。井下生产控制系统（1）控制系统：WellDynamics公司的SCRAMS、DiditalHydralicsDirectHydralics，贝克石油工具公司的InForce和InCharge系统，斯伦贝谢的RMC系统等。（2）井下控制装置：WellDynamics公司的CC-ICV和HC-ICV（全开全关流入控制阀）、IV-ICV（精细可调流入控制阀）、MCC-ICV(步长式流入控制阀)，贝克石油工具公司的HCM-Plus滑套（全开全关）、HCM-A（可调式）等。3.2国内现状我国的智能完井技术由于起步较晚，还处于研究阶段，完整的智能完井技术仍属空白。虽然国内目前还没有成型的智能完井系统，但在智能井技术方面已经有一些探索，与智能完井技术近似的技术主要是分层开采和一些初步的滑套开关等技术。1994年河南石油勘探局采油工艺研究所和采油厂共同开发研制了3种分层采油的混出泵及管柱，并成功地应用于油田生产。大庆油田在上世纪60年代开发实践过程中就形成了一整套分层采油技术，并已在各油田推广使用。经过多年研究，分层开采、分层注水技术在各油田已普遍使用。而初步的滑套技术，从上世纪90年代才开始研究使用。1998年胜利油田联合北京航天航空大学开展DTS技术研究报告。“九五”期间，在国家自然基金的资助下，西安石油大学与中国科学院西安光机所、南开大学合作，在国内首先开展了光纤Bragg光栅用于油气井井下压力、温度测量的研究工作，从理论和实验两方面验证了这一技术的可行性。胜利油田研制出了性能良好的高强压缩式管外封隔器和遇油遇水自膨胀封隔器，并实现了均衡供液筛管分段完井技术。胜利油田等研究机构申请了“永置式井下智能监测装置”的专利，能够实时的监测井下压力、温度数据。大庆油田开发了水平井机械调节含水率技术，根据井下压力数据和注水曲线调整生产层这三个产品有望实现独立的控制，但它们不能实时控制生产层且没有实时数据传输的功能。总的来说，尽管中国有一些井下监控技术和远程控制阀，但是目前尚无真正的智能井。4智能完井系统介绍4.1智能完井系统的组成智能完井系统需要同时完成井下数据监测和远程控制井下开采两大功能。根据智能完井各单元在整个系统中所起到的作用，可将智能完井系统分为以下几个单元[8]：1)用来手机井下储层温度、压力和流量等参数的井下传感器单元；2)封隔临近的储层，避免高压油、气窜层的穿线式封隔器单元；3)控制井下一个或多个储层的开启、关闭或节流的层段控制阀单元；4)传输井下数据信号，传达地面控制指令的数据传输和控制系统；5)地面中央控制系统。图1WellDynamics公司的智能完井组成4.2智能完井系统的特点智能完井尤其适用于一些钻穿多个具有不同油藏特性的储层层段的井，主要是为了控制起、水和油窜。虽则技术的不断完善，智能完井已经能够提供连续的井下动态监测。智能完井适用于海下油井、高度非均质储层的水平延伸井、深水油井、多分支井、多油层的合采井。需要井底油水分离处理的井。智能完井主要具有以下几个特点[12]～[15]：1)可以减少生产干扰，避免常规采油作业带来的风险，便于管理，适用于边远、偏僻地区。智能完井可以在地面上识别流入控制位置，能在地面上选择性地开或关某一油层，实现在不关井的情况下进行井身结构重配。2)智能完井有实现地面远程遥控的功能，这就使得这项技术特别适合于管理沙漠或海上的油田。3)防止在生产层和混采层之间窜流，可以控制气、水锥进，改善生产能力，提高油田最终采收率。智能完井上的传感器能够监测各油层油、气、水的流动状况，修正油井工作制度。一旦生产过程中出现水或气的锥进时，可以通过油井配产来延缓水、气锥的发生，改善生产能力，提高油田最终采收率。4)智能完井具有实时监测的功能，获得生产层实时井下信息，并将监测到的信息资料传输到地面的计算机中存储起来，由于信息是长期持续记录的，从而可以克服不稳定试井分析引起的模糊性和不确定性。5)提高对油藏的认识程度，使作业人员对将来的井位和井网布置作出较好的决定。6)全面优化油藏管理和生产，减少各类井的数量，提高注入效率和最终采收率。4.3智能完井系统的主要功能智能完井主要具有以下功能[14]：1)根据变化的各个层段的生产指标，可以判断并决定节流生产链段的作用；2)能够测量和调节生产，在每一层中测量时，对流程压力和质量流量进行检测，进而更科学、更简化地管理异构储层；3)由于消除所造成的侧向流动关闭时的压力使每个区域可升降分析的影响，消除了由于混入错误引起的混合流的分析，更容易和准确地计算物料平衡；4)生产工程师和过程控制工程师能够更有效地确定、测量和调整管理过程；5)由于控制和测量可以在制造形成，这方便了操作者来调整变化的生产信息，从而优化生产；6)可以进行使用气体升起相邻层以增加产量耗尽层段；7)通过常规气举阀优化气举法的远程调整；8)获得实时的关键信息，以减少记录的工作量；9)可能不是必需的井下可以根据用于处理的程序选择层；10)以降低操作频率的干扰，直接降低了运营成本和风险，提高了安全性。5国外几种典型的智能完井技术介绍5.1SmartWell智能完井系统SmartWell完井系统[14]为Halliburton公司研发的液压式智能完井系统，第一套SmartWell于1998年成功应用于Brunei油田。该系统主要包括地面分析和控制系统、液压式层段控制阀（ICV）、HF-1型穿线式管内封隔器、永久式井下传感器、液压控制管线和电缆传输管线。SmartWell通过井下传感器采集每个储层的压力和温度数据，并且能以液压控制井下层段控制阀，优化油藏生产方式。图2SmartWell智能完井系统1—控制/传输线；2、5—穿线封隔器3、7—传感器；4、6—层段控制阀HF-1型穿线式管内封隔器用于封隔邻近的两个储层，它在常规采油封隔器的基础上添加了穿过液压控制线和电缆传输线的贯穿孔。该封隔器最多允许穿过5条线缆，其中包括1条电缆和4条液压控制线，做多能实现3个油层或分支的智能开采