油藏动态实时监测与调控

张 凯,姚 军,刘均荣,吴明录,闫 霞

(中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266555)

油藏动态实时监测与调控

张 凯,姚 军,刘均荣,吴明录,闫 霞

(中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266555)

油藏动态实时监测与调控是智能化油田管理的核心内容之一。该技术以节约生产成本、最大化油田经济效益为目标,将油藏实时监测、数据分析解释、油藏数值模拟、方案实时优化与生产调控等多项技术集成一体,为制定油田生产预警、开发方案调整、增产增注等措施提供技术支撑与保障,具有广阔的应用前景。介绍了动态监测与控制系统组成和现场应用案例。

动态监测;智能化管理;实时控制;应用

随着经济的发展,世界对石油的需求不断增长,为了在节约生产成本的前提下尽可能多地采出地下原油,要求各大石油公司加强油田开发的监测与管理,根据实际开发状况,进行有针对性的调控与处理,实现效益的最大化,油藏动态实时监测与控制技术正是基于这样的理念提出来的。

1 油藏动态监测与控制技术概述

a) 该技术构建了一个实时注采管理的框架,利用放置在井下的永久性传感器,实时采集井下设备的工况以及生产层段的压力、温度、流量、含水等参数,通过通信电缆/光缆将采集的信号传输到地面,对其数据进行挖掘、分析及处理,结合油藏数值模拟技术与最优化调控理论,形成适用于当前油田开发状况下的调控方案与决策信息,再采用自动控制或者人工调控的方式将相应的信息反馈至生产系统,调控油水井生产,提高油田的采收率[1-5]。

b) 该技术能够将油水井层间隔离、流量控制、机械采油、长时间监测、出砂控制等多项功能安全可靠地结合起来,由地面实时地对单井多层段油气生产或多分支井中单分支井眼的油气生产进行监测和控制,实现优化生产,降低生产成本,改善油藏开发效果的目标。

c) 该技术不仅适用于陆地油田生产开发,在沙漠和海洋地区更是有着较好的应用前景。

2 动态监测与控制系统

2.1 系统组成

油藏动态实时监测与控制系统(如图1～2)一般包括4个部分。

图1 油藏动态实时监测与控制系统

图2 油藏动态实时监测系统示意

a) 井下信息监测系统 主要由永久安装在井下的、间隔分布于整个井筒中的井下温度、压力、流量、位移、时间等传感器组构成。随着光纤技术的发展,普通传感器逐步被光纤传感器替代。井下光纤传感器具有抗电磁干扰、耐高温、精度高、灵敏度高、漂移小、寿命长、可靠性高等特性,在复杂的井下环境中具有更大的应用优势。

在油气井井下压力/温度监测中经常采用的光纤传感器有光纤干涉型(M-Z、F-P)、拉曼散射型、侧研磨光纤型、光纤布喇格光栅型等4种类型,其中,光纤布喇格光栅传感器(FBGS)是近10 a来发展起来的新一代光纤传感器,其测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗、探测器老化等因素的影响,在1根光纤中能够串接多个、甚至数百个布喇格光栅进行大范围、大容量、远程分布式测量,适合大型工程多种参数的长期安全监测,是实现井下压力、温度、流量等多参数、多点位实时监测的最理想选择[6]。

b) 井下生产控制系统(如图3) 主要通过井下节流技术来实现对层段或分支流量的控制,由井下封隔器、可远程调控油嘴、节流器、井下控制滑阀和安全阀等组成。系统可以采用液压控制、电动控制或者液压/电动控制,目前在石油工业安装的大部分是液压驱动流量控制装置,该装置作用力能达到300 kN,可在井下双向驱动任何流量控制装置,由于作用力大,在井筒结垢、腐蚀、摩阻增加的情况下更可靠。

c) 井下数据传输系统 井下数据的通信方式主要有电缆和光纤2种。将井下工具与地面计算机连接起来,可以实现在一条传输媒介上进行多种数据信息的传递,最大限度地、有效地利用资源,即使是在井下有电潜泵的情况下,信号也不会受到影响。

图3 井下生产控制系统构成[7]

d) 地面系统(如图4) 包括高性能计算机和分析数据用软件,用于实时数据存储、分析和处理,结合油藏工程方法、油藏数值模拟与预测方法、优化方法等理论,得到有效可行的调控方案,再通过地面控制系统将信息实时反馈至井下,优化生产。

图4 地面及井下子系统构成

2.2 特点和优势

油藏动态实时监测与控制技术将多项功能集成一体,与常规生产管理技术相比,技术优势突出。

a) 远程调控管理[8-9]通过地面系统能够实时管理井下各井、各个层位流入控制阀的大小,有选择地开关某一油层,实现在不经过措施调控对井身结构的重配。由于实时监测与控制系统具有远程调控功能,特别适用于调整井和修井费用高的环境,包括海下油井、深水油井、沙漠油井、远距离无人操作的油井等。

b) 动态实时监测[10]对井下资料的长时间检测具有较强的连续性和较高的测试精度。通过地面数据库将测试数据(包括地震测试、压力、温度、流量、含水、粘度、组分等)进行存储,能够用于长时间试井解释及油藏动态模拟等技术,减小不稳定试井分析中的模糊性和不确定性,获得更准确的油藏模型,得到更多的关键信息。

c) 节约成本提高油田最终采收率[8-9,11]可以通过减少大量的井筒维修工作量,优选采油方式和工作制度达到节约生产成本的目的。可根据开发过程中的实际情况,采用多层油藏按序生产、多层合采、开采隔层中的油环、恢复驱替过程、流动剖面控制、多分支井生产、井下测试、自动气举等多种生产方式,控制水或气的锥进现象,实现提高油田最终采收率。

由于具有上述特点与优势,国外许多技术服务公司和油公司如WellDynamics公司、Schlumberger公司、Baker Oil Tools公司、Weatherford公司、Halliburton公司、Roxar公司、Sensa公司等,都投入了大量资金进行该技术的研发和应用。目前, WellDynamics公司、Schlumberger和 Baker Oil Tools公司的研究处于领先地位。

3 优化调控理论

在监测的基础上,实时将最优方案反馈至生产系统,维护油藏开发处于最优的状态,就需要完善油藏生产的优化理论。常规方案的制定是通过油藏模拟来实现多次运算,对不同开发方案的效果进行预测和对比,找出相对更优的调控方式。但在方案对比、预测和选择的过程中,由于人为因素太多,所以基于实时监测的基础上,将油藏模拟与优化控制理论相结合,提出了实时调控的优化理论,用以获取不同开发阶段油藏的最优开发方案,结合油藏动态监测与控制系统,方便快捷地对需要的油水井进行调控。

自2005年以来,多家石油公司和高校开始开展生产优化方面的研究,该项研究以油藏开发效益最大化为目标,通过优化方法与油藏数值模拟相结合(如图5),找出油水井的最优调控模式,实现方案的动态调整,以获得更好的经济效益。

图5 油藏监测与优化调控

优化调控理论的方法主要分为3类。

a) 经验公式与优化理论相结合的方法[12-15]该方法着眼于生产的短期优化,利用便利的经验公式实时、快速地获取优化后的开发方案,如油气井开发指标、新井井位、措施井措施优选等。其优点在于优化结果具有一定的普遍性,高效快捷。但缺点也很明显,即针对性差,不能考虑地层的非均质特性和进行细分层系优化控制。

b) 梯度算法[16-19]工程问题优化方法主要是以遗传算法和模拟退火算法为代表的全局搜索算法和以最速下降法和牛顿迭代算法为代表的梯度算法。由于油藏生产动态实时优化问题是一个大规模的最优控制问题,必须以保障计算速度为前提,因此研究学者多采用梯度算法,将最优化理论伴随算法与油藏数值模拟相结合对生产优化进行研究,通过计算各井注采指标的梯度和多次迭代计算,找出最优调控方案,应用于油田开发的动态调控,改善整体开发效果。但该方法计算复杂,仍有待于进一步的简化及研究。

c) 随机动态预测算法[20-21]因为梯度算法较为复杂,所以工程技术人员采用随机优化算法进行简化计算,如集合卡尔曼滤波、SPSA等方法,该算法相对梯度算法来说较为简便,但速度问题仍是一个较大的难题。

通过上述分析可以发现,随着现场自动化程度的提高,相应的理论研究也随之开展,通过理论与实际的结合,能够有效地解决油田开发中遇到的问题,目前这些理论已在全世界多个油田开始试用,取得了很好的效果。

4 现场应用案例

SACROC油田[22]位于美国西得克萨斯州境内Permian盆地的西北边缘,是北美第7大陆地油田。该油田Canyon Reef油层非均质性强,存在大量岩溶、孔洞和微裂缝,使得孔隙度和渗透率在横向和垂向上均不连续。2005年,SACROC油田的注CO2强化采油项目对5口井进行了实时监测与控制先导性试验,目的是验证井下流量控制阀能否限制或隔离产自采油井高渗透层的CO2,并调控注入的CO2在地层中的分布,以减少CO2在注入井和采油井之间的不必要循环和层间干扰,提高波及效率,增加采油量和提高最终采收率。

在高气油比的3口采油井(SU X-12、SU X-13和SU X-8井)中安装了实时监测与调控系统,对SU X-12井单个隔离层段进行流动测试,将测试结果与历史注入剖面测量结果比较,采用优化调控理论进行预测分析,确定了该井CO2已突破的层段,需要将其彻底关闭。通过地面远程操作,关闭了SU X-12井突破层段的井下控制阀。关闭突破层前的总采油量为5.247 m3/d,采气量为5.38×104m3/d,CO2含量为93%。采取措施后,CO2采出量大幅度减少,有效地阻止了CO2的突破,采油量基本保持恒定,取得了较好的效果。该井网水/气交替注入井周围其他3口采油井(SU X-6、SU Z-7和SU A-5井)的采油量经历小幅度下降后逐步上升。采油量增加的原因就是通过阻止CO2向SU X-12井突破,提高了注入井的平面波及效率,改善了井网单元的整体开发效果。

5 结论与展望

1) 油藏动态实时监测适合在复杂的井下环境中长期工作,光纤监测技术由于光纤固有的优势,已逐步取代了传统的电子式监测,具有较好的应用前景。

2) 多传感器、多参数监测将成为未来油藏动态监测的主要发展方向。

3) 井下控制方式目前仍主要采用液压控制方式,但电动控制方式的优势已逐步展现,电动、液压/电动控制方式也开始被油田广泛使用。

4) 优化调控理论已取得了一定的进展,梯度算法是研究的热点,但距离实际推广应用仍存在许多问题,如计算速度、结果的精度等,有待进一步地深入研究。

5) 油藏动态实时监测与控制技术在一定程度上表明了油田的发展趋势,但就国内而言,目前无论是监控设备,还是理论技术,均处于一个较为滞后的阶段,虽有多家公司与院所已开展了相关方面的研究,但距国外仍有不小的差距,有待进一步提高并结合油田实际进行广泛的应用研究。

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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

国家科技重大专项资助(2008ZX05024-004);中国石油大学(华东)自主创新科研计划项目资助(09CX05007A);国家建设高水平大学公派留学生项目资助(2007104039)

张 凯(1980-),男,四川蓬安人,讲师,博士,从事采油工艺及油气田开发理论与优化控制工程方面的研究,E-mail:reservoirs@163.com。