油气井智能开采技术综述与发展趋势

刘宁 (长江大学石油工程学院)

王英敏 (河南油田勘探开发研究院)

油气井智能开采技术综述与发展趋势

刘宁 (长江大学石油工程学院)

王英敏 (河南油田勘探开发研究院)

油田数字化是目前油气田发展的新趋势,而智能井技术是实现油田数字化的主要构成部分,是实时油藏管理的关键结构单元,通过安置在油藏平面上的传感器与控制阀,可以对油藏与油井的动态进行实时监测,分析数据,制定决策,改变完井方式,以及对设备的性能进行优化,从而提高油藏采收率,增加油井产量;减少作业中投入的劳动力,更有效地进行油气藏管理。本文叙述了智能井技术的发展历史、原理及特点,并结合实例说明了其技术优势以及国内外智能井的发展趋势。

数字油田 智能井 系统 传感器 智能完井

1 简介

智能井技术是为了适应现代油藏经营管理和信息技术应用于油气藏开采而发展起来的新技术,通过生产动态的实时监测和实时控制,达到提高油藏采收率和提高油藏经营管理水平的目的[1]。

自从1997年世界上第一套智能井系统(SCRAMS)在北海首次安装,全球智能井系统的应用迅速加快,其功能和可靠性有了显著的提高。例如,贝克休斯公司1999年推出的液压智能井系统InForce TM已商业化;2000年下半年将其全电力智能井系统InChargefM推向市场;其他的智能井系统有斯伦贝谢公司的油藏监测和控制(RMC)系统、BJ公司的系列智能井仪器和威德福公司的Simply IntelligentTM智能井系统[2]。

目前,各种类型的电力智能井系统、电力-液压智能井系统与光纤-液压智能井系统均已成功应用,这些技术将油藏动态实时监测与实时控制结合在一起,为提高油藏经营管理水平提供了一条崭新的途径。

2 智能井技术原理及特点

智能井这个术语一般指基本过程控制向井下的转移,是一个实时注采管理网络,是一种利用放置在井下的永久性传感器实时采集井下压力、温度、流量等参数,通过通信线缆将采集的信号传输到地面,利用软件平台对采集的数据进行挖掘、分析和学习,同时结合油藏数值模拟技术和优化技术,形成油藏管理决策信息,并通过控制系统实时反馈到井下对油层进行生产遥控、提高油井产状的生产系统[2]。智能井系统的主要构成和用途,如图1所示[3]。

图1 典型智能井系统组成和用途

在油田开发过程中,智能井的主要优点是:①优化产量和储量采收率;②最大限度地降低基建费用 (CAPEX)和作业费用 (OPEX);③更加有效地管理油藏。

在油田开发过程中,智能井的基本用途:①控制注入井内的注入水或注入气沿井眼分布;②控制或隔断生产井内无用流体从井眼流出;③通过合采加速生产。

智能井的其他用途:①能够有效地管理油藏采油过程,特别是对二次注水或三次EOR采油项目尤为重要;②智能井还能控制注入水或注入气在井内层间、隔层间和油藏间的分布,从而限制或隔断无用的流出物从井内不同产层产出,因此,作业者能够管理注水或采油过程,使未波及到的储量得以动用;③控制压降,确保井眼的稳定性;不同储层流体组分混合;控制自流;连接井;气举和自动气举;减少干扰或进行遥控等作用[4]。

总之,智能井技术是一种强有力的工具,它有助于处理油田开发中经常遇到的各种地下不确定因素,解决各种挑战性问题。包括:驱动机理对采收率的影响、油气空间展布对注采剖面的影响或者像含水层或储层隔层等其他因素的影响,同时,也可以减少地面基建设施成本[5]。

为了实现智能井的实时监测与实时控制功能,需要解决关键的技术与之匹配,包括:[6-7]

◇特殊的传感器和信息传输系统 (高温高压环境下可以正常工作、更换或维修)。

◇可自动控制的开关滑套或流量控制阀。当井下传感器测得某层段大量出水而需要将其关闭时,可以通过地面控制系统下达指令关闭出水层段阀门,实现智能控制;也可以自动调节开关滑套的入孔流量、生产压差,达到优化各层流量的目的。

◇动力提供与储存技术。提供传感器、滑套、流量控制阀开关的动力,电缆传输的方式提供或高能电池组提供。

◇匹配的完井工艺技术。多油层之间安装带封隔器、传感器和智能化控制阀的完井管串。

◇井口贯入技术。智能井的关键技术之一是电源线、仪表电缆、液压控制线、光缆等穿越井口的技术。

◇电缆断开装置技术。井下举升设备更换时,如果将电泵与控制管缆配置在同一油管上,需要为智能井的液压控制管线和电源线提供井下湿式断开装置。

3 国内外应用实例

油气井智能分层配产找堵水增采技术在长庆油田X43-23井进行的现场应用证明该技术具有见效快、有效期长、工艺过程简单、成本低的特点,可实现找水、堵水和配产的功能,配套工具稳定可靠。可在地面直读测试数据,更直观地分析目的层采油情况,为进一步实现油田开发良性循环拓展空间[8]。其地面配套和井下管柱组成见图2。

拉美国家的作业者在电潜泵采油井中运用智能完井技术[9],使用可调式节流阀技术来优化多油层的合采,最终改变了油藏动态 (图3)。

其原理是:利用井下监测系统提供上下两个层的压力、温度以及下层的流量和含水资料。通过独立的可调式节流阀来控制两个层段的生产,从而能够以最优化的压力降和产量进行选层生产。目前,已在5口油井中成功应用,与常规完井相比,通常增产油量达1 500～3 000 bbl/d(1 bbl/d=0.159 m3/d)[10]。

图2 智能分层配产找堵水技术地面配套和井下管柱组成示意图

图3 智能完井示意图

4 最新应用和发展趋势

4.1 智能井技术在非常规油气资源开发中的应用

随着智能井技术的不断完善,将不再局限于常规的成熟油田或深水油田,而是逐步发展应用于非常规油气资源的开发。

4.1.1 低渗透致密油气藏[11]

低渗透致密油气藏由于其储层的特殊性,一般需要人工水力压裂才可以改善开发效果。远程控制的水力压裂阀可以对水平井多个层段有选择性地实施高效增产作业,而且还可以通过取消连续油管起下作业缩短增产作业时间。此种压裂阀可以用水泥就地封固,水力压裂后可进行简单的选择性生产测试和洗井,随后能够操控此阀封堵水 (气)的侵入。

4.1.2 稠油蒸汽驱和SAGD

蒸汽驱和SA GD是针对稠油的一种常规开采工艺,通过注入蒸汽降低稠油黏度。这类开采工艺的经济效益取决于均匀加热稠油的蒸汽的高效分配,以及蒸汽从注入井突破到生产井时立刻关闭蒸汽的能力。目前正研制中的智能井蒸汽阀是专门为水平井蒸汽驱设计的。智能井技术可使操作者控制蒸汽均匀地沿着分支分配,采用分布式光纤温度传感器识别蒸汽突破,并通过在注蒸汽分支或者产油分支中选择性地隔离突破而及时关闭蒸汽,提高了稠油注蒸汽开采的效率。

4.1.3 高温/高压以及特殊环境的油气藏

随着智能井技术在深井中的使用越来越多,现在正在设计适用于高温/高压环境的新型智能井设备[12]。新一代层间控制阀,现在可以承受15 kpsi(1 psi=6.895 kPa)的高压和163℃的高温。而且逐渐应用到复杂地区、滩海及深海等恶劣环境的油气藏。

4.2 国内外智能井技术发展趋势

目前,智能井系统的可靠性虽然有明显的提高,但还是存在风险,需要在目前基础上研发出能在成熟油田推广应用、具备新能力、可应对新的市场挑战、应用范围不断拓宽的智能井方案。

4.2.1 智能井技术与数字油田的建设相结合

“数字油田”技术是集综合信息学、地质学、石油勘探开发学和管理学等众多学科于一身的新技术[13]。它贯穿油田整个生命周期,是以加快生产、减少停工期、提高效率、降低钻井成本、追求最终采收率最大化为目的的一个宏观过程,从而可以发展以智能井为基本构成单元的“数字油田”。

4.2.2 智能井技术将向前馈控制技术方向发展

当前,智能井技术实质上是一种“反馈控制技术”,即一种依据反馈信息调节被控对象,使之保持或修正预定状态的过程。随着技术的集成和自动化程度的提高,将来可能采用一种前馈控制技术来优化以后若干段时间内可能要发生的油藏响应。它是一种建立在预测基础上面向未来的控制方式,意在防患于未然。该技术体现了智能井技术发展和数字油田经营理念上的一个显著变化,需要在今天的最佳产量和明天的最终采收率之间取得平衡,以实现生产优化决策。

5 结论

(1)智能井技术是一项很有潜力的技术,能够实现油田的远程管理,达到高效开发油田的目的。

(2)智能井技术应用于X43-23油田,可实现找水、堵水和配产的功能,从而提高油田最终采收率,经济效益显著;智能完井技术也显著地增加了产量。它具有其他技术无法比拟的优越性。

(3)随着智能井技术不断地集成各种新技术、功能更加完善,智能井将应用于陆上成熟油田特殊油气藏的开采;智能井技术也适用于小位移、小斜度井,遥远地域作业油井,及多层注采井和电潜泵井的应用,以期在一次采油阶段就能获得相当高的采收率。智能井技术在大幅度提高采收率和产量、降低井的建设成本方面有着广阔的应用前景;也能促进油田数字化的发展。

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[6]刘军荣,姚军,张凯.智能井技术现状与展望.油气地质与采收率,2007,14(6):107-110.

[7]杨道平.智能完井——项极具发展前景的完井新技术[J].新疆石油科技,2004,14(2):1-3.

[8]巨压峰,王在强,张丽娟等.油井智能分层配产找堵水增采技术研究.石油机械,2009,37(10):61-63.

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[13]李道银,余忠凯,田海.数字油田应用系统建设构想,2007,29(3):324-326.

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.11.009

2010-06-09)