智能井在油气田开发中的应用进展

郝广维 邵阳 兰天庆 张昕

摘      要：智能井系统即利用井下相关技术对目标产层实施动态控制及优化处理的新型完井工艺。较系统的阐明了智能井的原理和组成，通过与常规井进行比较突出描述了智能井的特点及优势，并分析了其关键技术。大量实验研究和现场应用表明，合理应用智能井技术能够提高油气可采储量，进而获得最大油气采收率。通过目前国际国内该系统的相关应用相比较，探讨实现数字化油田、无电缆智能钻井及前馈控制技术是智能井技术的发展方向。

关  键  词：智能井; 控制; 关键技术;流量控制阀;发展

中图分类号：TE242      文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）08-1759-04

Abstract： The intelligent well system is a new completion technology that uses the downhole related technology to implement dynamic control and optimization of the target production layer. In this paper， the principle and composition of intelligent wells were clarified systematically. The characteristics and advantages of intelligent wells were highlighted by comparison with conventional wells， and their key technologies were analyzed. A large number of experimental studies and field applications have shown that the rational application of intelligent well technology can improve the recoverable reserves of oil and gas to obtain the maximum oil and gas recovery. Through the comparison of relevant applications of the system at home and abroad， it is pointed out that the realization of digital oil field， cable-free intelligent drilling and feedforward control technology is the development direction of intelligent well technology.

Key words： Intelligent well; Control; Key technology; Flow control valve; Development

從1997年智能井技术首次被应用于实践当中，已有20年左右的发展历史，从最初单一的井下温度、压力的测量到能够初步封隔低厚度产层，再到能够对井下油层特征及相关数据做到永久监测、成像、远程遥控及地面信息处理，进而到当前的全电动式智能井[1]，该技术已经逐步进入了更深层次的研究。

合理应用智能井技术不仅能使油田油气采收率达到最大值，而且能使国内许多已枯竭的油井恢复产油。智能井技术具有常规井多不具备的关键技术与巨大优势，但目前仍依赖于“反馈系统”，需要人工指令对其进行管理与控制。如何实现对井下控制流体参数优化，智能井自动化管理和控制，提前捕集油层可能发生的地质反应及井下无缆技术，成为未来相关技术的焦点[2]。随着有关技术的深化，智能井技术在油田开发中的潜力将得到更进一步的挖掘。

1  智能井概况

1.1  原理及构成

智能井可对井下生产条件和井柱数据进行连续实时监测、采集、传输和决策进行准确分析。然后根据生产井地质状况对井下地层流体进行远程操控，对各产层进行封隔，实现单井高产、保持采油速率及大幅度提升油井采收率的新型完井系统[3]。

智能井工艺的原理是将永久传感器放置在地下目标产层，动态监测井下流体的重要参数，由若干井缆和光缆输送到顶部计算机系统[4]，通过对这些数据进行分析、处理和加工，利用数值模拟研究和各种优化工艺措施，结合油田现状地质情况做出决策和管理，输入给智能井控制系统反馈到井下远程遥控处理各个产层，最终实现减少油井生产期的停产次数，维持采收速率，获得最大油气采收率的目标。

智能井有4个组分构成：

（1）井下参数监测系统，由安装在井下的以一定间隔距离排布于井筒中的各种传感器组成，它涉及井下压力、温度、声速和地震波传感器。

（2）井下流体控制系统，由底层井下间隔阀、地下控制流量阀、可远程操控的管柱封隔器及可控密封井筒的开关等诸多设备组成。通常采用的井下压力传感器如表1所示。

（3）地下信息传导系统是目标产层和地面软件系统的枢纽，利用地下线缆（专用双绞线）实现目标产层和中央处理系统间重要信号的传送[5]。其主要分为两部分，一是井下到地面传输系统，常用的有光纤传感传输，电子传感传输两种方式;另一部分是地面到井下传输系统，常用的有直接水力数据传输、数字水力数据传输、电动液动相结合数据输出及全电动式水力数据传输。

（4）地面数据采集，处理和管理系统，主要是用于分析井下数据的计算机和软件包，包括信号采集和统计，利用计算机软件进行模拟和参数优化及重要信息深究流程。

1.2  特点与优势

与传统井相比，智能井技术的显着特征如表2所示。与智能井井下开采不同的是，常规油气井的井下开采往往会受限于诸多不利因素，例如地层中断层和裂缝的延伸，不同层位储层物性和渗透率及孔隙度的差异等。甚至其中任何一个层位突变都会牵连到整个产层，对油气田的开采带来极为不利的影响[6]。智能井在石油能源中可实现多种功能：

（1）远程控制功能，可以捕获地下流量阀的作业信息，根据所需实时操控目标产层的动态，在不关井不停产的情况下完成复杂井结构调整，即可应用于某些产量低的老油田，又可应用于条件艰苦的沙漠油田和海上油田[7]。多分支井、多层合采井及常见的注水井和水平井都可充分利用该功能使作业事半功倍。

（2）井下各参数实时监测功能，智能井通过井下多种永久性传感器获取实时且连续的井下信息，通过井下线缆将数据输送到地面计算机系统中保存起来，由于真个过程连续性强，某些试验井的随意性和不清晰性可在相当层面上得到抑制。从这些大量有用数据中，可筛选出关于目标产生的关键信息，从而大幅度降低测井工作量。

（3）便于油藏管理功能，智能井从井下捕集到的数据信息流明显多于常规井短期测试数据，其中不仅有单井数据，而且包含井间数据，从中取得的大量信息使油藏管理工作向着高水准高指标方向发展[8]。

（4）丰富油藏可采储量，进一步增進油气最终采收率。智能井可实现从特定层段产油的目的，可实时调整各产层的流量来控制注水的进度，对油水前缘进行改善，提高波及效率[9]。

（5）降低生产造价，节省大量建设工艺资金和相关营业费用。智能井技术可以大幅度降低测井工作量，井设备维修工作量，优化采油工艺技术，进而减少作业所耗成本[10]。

（6）多油层联合开采。采用智能井下钻采可实现单层或多层位联合开采工艺流程，大大弥补了常规井的不足。

2  智能井关键技术

2.1  流量控制阀

在智能完井工艺流程中，主导性技术即是以流量控制阀作为井下生产流体关键环节的控制技术 [11]。利用流量控制阀对目标产层流体重要参数[12]：压力和流量来实现井下注入流体的动态控制。流量控制阀分为四环节流、全开、全关及2个节流位置，其安装在穿越式封隔器的下部，每个生产层的顶部分为开/关控制阀和节流控制阀。流量控制阀可选择性地关闭，打开或节流相应的目标水平线，并实时调节生产层之间的压力和流体流速[13]。实现对产层或分支的流量控制，是控制各产层流体流入动态的主要控制装置。

2.2  两种常用的流量控制阀

液控型流量控制阀操作过程简易，可靠性强。井下各产层通常处于高温高压下，由于液控型流量阀所采用的密封材料为耐高温的聚四氟乙烯[14]，因此，流量阀广泛应用于国外智能井系统。

电控型流量控制阀可有效减少穿越式封隔器的穿越孔数，该电驱动流量控制阀更适用于狭小的井下空间内，它无需传统工艺的运动变化和减速装置[15]。电控型流量阀相比液控型流量阀构造更简单，且运行所需能量少，操作工程中基本无噪音。电控型和液控型阀都有各自的优点和缺点，如表3所示。

2.3  相关技术

除了上述相关技术外，为了更充分地完成完井作业，还需要配合一些重要工艺措施。①电源和存储技术，由电缆传输或井下配置的高能电池组供电，驱动传感器和流量控制阀工作。②相匹配的一套完井系统包括在多采期间安设在井下目标层间的封隔器，传感器和相应阀门的管柱[16]。③井口穿透流程，如将智能井的控制电缆安装在生产管道的外壁上; 使用液压控制线泵在井下输送光纤电缆，该工艺技术的核心是使一些通道具有多种传输能力。④电缆断开装置，智能井井下装置要求工作寿命很长，但井下某些控制装置寿命有限，因此需要对井下举升设备进行更换，如果控制管路和电动泵放置在一套智能井筒中[17]，则应安装断开装置。⑤信息传输系统，可在一定时间后从地下更换和维修，或可在高温高压下工作一段时间。⑥可长时间适应高温和高压环境的相关传感器。

3  应用与评价

3.1  国外研究现状

1999年，液压型-In Force智能井问世，该智能井由单条通信电缆输送电力和控制信息于井下石英传感器，并采用特有的液压控制线远程操控井下流量阀的开关[18]，此技术目前已经商业化;斯伦贝谢公司的RCM系统将井下监测系统和地下控制系统与合理油藏管理相结合[19]，借助先进的硬件和软件及与井场稳定连接，操作员可以实时连续制定油藏管理或生产决策;2000年，全电动- In Charge智能井步入市场，其由电力来调控流量阀，依靠电缆进行井下与地面间的信号运移[20];光学液压型- In-Well智能井利用光纤压力温度传感器来进行井下数据监测[21]。随着以上诸多类型智能井的成功应用，为油气田提高可采储量和得到最大油气采收率及合理油藏管理提供了一种较新的捷径。

3.2  国内研究现状

当前中国智能井技术比国外差距较大，国内相关技术尚存在许多不足，例如缺乏完备的地层数据监测工艺，同时与智能井技术相配套的软件系统也存在明显不足[22]。辽河油田将地层监测工艺与热力注采联合应用于油井实时连续压力监测系统中，合理的完善了高温高压条件下目标产层中设备封堵的难题;大庆油田第三代智能井技术已成功应用于实践，但其使用的单向流量控制阀同样存在诸多不足[23];西南油气田开发了气井永久性地下系统监测工艺系统用以实时连续的提供目标产层中流体的流量、压力及温度等参数信息[24]。

大体上看中国已经在探索研究智能完井的道路走了相当长的一段时间，虽然国内在常规井下传感器技术方面已相当成熟，但在数据远程控制、高性能井下智能装置及数据软硬件处理等方面显示出显著的缺陷[25]。尽管中国有一定的井下探测技术，但目前还没有真正的智能井。

4  展 望

由于昂贵的生产成本和国外企业的垄断，国内对智能井技术的研究进展缓慢，但是中国从来未曾放弃对智能井技术的研究。利用智能井技术不仅可以优化井下数据，从而得到最大采收率，而且对油井、油藏及水驱产生深远的影响。

随着相关难题逐步被攻克，智能井技术与数字油田相结合、无电缆智能钻井技术及智能井前馈控制技术的研发成为一种必然趋势。在不久的将来，智能井技术将广泛地应用于油藏开采中。与美国和加拿大等国相比，中国的智能井技术相对不成熟，而且由于未来开发领域环境趋于复杂和苛刻，加强该新型完井有关设备及地面软件的研发为重中之重。

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