中国智能完井技术发展的机遇与挑战

2009年3月石油地质与工程PE󰀁,R()IJEUMGE()L( 兀YANDENGINEERING第23卷第2期文章编号:1673一8217󰀂2009)02一0076一04中国智能完井技术发展的机遇与挑战钱杰,,沈泽俊 ,张卫平 ,郝忠献 (l.中国地质大学(北京),北京100083;2.中国石油勘探开发研究院;3.中国石油大学(北京!摘要:通过对智能完井技术的特点∀结构组成及用途进行阐述,结合我国油气田开发的现状,从技术∀油藏条件∀成本等角度对我国发展智能完井技术的机遇和问题进行分析,指出智能井技术符合我国当前油气生产发展的趋势,我国应在引进国际先进技术的同时,自主研制智能井的关健部件,为智能井在我国广泛应用英定基础#关健词:智能完井;系统组成;水平井及天然气;机遇与挑战中圈分类号:TE313文献标识码:A智能完井系统 (IntelligentCompletionSystem,简写为ICS)从1997年投入应用以来,在国外得到了迅猛的发展,取得了令人瞩目的成绩#在过去的5年中,智能井系统的安装以每年27%的速度增长,据不完全统计,截止到2006年已安装或部分安装智能井系统的油气井已超过1000口#目前,壳牌公司已经把智能井的测量功能作为常规手段,要求在所有的生产井上安装压力和温度测量设备,以加强对油气井的监测和生产控制#但在中国智能完井技术的研究还没有起步,在应用方面也只是引进智能完井的部分技术,一套完整的智能完井技术在国内还是空白#但是随着我国水平井的大力发展及天然气开发的突飞猛进,智能完井系统的优越性被业内人士逐渐认识,比如能够实时采集井下温度∀压力∀持水率等油藏数据,能够在地面对油层流出∀流人液流进行控制,从而优化油藏开发方案,提高油藏开发效果和采收率∃%一5󰀁#1智能完井简介1.1基本原理智能完井系统也称作智能井 (Intelligentwell,简写为IW),通过在油气生产井或注入井中安装的各种传感器(如温度∀压力∀流量等),实时动态采集井下生产的各种数据,地面的中央控制系统对采集到的各种数据进行筛选∀分析和归纳,判断井下生产的各种情况,并通过数据模拟和油藏模拟得出最佳的开采方案或注人方案,进一步从地面驱动安装在井下的流量控制装置,从而实现对井下生产或注人进行动态实时管理的目的#1.2特点与用途与常规完井相比,智能完井技术的特点与优势有:(1)智能完井具有实时监测功能#通过把各种传感器长期放置在井下,可以对井下的各特性参数进行实时动态监测,一方面有助于准确判断井下的各种情况,一方面可以避免大量的生产测试,因而可以避免对正常生产的干扰以及节省大量的常规生产测试的费用#(2)智能完井具有实时闭环控制功能#常规完井的测试和控制是相互断开的,不能同时进行,在对油井的优化生产上往往存在较大的误差#智能完井则有效的避免了这个问题,通过井下的传感器实时测量井下的各种参数,由中央控制系统进行判断和分析,根据需求从地面控制井下的流量控制装置,从而形成一个实时闭环控制的系统#(3)智能完井具有远程控制功能#通过采用智能完井技术,人们可以通过远程网络对油井和油田进行远程管理#因此,智能井技术可以适用与沙漠油田∀滩海和海上油田等偏远地区#正是基于此项功能,智能完井成为数字化油田的一项关键的核心技术#(4)智能完井具有井下控制功能#智能完井可以从地面控制井下的流量控制装置的开关和流量大小,因而可以随时根据需求调整井身结构#通过此种功能,智能完井可以实现以下几种意图:&对井下独立的油层∀气层∀水层的开关控制,并可以调节流量的大小,促进油层恢复;∋控制多个油层或多个分收稿日期:2008一11一03作者简介:钱杰,高级工程师,1965年生,1988年毕业于石油大学(华东)矿业机械专业.现从事机械采油的研究工作#钱杰等.中国智能完井技术发展的机遇与挑战支的分采与合采;(控制水∀气锥进,通过周期性调整层段流量延迟水∀气的锥进,实现加速生产的目的#(5)智能完井具有免干扰功能#智能完井技术可以免除或减少常规的测试和修井作业对正常生产的干扰,从而可以节省地面设备的花费和减少修井作业费用#2智能完井系统组成根据智能完井的定义和原理的描述,智能井系统由三部分组成:井下信息传感系统,油井优化开采系统,井下流动控制系统#智能完井系统(ICS)结构框图见图1所示∃卜田#智能完井系统 (Icws)井下信息传感系统统油井优化开采系统统井下流动控制系统统可 穿 趁 统 线 的 分 隔 器 图1智能完井系统的结构框图2.1井下信息传感系统井下信息传感系统负责井下信息的收集并把这些信息在地面上直观的反映出来#该系统主要包括以下三个部分:井下传感器组,数据传输通道,地面监测系统#井下传感器组是永久安装在井下∀间隔分布于整个井筒中的,包括温度∀压力∀流量∀粘度∀组分等多种传感器组以及未来要发展的井下三维可视系统,目前常用的传感器主要分为新型光纤传感器和常规电子传感器#由于光纤传感器具有数据传输速度快∀耐高温∀无源∀化学反应呈惰性∀性质稳定且不受电磁辐射干扰的优点,与电子传感器相比,其稳定性和可靠性大为提高,因此在井下测试中越来越受到青睐#数据传输通道的主要任务是担负地面监控系统和井下传感器及执行器之间的通信,把井下传感器测量的各种信号传输给地面监测系统,这种通道主要是电缆和光缆#地面监测系统的主要任务是配合井下传感器完成测量和存储井下数据,并对数据进行分析,判断井下发生的各种情况,绘制各种与生产相关的图表,最终把这些数据和分析结果传送给油井优化开采系统#地面监测系统包括硬件设备和软件系统#地面硬件设备主要指用于传感器的地面设备,例如光纤传感器的光源∀光电探测器∀光调制机构和信号处理器等#软件包括测量软件∀存储软件∀分析软件等#2.2井下流动控制系统井下流动控制系统是智能井系统实施优化生产的执行系统#油井优化开采系统通过分析井下的各种数据,发出指令遥控处于井下的生产控制装置,从而控制井下流体的流量和流动特性#井下流动控制系统主要包括地面动力系统∀层间隔离工具∀动力传输系统和井下控制阀三部分,目前井下控制阀主要是通过液压方式来进行控制动作#地面动力系统主要包括液压泵和控制系统,能向井下双向输送动力实现井下控制阀的打开和关闭;层间隔离工具主要是使用封隔器,按照油藏工程师的要求,用封隔器将油井封隔成几个不同的生产层段,每个生产层段安装一个井下控制阀,同时这些封隔器能够穿越液压控制管线和光纤#动力传输系统主要包括动力管线和液控管线保护器,液压管线是1/4%连续不锈钢管线,通常是一个井下控制阀有一个独立的动力传输系统#井下生产控制系统中最简单的是井下节流阀,它可以在油藏中调整各层段之间的产量,是最直接控制井下流量的工具#智能井的节流器可以遥控操作,比原有完井方法有了很大提高#2.3油井优化开采系统油井优化开采系统是整个智能井系统的核心#油井优化开采系统接收井下信息系统传输的数据和初步结果,结合油藏和地质知识进行更深层次的分析,采用软件模拟的方式确定出最佳的优化开采方案,发出指令控制井下流动控制系统以达到最终目的#此系统可以以自动或手动两种模式运行#油井优化开采系统可以分为硬件和软件两个部分#硬件部分包括计算机∀网络系统∀数据采集卡∀控制模块等;软件部分是系统的关键,包括数据处理单元∀数据分析单元∀控制单元等几大模块# 3.1我国智能完井技术发展的机遇我国水平井的大力发展促进了智能完井技术研发步伐的加快随着油田陆续进人高含水后期开发,日益重视油田的开发效果,因此,水平井越来越成为提高油田开发效果的一种重要手段,水平井的数量将逐年增石油地质与工程2009年第2期多#随着开发时间的延长,水平井出现故障的几率也逐渐增多,这在水平井开发相对较早的油田已经显现#就中石油来说, 十一五!是水平井的大发展时期,特别是2006年以后,水平井技术有了突破性发展,2005年打各类水平井201口,2006年打各类水平井522口,2007年打各类水平井800余口,2010年计klJ打各类水平井1500余口[9一%2]#随着水平井的开发,也暴露出一些技术问题,其中水平井的生产测试和水平井的控水是制约水平井的发展的关键问题#生产测试是了解和掌握油藏信息的主要技术手段,但在我国水平井的生产测试几乎是空白,虽然大庆油田引进了国外的爬行器测试技术,但是由于测试条件苛刻,在现场很难进行大面积推广,而且还要配套一套气举装置来协助完成,而且费用高,在陆地一个简单的水平井测试就需要30万元,在海上的测试费用更加昂贵#化学堵水和机械堵水是油井生产控水的常规方法,但对水平井来说,由于没有生产测试资料,判断不出水平井的出水位置,不能进行堵水措施的实施#3.2深海及滩海油田的开发运用智能完井技术大大降低修井成本滩海油田和海上油田是中国石油油气田开发的重要组成部分,在生产中所占的比重越来越大#这类油气田主要具有油气产量高∀投资大∀作业维修费用高等特点,而且水平井将是开发这类油气田的主要方式#在海下油井的应用将集中于减少或最大限度地消除采油井的维修工作上#对海下油井的井下流体和油层参数的监测,以及对油井产量或水井注入量的优选,所起控制功能是使所需的油井维修工作减少到最低限度,这样可降低生产成本#深水油井将从智能完井系统的应用中获利,该系统可减少设备和现场操作人员,由于采用智能完井系统,毋须再用挠性管或钢丝电缆起∀下检恻工具#3.3天然气突飞猛进的生产形势为智能完井技术的发展提供了很好的机会我国2007年的天然气产量已经达到558亿方,其能源地位将会越来越高,不久将会超过原油,目前天然气特别是中高压气井的生产中主要存在以下问题:一是气井压井作业损失产量大∀费用高#天然气生产中,井口压力高∀风险大,在进行修井作业时,必须进行压井作业,压井作业对气层造成污染,产量损失大,有一些气井将可能被压死#不压井作业机还在研究阶段,而且适应压力有限,作业效率也低#二是高压气井的生产测试困难,费用高#气井的井口压力高,作业工序复杂,井口泄漏危险性大#使用常规测井手段测试静压将需要压井作业,井口防喷等措施,不仅作业费用高,而且耽误正常生产#据统计,仅一口深层气井的压恢测试费用大约需要27万元,如一年进行2到3次测试,5年内的总费用将高达400万人民币,而且,这还没有计算任何井口作业风险,仪器落井∀损失等意外因素#4我国智能完井技术发展面临的挑战4.1井下元器件的稳定性和可靠性井下各种各样复杂环境,例如高温∀高压∀强腐蚀∀电磁干扰等特性,对井下的传感器∀执行器件以及井下信息的可靠传输提出了更高的要求#智能完井技术要求井下的组件寿命至少要达到5年以上,可靠性要达到95写以上,因而井下组件的可靠性和寿命是妨碍智能井技术发展的主要障碍#目前国产的元器件质量和性能更难以保证,全部依赖进口,智能完井的成本会高居不下,影响到该技术在中国的推广#国内目前在光纤传感器方面的研究已经取得了一系列的成绩,西安石油大学的乔学光教授在油气井下高温高压光纤传感检测方面取得了突破,完成的 高温高压分布式光纤光栅传感技术!荣获2007年度国家技术发明奖二等奖;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;北京蔚蓝仕科技有限公司申请了 用于智能井的光纤多点温度与压力测量方法及其装置!的专利,通过光缆和地面的解调器,可以实时读取井内不同油层的温度和压力#但截止目前,这些技术还没有得到现场应用的验证#4.2国内的油藏条件提高了智能完井技术的难度在国外,智能完井技术往往用于高产油井,这些油井的自喷期长,其生产不用举升设备,完井管柱就是生产管柱,不需要修井,智能完井管柱可以长期稳定的工作#在国内,油藏能量相对较低,虽然也有一些高产井,但自喷期相对短,智能完井管柱的设计必须考虑与生产管柱的结合,在对生产管柱进行作业时,会对智能完井管柱产生影响甚至破坏#4.3昂贵的费用问题根据目前的技术,使用智能完井技术所产生的费用相当昂贵,主要是因为智能完井所涉及的井下工具∀元器件都依赖进口,这在很大程度上限制了智能完井技术在陆地油田的推广和应用#据统计,一套完整的智能完井系统的报价在500一1000万元,