油氣井聯(lián)網(wǎng)智能開采井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研究

□ 文/戚麗麗 王展旭

為提高開發(fā)頁巖、致密或低滲透油氣藏微納孔隙介質(zhì)儲(chǔ)層的采收率，基于“井聯(lián)網(wǎng)”智能增產(chǎn)技術(shù)，設(shè)計(jì)油氣井身結(jié)構(gòu)，研究智能開采工藝技術(shù)。通過研究油氣“井聯(lián)網(wǎng)”條件下的智能開采井身結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了井下實(shí)時(shí)計(jì)量、監(jiān)測和調(diào)控油氣產(chǎn)層溫度、壓力、產(chǎn)量和聲波的光纖傳感器安置方法和井身結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)井下油氣產(chǎn)層生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。在此基礎(chǔ)上，研究智能開采工藝生產(chǎn)技術(shù)，用3D數(shù)字仿真再現(xiàn)這種生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)數(shù)字可視化。認(rèn)為用油氣“井聯(lián)網(wǎng)”智能開采技術(shù)，能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測井間剩余油，達(dá)到智能增產(chǎn)和提高采收率的目的。

井聯(lián)網(wǎng)；智能開采；智能井身結(jié)構(gòu)；數(shù)字可視化

作為頁巖油氣三大增產(chǎn)技術(shù)之一的智能開采技術(shù)，包括智能井身結(jié)構(gòu)的光纖傳感器安置完井設(shè)計(jì)、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測控和井間剩余油智能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬這三項(xiàng)技術(shù)。

1997年，北海油田實(shí)現(xiàn)了世界上第一口智能完井系統(tǒng)（SCRAMS）。1999年，美國貝克休斯石油公司完成了液壓智能井系統(tǒng)（InForce TM）商業(yè)化生產(chǎn)，并于2000年下半年將其全電子智能井系統(tǒng)（InCharge FM）推向市場。目前，各類電力智能井系統(tǒng)、電力-液壓智能井系統(tǒng)及光纖-液壓智能井系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地成功應(yīng)用，為提高油藏采收率提供了一條嶄新的途徑。

中國智能完井技術(shù)研究起步較晚。近年來，中國石油的遼河、長慶、吐哈油田和中國石化勝利油田及中國海油都積極開展智能完井系統(tǒng)研究，在井下間隔分布安裝溫度、壓力和流量等傳感器，實(shí)現(xiàn)智能完井技術(shù)方案。

2012年，本文課題組在參與美國鷹潭頁巖油的區(qū)塊開發(fā)和丹佛Niobrar頁巖油氣田區(qū)塊水平井加密調(diào)整期間，與美國德克薩斯大學(xué)石油工程學(xué)院和德州理工大學(xué)的教授一起，在共同探討研究油氣井智能開采技術(shù)的同時(shí)，提出“井聯(lián)網(wǎng)”智能遠(yuǎn)程監(jiān)控井間剩余油的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬技術(shù)，通過智能井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將該技術(shù)初步應(yīng)用于丹佛頁巖油某區(qū)塊的水平井加密調(diào)整方案優(yōu)化研究獲得成功。回國后，在深化相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，于2016年10月申報(bào)“一種油氣井聯(lián)網(wǎng)研究井間剩余油方法及智能開采井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)?01610862040.6），目前該專利處于公示狀態(tài)。

基于“井聯(lián)網(wǎng)”的智能開采工藝和井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）油氣井聯(lián)網(wǎng)智能開采技術(shù)的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和分析系統(tǒng)

微納孔隙結(jié)構(gòu)的頁巖油氣儲(chǔ)層，具有“低孔、低滲、無自然產(chǎn)能”的開發(fā)特征，需要通過水平井和壓裂工藝進(jìn)行增產(chǎn)后投入開采，穩(wěn)產(chǎn)和提高采收率技術(shù)是可持續(xù)高效開發(fā)頁巖油氣藏的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)高效開發(fā)頁巖油氣藏的目的，對(duì)井下產(chǎn)層生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的調(diào)控、傳輸和分析提出了智能開采的要求。

美國丹佛頁巖油的智能開采，威德福石油公司設(shè)計(jì)了一個(gè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)計(jì)量控制向井下轉(zhuǎn)移的智能井系統(tǒng)，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)廣域地區(qū)的井間生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析和網(wǎng)絡(luò)管理。通過利用放置在井下的永久性光纖傳感器，實(shí)時(shí)采集產(chǎn)層的井下壓力、溫度和流量參數(shù),通過通信線纜將采集的信號(hào)傳輸?shù)降孛?利用軟件平臺(tái)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、分析和學(xué)習(xí),同時(shí)結(jié)合油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)和優(yōu)化技術(shù),形成油藏經(jīng)營管理的決策信息,并通過控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋到井下對(duì)油層進(jìn)行遠(yuǎn)程生產(chǎn)遙控。智能井系統(tǒng)的主要構(gòu)成和用途如圖1所示。

圖1 智能井系統(tǒng)的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

圖2 井聯(lián)網(wǎng)智能開采井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

（二）智能開采井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)油藏廣域地區(qū)的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)分析和智能遠(yuǎn)程調(diào)控，需要將生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集傳感器安裝在井下產(chǎn)層處，實(shí)現(xiàn)油氣井聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理，即“井聯(lián)網(wǎng)”。通過在井下安裝溫度、流量、壓力和聲波傳感器，井口采油樹安裝無線網(wǎng)絡(luò)路由器和數(shù)據(jù)壓縮打包傳輸設(shè)備，將井下傳感器采集到的產(chǎn)層流量、溫度、壓力和聲波等數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮打包后傳遞到指定的數(shù)據(jù)解壓和分析場所，以實(shí)現(xiàn)“井聯(lián)網(wǎng)”后的油氣井網(wǎng)絡(luò)化智能管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)油氣藏智能數(shù)字化管理。

智能開采井身結(jié)構(gòu)包括井下和井口兩個(gè)部分，井下井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖2。在油氣井完井作業(yè)時(shí)，各類傳感器按照完井設(shè)計(jì)位置，需用專用卡扣安裝固定在技術(shù)套（油）管外。智能井工作時(shí)，將利用4個(gè)傳感器分別實(shí)現(xiàn)對(duì)井下聲波、溫度、壓力和油氣產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸、監(jiān)測和遠(yuǎn)程測控。所采集的數(shù)據(jù)通過油（套）管外光纖傳感器傳輸?shù)骄?，井口壓縮打包后，通過無線網(wǎng)絡(luò)路由器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ǖ姆治鲋行摹?/p>

圖3 丹佛頁巖油塊水平井加密調(diào)整采油完井系統(tǒng)的滑套裝置設(shè)計(jì)圖

圖4 水平井智能開采工藝仿真模擬3D數(shù)字可視化

另外，實(shí)現(xiàn)控制井下產(chǎn)層井眼流量的裝置是智能滑套系統(tǒng)。該滑套系統(tǒng)是安裝在油管上的2個(gè)簡單的外套筒，滑套工作的基本機(jī)械原理是，上部的電動(dòng)套筒滑過流體流動(dòng)區(qū)域以實(shí)現(xiàn)節(jié)流，而下部由彈簧驅(qū)動(dòng)的套筒保護(hù)底部的盤根。

該型外套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：只需要兩套密封墊，并且在整個(gè)移動(dòng)過程中密封墊被完全地保護(hù)；可移動(dòng)的部件邊沿由碳化鎢材料制成，能夠承受長期的磨損；可移動(dòng)套筒中安裝有一組滾珠，以減少移動(dòng)過程中的摩擦阻力。

圖3是課題組在2012年為丹佛某頁巖油區(qū)塊水平井加密調(diào)整所做的采油完井系統(tǒng)滑套裝置工作原理設(shè)計(jì)圖。有了智能滑套和光纖流量傳感器，既能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和分析，也能遠(yuǎn)程控制產(chǎn)層的流量大小，調(diào)控井間剩余油前緣動(dòng)態(tài)的變化，防止暴突式指進(jìn)現(xiàn)象，以實(shí)現(xiàn)提高采收率的智能開采目的。

井口采油樹需要技術(shù)改造，加裝對(duì)井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)的接收、壓縮打包和無線路由傳輸設(shè)備，設(shè)備的動(dòng)力由太陽能電池板提供。這樣可以將采集到的井下產(chǎn)層生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過井口采油樹將數(shù)據(jù)壓縮打包后發(fā)送到指定的數(shù)據(jù)分析中心，實(shí)現(xiàn)油氣井的智能化數(shù)字管理。

智能開采工藝3D數(shù)字仿真可視化

為了展現(xiàn)油氣井聯(lián)網(wǎng)的智能開采工藝，用3D數(shù)字化虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，仿真模擬一口頁巖油氣水平井智能開采工藝過程，進(jìn)行3D可視化仿真再現(xiàn)研究。

通過計(jì)算機(jī)3D數(shù)字化仿真（圖4）模擬，研究結(jié)果認(rèn)為智能開采工藝能夠?qū)崿F(xiàn)油氣井井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、分析和遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)也對(duì)數(shù)值模擬提出了生產(chǎn)動(dòng)態(tài)模擬和實(shí)時(shí)調(diào)控的技術(shù)研究要求。

結(jié)論與認(rèn)識(shí)

基于井聯(lián)網(wǎng)的智能開采技術(shù)，研究智能完井系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)井下產(chǎn)層數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、接受和分析，通過設(shè)計(jì)井下永久光纖傳感器的分布和安裝及智能滑套流量控制設(shè)備，用增產(chǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究了智能開采工藝，并且用3D數(shù)字可視化再現(xiàn)該工藝的生產(chǎn)過程。研究結(jié)果如下：

實(shí)現(xiàn)井聯(lián)網(wǎng)智能開采技術(shù)的基礎(chǔ)是智能完井系統(tǒng)，即把地面井口生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)移到井下，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下產(chǎn)層生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和分析。

壓裂改造后的頁巖油氣微納孔隙介質(zhì)儲(chǔ)層，需要智能完井系統(tǒng)，進(jìn)行開發(fā)研究評(píng)價(jià)井間剩余油。

通過研究基于井聯(lián)網(wǎng)的智能開采技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)控井下產(chǎn)層的流量，進(jìn)行智能化管理經(jīng)營油藏，可以實(shí)現(xiàn)大幅度地提高油氣藏采收率。因此，研究頁巖油氣三大增產(chǎn)技術(shù)之一的智能開采技術(shù)，對(duì)今后我國頁巖油氣開發(fā)的穩(wěn)產(chǎn)和提高采收率具有現(xiàn)實(shí)意義。

To improve the recovery ef ficiency of developing shale and tight or low permeability petroleum reservoir micro / nano-porous media, based on“well networking” intelligent production technology, oil and gas well body structural designs, and by studying of smart drilling technology. By studying the intelligent design of the oil and gas well structure under condition of“well networking”, an optical f ber sensor placement method can be designed to measure, monitor, and control the temperature, pressure, output, and acoustic waves under the shaft, to fulf ll real-time transmission of the gas production data in the well. On this basis, study on mining technology and production technology , using 3D digital simulation reproducing such production technology, virtual augmented reality digital visualization. Intelligently designed oil and gas "well networking" mining technology could be used to dynamically monitor the residual oil in wells, to increase production control and increasing oil recovery.

well networking; intelligent design; intelligent well structure; digital visualization

作者單位： 青島科技大學(xué)