郝廣維 邵陽 蘭天慶 張昕

摘 ?????要：智能井系統(tǒng)即利用井下相關(guān)技術(shù)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)層實(shí)施動(dòng)態(tài)控制及優(yōu)化處理的新型完井工藝。較系統(tǒng)的闡明了智能井的原理和組成，通過與常規(guī)井進(jìn)行比較突出描述了智能井的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，并分析了其關(guān)鍵技術(shù)。大量實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，合理應(yīng)用智能井技術(shù)能夠提高油氣可采儲(chǔ)量，進(jìn)而獲得最大油氣采收率。通過目前國(guó)際國(guó)內(nèi)該系統(tǒng)的相關(guān)應(yīng)用相比較，探討實(shí)現(xiàn)數(shù)字化油田、無電纜智能鉆井及前饋控制技術(shù)是智能井技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān) ?鍵 ?詞：智能井; 控制; 關(guān)鍵技術(shù);流量控制閥;發(fā)展

中圖分類號(hào)：TE242 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 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年智能井技術(shù)首次被應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中，已有20年左右的發(fā)展歷史，從最初單一的井下溫度、壓力的測(cè)量到能夠初步封隔低厚度產(chǎn)層，再到能夠?qū)掠蛯犹卣骷跋嚓P(guān)數(shù)據(jù)做到永久監(jiān)測(cè)、成像、遠(yuǎn)程遙控及地面信息處理，進(jìn)而到當(dāng)前的全電動(dòng)式智能井[1]，該技術(shù)已經(jīng)逐步進(jìn)入了更深層次的研究。

合理應(yīng)用智能井技術(shù)不僅能使油田油氣采收率達(dá)到最大值，而且能使國(guó)內(nèi)許多已枯竭的油井恢復(fù)產(chǎn)油。智能井技術(shù)具有常規(guī)井多不具備的關(guān)鍵技術(shù)與巨大優(yōu)勢(shì)，但目前仍依賴于“反饋系統(tǒng)”，需要人工指令對(duì)其進(jìn)行管理與控制。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)井下控制流體參數(shù)優(yōu)化，智能井自動(dòng)化管理和控制，提前捕集油層可能發(fā)生的地質(zhì)反應(yīng)及井下無纜技術(shù)，成為未來相關(guān)技術(shù)的焦點(diǎn)[2]。隨著有關(guān)技術(shù)的深化，智能井技術(shù)在油田開發(fā)中的潛力將得到更進(jìn)一步的挖掘。

1 ?智能井概況

1.1 ?原理及構(gòu)成

智能井可對(duì)井下生產(chǎn)條件和井柱數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集、傳輸和決策進(jìn)行準(zhǔn)確分析。然后根據(jù)生產(chǎn)井地質(zhì)狀況對(duì)井下地層流體進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，對(duì)各產(chǎn)層進(jìn)行封隔，實(shí)現(xiàn)單井高產(chǎn)、保持采油速率及大幅度提升油井采收率的新型完井系統(tǒng)[3]。

智能井工藝的原理是將永久傳感器放置在地下目標(biāo)產(chǎn)層，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井下流體的重要參數(shù)，由若干井纜和光纜輸送到頂部計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[4]，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和加工，利用數(shù)值模擬研究和各種優(yōu)化工藝措施，結(jié)合油田現(xiàn)狀地質(zhì)情況做出決策和管理，輸入給智能井控制系統(tǒng)反饋到井下遠(yuǎn)程遙控處理各個(gè)產(chǎn)層，最終實(shí)現(xiàn)減少油井生產(chǎn)期的停產(chǎn)次數(shù)，維持采收速率，獲得最大油氣采收率的目標(biāo)。

智能井有4個(gè)組分構(gòu)成：

（1）井下參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由安裝在井下的以一定間隔距離排布于井筒中的各種傳感器組成，它涉及井下壓力、溫度、聲速和地震波傳感器。

（2）井下流體控制系統(tǒng)，由底層井下間隔閥、地下控制流量閥、可遠(yuǎn)程操控的管柱封隔器及可控密封井筒的開關(guān)等諸多設(shè)備組成。通常采用的井下壓力傳感器如表1所示。

（3）地下信息傳導(dǎo)系統(tǒng)是目標(biāo)產(chǎn)層和地面軟件系統(tǒng)的樞紐，利用地下線纜（專用雙絞線）實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)層和中央處理系統(tǒng)間重要信號(hào)的傳送[5]。其主要分為兩部分，一是井下到地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)，常用的有光纖傳感傳輸，電子傳感傳輸兩種方式;另一部分是地面到井下傳輸系統(tǒng)，常用的有直接水力數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字水力數(shù)據(jù)傳輸、電動(dòng)液動(dòng)相結(jié)合數(shù)據(jù)輸出及全電動(dòng)式水力數(shù)據(jù)傳輸。

（4）地面數(shù)據(jù)采集，處理和管理系統(tǒng)，主要是用于分析井下數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)和軟件包，包括信號(hào)采集和統(tǒng)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬和參數(shù)優(yōu)化及重要信息深究流程。

1.2 ?特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)井相比，智能井技術(shù)的顯著特征如表2所示。與智能井井下開采不同的是，常規(guī)油氣井的井下開采往往會(huì)受限于諸多不利因素，例如地層中斷層和裂縫的延伸，不同層位儲(chǔ)層物性和滲透率及孔隙度的差異等。甚至其中任何一個(gè)層位突變都會(huì)牽連到整個(gè)產(chǎn)層，對(duì)油氣田的開采帶來極為不利的影響[6]。智能井在石油能源中可實(shí)現(xiàn)多種功能：

（1）遠(yuǎn)程控制功能，可以捕獲地下流量閥的作業(yè)信息，根據(jù)所需實(shí)時(shí)操控目標(biāo)產(chǎn)層的動(dòng)態(tài)，在不關(guān)井不停產(chǎn)的情況下完成復(fù)雜井結(jié)構(gòu)調(diào)整，即可應(yīng)用于某些產(chǎn)量低的老油田，又可應(yīng)用于條件艱苦的沙漠油田和海上油田[7]。多分支井、多層合采井及常見的注水井和水平井都可充分利用該功能使作業(yè)事半功倍。

（2）井下各參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，智能井通過井下多種永久性傳感器獲取實(shí)時(shí)且連續(xù)的井下信息，通過井下線纜將數(shù)據(jù)輸送到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中保存起來，由于真?zhèn)€過程連續(xù)性強(qiáng)，某些試驗(yàn)井的隨意性和不清晰性可在相當(dāng)層面上得到抑制。從這些大量有用數(shù)據(jù)中，可篩選出關(guān)于目標(biāo)產(chǎn)生的關(guān)鍵信息，從而大幅度降低測(cè)井工作量。

（3）便于油藏管理功能，智能井從井下捕集到的數(shù)據(jù)信息流明顯多于常規(guī)井短期測(cè)試數(shù)據(jù)，其中不僅有單井?dāng)?shù)據(jù)，而且包含井間數(shù)據(jù)，從中取得的大量信息使油藏管理工作向著高水準(zhǔn)高指標(biāo)方向發(fā)展[8]。

（4）豐富油藏可采儲(chǔ)量，進(jìn)一步增進(jìn)油氣最終采收率。智能井可實(shí)現(xiàn)從特定層段產(chǎn)油的目的，可實(shí)時(shí)調(diào)整各產(chǎn)層的流量來控制注水的進(jìn)度，對(duì)油水前緣進(jìn)行改善，提高波及效率[9]。

（5）降低生產(chǎn)造價(jià)，節(jié)省大量建設(shè)工藝資金和相關(guān)營(yíng)業(yè)費(fèi)用。智能井技術(shù)可以大幅度降低測(cè)井工作量，井設(shè)備維修工作量，優(yōu)化采油工藝技術(shù)，進(jìn)而減少作業(yè)所耗成本[10]。

（6）多油層聯(lián)合開采。采用智能井下鉆采可實(shí)現(xiàn)單層或多層位聯(lián)合開采工藝流程，大大彌補(bǔ)了常規(guī)井的不足。

2 ?智能井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ?流量控制閥

在智能完井工藝流程中，主導(dǎo)性技術(shù)即是以流量控制閥作為井下生產(chǎn)流體關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制技術(shù) [11]。利用流量控制閥對(duì)目標(biāo)產(chǎn)層流體重要參數(shù)[12]：壓力和流量來實(shí)現(xiàn)井下注入流體的動(dòng)態(tài)控制。流量控制閥分為四環(huán)節(jié)流、全開、全關(guān)及2個(gè)節(jié)流位置，其安裝在穿越式封隔器的下部，每個(gè)生產(chǎn)層的頂部分為開/關(guān)控制閥和節(jié)流控制閥。流量控制閥可選擇性地關(guān)閉，打開或節(jié)流相應(yīng)的目標(biāo)水平線，并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)生產(chǎn)層之間的壓力和流體流速[13]。實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)層或分支的流量控制，是控制各產(chǎn)層流體流入動(dòng)態(tài)的主要控制裝置。

2.2 ?兩種常用的流量控制閥

液控型流量控制閥操作過程簡(jiǎn)易，可靠性強(qiáng)。井下各產(chǎn)層通常處于高溫高壓下，由于液控型流量閥所采用的密封材料為耐高溫的聚四氟乙烯[14]，因此，流量閥廣泛應(yīng)用于國(guó)外智能井系統(tǒng)。

電控型流量控制閥可有效減少穿越式封隔器的穿越孔數(shù)，該電驅(qū)動(dòng)流量控制閥更適用于狹小的井下空間內(nèi)，它無需傳統(tǒng)工藝的運(yùn)動(dòng)變化和減速裝置[15]。電控型流量閥相比液控型流量閥構(gòu)造更簡(jiǎn)單，且運(yùn)行所需能量少，操作工程中基本無噪音。電控型和液控型閥都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如表3所示。

2.3 ?相關(guān)技術(shù)

除了上述相關(guān)技術(shù)外，為了更充分地完成完井作業(yè)，還需要配合一些重要工藝措施。①電源和存儲(chǔ)技術(shù)，由電纜傳輸或井下配置的高能電池組供電，驅(qū)動(dòng)傳感器和流量控制閥工作。②相匹配的一套完井系統(tǒng)包括在多采期間安設(shè)在井下目標(biāo)層間的封隔器，傳感器和相應(yīng)閥門的管柱[16]。③井口穿透流程，如將智能井的控制電纜安裝在生產(chǎn)管道的外壁上; 使用液壓控制線泵在井下輸送光纖電纜，該工藝技術(shù)的核心是使一些通道具有多種傳輸能力。④電纜斷開裝置，智能井井下裝置要求工作壽命很長(zhǎng)，但井下某些控制裝置壽命有限，因此需要對(duì)井下舉升設(shè)備進(jìn)行更換，如果控制管路和電動(dòng)泵放置在一套智能井筒中[17]，則應(yīng)安裝斷開裝置。⑤信息傳輸系統(tǒng)，可在一定時(shí)間后從地下更換和維修，或可在高溫高壓下工作一段時(shí)間。⑥可長(zhǎng)時(shí)間適應(yīng)高溫和高壓環(huán)境的相關(guān)傳感器。

3 ?應(yīng)用與評(píng)價(jià)

3.1 ?國(guó)外研究現(xiàn)狀

1999年，液壓型-In Force智能井問世，該智能井由單條通信電纜輸送電力和控制信息于井下石英傳感器，并采用特有的液壓控制線遠(yuǎn)程操控井下流量閥的開關(guān)[18]，此技術(shù)目前已經(jīng)商業(yè)化;斯倫貝謝公司的RCM系統(tǒng)將井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地下控制系統(tǒng)與合理油藏管理相結(jié)合[19]，借助先進(jìn)的硬件和軟件及與井場(chǎng)穩(wěn)定連接，操作員可以實(shí)時(shí)連續(xù)制定油藏管理或生產(chǎn)決策;2000年，全電動(dòng)- In Charge智能井步入市場(chǎng)，其由電力來調(diào)控流量閥，依靠電纜進(jìn)行井下與地面間的信號(hào)運(yùn)移[20];光學(xué)液壓型- In-Well智能井利用光纖壓力溫度傳感器來進(jìn)行井下數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)[21]。隨著以上諸多類型智能井的成功應(yīng)用，為油氣田提高可采儲(chǔ)量和得到最大油氣采收率及合理油藏管理提供了一種較新的捷徑。

3.2 ?國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

當(dāng)前中國(guó)智能井技術(shù)比國(guó)外差距較大，國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)尚存在許多不足，例如缺乏完備的地層數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)工藝，同時(shí)與智能井技術(shù)相配套的軟件系統(tǒng)也存在明顯不足[22]。遼河油田將地層監(jiān)測(cè)工藝與熱力注采聯(lián)合應(yīng)用于油井實(shí)時(shí)連續(xù)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，合理的完善了高溫高壓條件下目標(biāo)產(chǎn)層中設(shè)備封堵的難題;大慶油田第三代智能井技術(shù)已成功應(yīng)用于實(shí)踐，但其使用的單向流量控制閥同樣存在諸多不足[23];西南油氣田開發(fā)了氣井永久性地下系統(tǒng)監(jiān)測(cè)工藝系統(tǒng)用以實(shí)時(shí)連續(xù)的提供目標(biāo)產(chǎn)層中流體的流量、壓力及溫度等參數(shù)信息[24]。

大體上看中國(guó)已經(jīng)在探索研究智能完井的道路走了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，雖然國(guó)內(nèi)在常規(guī)井下傳感器技術(shù)方面已相當(dāng)成熟，但在數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程控制、高性能井下智能裝置及數(shù)據(jù)軟硬件處理等方面顯示出顯著的缺陷[25]。盡管中國(guó)有一定的井下探測(cè)技術(shù)，但目前還沒有真正的智能井。

4 ?展 望

由于昂貴的生產(chǎn)成本和國(guó)外企業(yè)的壟斷，國(guó)內(nèi)對(duì)智能井技術(shù)的研究進(jìn)展緩慢，但是中國(guó)從來未曾放棄對(duì)智能井技術(shù)的研究。利用智能井技術(shù)不僅可以優(yōu)化井下數(shù)據(jù)，從而得到最大采收率，而且對(duì)油井、油藏及水驅(qū)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

隨著相關(guān)難題逐步被攻克，智能井技術(shù)與數(shù)字油田相結(jié)合、無電纜智能鉆井技術(shù)及智能井前饋控制技術(shù)的研發(fā)成為一種必然趨勢(shì)。在不久的將來，智能井技術(shù)將廣泛地應(yīng)用于油藏開采中。與美國(guó)和加拿大等國(guó)相比，中國(guó)的智能井技術(shù)相對(duì)不成熟，而且由于未來開發(fā)領(lǐng)域環(huán)境趨于復(fù)雜和苛刻，加強(qiáng)該新型完井有關(guān)設(shè)備及地面軟件的研發(fā)為重中之重。

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