張激揚 歐海晨 師國臣 王龍 劉仁勇 高文峰

1.中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院；2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點實驗室

數(shù)字化、智能化油田建設是一個系統(tǒng)工程，是以油田數(shù)據(jù)庫和信息平臺建設為基礎(chǔ)，將油氣發(fā)現(xiàn)與開發(fā)工作從歷史性分類資料的順序處理改變成實時資料并進行處理，利用實時數(shù)據(jù)流結(jié)合新型軟件的應用和高速計算機系統(tǒng)，建立快速反饋的動態(tài)油田系統(tǒng)，以便提高產(chǎn)量和進行有效的油田管理［1］。該技術(shù)是多領(lǐng)域技術(shù)融合的產(chǎn)物，代表著油田開發(fā)和現(xiàn)代電子科學技術(shù)的最高成果。物聯(lián)網(wǎng)、云計算等一大批新的技術(shù)和概念也在數(shù)字油田建設過程中不斷得到實踐和創(chuàng)新［2］。數(shù)字化油田主要包括油藏數(shù)字化工程建設、油田地面工程數(shù)字化建設和井筒數(shù)字化建設等內(nèi)容。

油藏數(shù)字化工程建設的核心是建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，構(gòu)建多維度的虛擬油藏數(shù)據(jù)體，對油藏各類動靜態(tài)數(shù)據(jù)的模型進行模擬仿真和數(shù)據(jù)分析，主要包括：地震解釋、油藏建模、數(shù)值模擬及經(jīng)濟評價等；油田地面工程數(shù)字化建設較早開展、發(fā)展較為完備，與井筒數(shù)字化聯(lián)系最為緊密，主要系統(tǒng)組成有：油田基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、油水井生產(chǎn)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)、地面油氣集輸系統(tǒng)、地面建設信息管理系統(tǒng)等；井筒數(shù)字化建設作為地下油藏工程及地上地面工程的紐帶及橋梁，是數(shù)字化、智能化油田建設最為重要的一環(huán)。

油水井井筒實現(xiàn)數(shù)字化、智能化，一方面為油藏工程提供實時、準確的油層動靜態(tài)數(shù)據(jù)、為地面工程直觀展示流體的實時狀態(tài)，滿足油藏工程、地面工程的開發(fā)需求；另一方面能夠自動、智能改變油層的連通狀況，滿足開發(fā)動態(tài)調(diào)整需求。油田建設實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、實時監(jiān)控、智能生產(chǎn)優(yōu)化與智能決策，建設智能油氣田已成為必然趨勢，國內(nèi)外油氣公司都在抓緊行業(yè)布局［3］。

目前，國內(nèi)外在井筒數(shù)字化、智能化建設方面已取得較大進步。國內(nèi)以智能分層注水、分層采油為代表的實時測控技術(shù)為主，而國外主要應用各類智能完井技術(shù)，其核心是全過程開發(fā)數(shù)字化和智能化，但由于投資成本高，在國內(nèi)油田進行開發(fā)還有一定難度，國內(nèi)尚處在開發(fā)試驗階段，距離油水井井筒完全數(shù)字化、智能化還有較長的路要走。

1 油田開發(fā)數(shù)字化、智能化發(fā)展及現(xiàn)狀

2008 年，在世界 10 家最有價值的公司中，石油公司占了5家，但到了2018 年， 前 10 家最有價值的公司已由石油公司為主體轉(zhuǎn)變?yōu)榛ヂ?lián)網(wǎng)(數(shù)據(jù))公司為主體，如 Alphabet(Google的母公司)、亞馬遜(Amazon)、蘋果 (Apple)、臉書 (Facebook)和微軟(Microsoft)是當前全球估價最高的5家上市公司［4］。2019年1月，英國BP公司投資500萬英鎊助力人工智能初創(chuàng)公司Belmont Technology，開發(fā)了一個融合物理、地質(zhì)、歷史和油藏信息的地球科學云平臺，為 BP提供獨特的“地下資產(chǎn)圖譜”［5］。采取開放式創(chuàng)新和產(chǎn)、學、研深度融合的模式，與 IT公司合作是油氣行業(yè)智能化發(fā)展的通用策略。國際石油公司通過與 IT 公司聯(lián)手開展業(yè)務智能化探索，實現(xiàn)上游勘探開發(fā)業(yè)務的智能化，產(chǎn)生了道達爾+谷歌云、雪佛龍+微軟、殼牌+惠普等跨界組合［6］。

早在2006年，大慶油田公司出臺了大慶油田信息化建設的發(fā)展戰(zhàn)略：圍繞主營業(yè)務， 做“3篇文章”，打造數(shù)字油田，實現(xiàn)企業(yè)的信息化。作為行業(yè)技術(shù)和未來發(fā)展方向的領(lǐng)軍者，大慶油田始終在數(shù)字化、智能化、智慧化油田的進程上穩(wěn)步推進。在電子計算機發(fā)展形成之初，大慶油田數(shù)字化建設即已拉開帷幕，大力開展諸多研究和部署，如模擬計算井網(wǎng)井距，生產(chǎn)參數(shù)的數(shù)據(jù)化存儲，開發(fā)各級單位間數(shù)據(jù)共享的企業(yè)網(wǎng)、ERP系統(tǒng)管理軟件及A11/12等油田信息化系統(tǒng)等，為油田開發(fā)和各類數(shù)據(jù)高效、有效的存儲及使用帶來極大方便。油田數(shù)字化建設是一個完整且龐大繁復的系統(tǒng)工程，其構(gòu)建不是一蹴而就的，而是需要油藏工程、地面工程、信息工程以及井筒工程等自下而上、由內(nèi)向外、由易入難逐步發(fā)展而成的。基于國內(nèi)各油田油藏數(shù)字化、智能化發(fā)展狀況，結(jié)合近年來大慶油田相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域深耕成果，對井筒數(shù)字化、智能化進行定義，同時分析未來發(fā)展方向。

2 井筒數(shù)字化、智能化構(gòu)建

油田生產(chǎn)過程中，隨著油田生產(chǎn)的不斷深入，生產(chǎn)難度越來越高，新的應用需求隨時產(chǎn)生，以大港油田為例，對油水井措施施工存在問題的分析，油田生產(chǎn)管理部門亟需研發(fā)和建設一套滿足油田措施施工實際需要的實時數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控和遠程傳輸系統(tǒng)，將施工前期、中期、后期的關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息和視頻圖像信息傳輸?shù)讲捎蛷S的管理中心，從而實現(xiàn)信息共享和應用、壓裂方案設計、遠程專家診斷和現(xiàn)場監(jiān)控［7］。技術(shù)供需的轉(zhuǎn)換代表著技術(shù)發(fā)展的方向和進程。

油田開發(fā)初期，原油產(chǎn)量高、開發(fā)難度低，油水井井下以機械調(diào)控為主，可滿足絕大部分測調(diào)需求，以近年來的研究成果角度看，機械調(diào)控方法井筒數(shù)據(jù)獲取方式少、測量準確性不高，井與井、層與層之間的連通關(guān)系及液體流向無直觀、準確的認識。近年來，隨著高效、精準測調(diào)需求的提出，智能注采工藝技術(shù)發(fā)展速度明顯加快，智能注入端應用井數(shù)多且分層調(diào)配方案相關(guān)理論十分完善，已經(jīng)具備構(gòu)建井筒數(shù)字化和智能化的基礎(chǔ)，而采出端大部分以籠統(tǒng)開采為主，井筒數(shù)字化控制研究近幾年才剛剛興起。大慶油田于2010-2020年加大機電一體化油水井測調(diào)工藝技術(shù)的研究，代表著機械油水井分層調(diào)控向自動化調(diào)控方式的轉(zhuǎn)變。截至2021年年底，研發(fā)的油水井纜控智能注采工藝技術(shù)已初步實現(xiàn)井筒的人工干預分層控制和數(shù)據(jù)采集，但是距離空間化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化和可視化特征的井筒控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)還很遠。

2.1 油水井井筒數(shù)字化

油水井井筒數(shù)字化不同于地面采集數(shù)據(jù)的數(shù)字化存儲及使用，是更直接、更真實反映單井各層段生產(chǎn)情況的數(shù)據(jù)采集、處理、存儲及調(diào)用。

油田開發(fā)由于注入井和采出井功能、井筒的流體流態(tài)及其工況不同，所以注入井和采出井的井筒數(shù)字化建立也各有不同。注入井側(cè)重各注入層介質(zhì)的流入特性，即分層壓力、分層注入量是核心參數(shù)。而采出井則側(cè)重各層產(chǎn)出介質(zhì)的流出特性，即分層流量、分層含水、分層壓力是核心參數(shù)。

注入井井筒數(shù)字化建立必須但不限于具有井下各層的分層壓力、分層注入量、分層溫度等參數(shù)的實時監(jiān)測功能。如果注入特殊介質(zhì)，如聚驅(qū)、復合驅(qū)，則增加井下介質(zhì)黏度等參數(shù)的監(jiān)測也是十分必要的。采出井井筒數(shù)字化建立必須但不限于具有井下各層的分層流量、分層含水、分層壓力、分層溫度等參數(shù)的實時監(jiān)測功能。如果是特殊油藏，如稠油的氣驅(qū)，需要增加井下分層產(chǎn)氣量、介質(zhì)黏度等參數(shù)的監(jiān)測，只有全面且準確獲取井筒內(nèi)各種參數(shù)才是構(gòu)建油水井井筒數(shù)字化的基礎(chǔ)。

獲取數(shù)據(jù)量加大需要快速存儲及調(diào)用，建立適用于油水井動態(tài)分析所需要的數(shù)據(jù)信息庫，是動態(tài)分析數(shù)據(jù)庫建立的最終目標，將物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下采集的大量動、靜態(tài)數(shù)據(jù)，通過已建的各類生產(chǎn)、管理系統(tǒng)接口進行數(shù)據(jù)重新整理、排列，并上傳至數(shù)據(jù)庫，為油水井動態(tài)分析提供暢通的數(shù)據(jù)通道和數(shù)據(jù)信息支撐，實現(xiàn)分析數(shù)據(jù)及信息的全面展示，為技術(shù)人員提供現(xiàn)成可用的分析數(shù)據(jù)，輔助地質(zhì)、工藝、設備等各個生產(chǎn)單位管理需求；同時實現(xiàn)從單井到油藏的生產(chǎn)動態(tài)指標科學計算，為油藏管理者提供全面可靠的決策信息［8］。

2.2 油水井井筒智能化

井筒數(shù)字化的建立可以實時掌握油層的開發(fā)狀態(tài)，提高工作效率，但更重要的是能夠無人工參與地實時自動調(diào)控油藏開發(fā)動態(tài)及狀況，進而提高采收率，即實現(xiàn)井筒智能化。所以，在井筒數(shù)字化的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)井筒智能化，注入端必須具有注入壓力及注入量的調(diào)控功能，需配套流量調(diào)控裝置，采出端必須具有流壓及流量的調(diào)控功能，需配套流量調(diào)控裝置，兩端各功能相互聯(lián)系、共成一體。

井筒實現(xiàn)數(shù)字化、智能化，不僅滿足了油田開發(fā)動態(tài)調(diào)整及其提高采收率的需要，實現(xiàn)真正意義上精準的“六分四清”（其中，“六分”工藝包括：分層注水、分層采油、分層測試、分層改造、分層研究、分層管理；“四清”工藝包括：分層注水量清、分層采油量清、分層產(chǎn)水量清、分層壓力清），還將與地面計量和測試系統(tǒng)部分功能有效整合，簡化地面設施部署和投入，同時大幅度降低人工成本。如圖1所示為井筒數(shù)字化、智能化構(gòu)建的系統(tǒng)原理圖，其主要由無線傳輸設備、地面控制器、配水/產(chǎn)器組成。井下流量計、壓力計、含水儀、溫度計等傳感器，將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛?，通過地面控制器接收、解析后供工作人員查看，同時利用無線傳輸設備將數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)娇刂浦行?。控制中心分析后，如注采兩端需要調(diào)整，則控制中心給地面控制器發(fā)出無線指令，注采井井下各層段的流量調(diào)控裝置接受指令完成調(diào)控動作。

圖1 井筒數(shù)字化智能化系統(tǒng)Fig.1 Digitization and intelligentize system for well

3 關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向

井筒數(shù)字化、智能化需要滿足井筒完整性、參數(shù)準確性、調(diào)控可靠性、系統(tǒng)實用性及決策智能性的要求。以大慶油田智能采出井為例從4方面描述技術(shù)現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向。

3.1 數(shù)據(jù)處理

將溫度、流量、壓力和含水率等傳感器置于井下配產(chǎn)器中對各參數(shù)進行采集，并通過交直流電壓變換、信號功率放大及數(shù)模轉(zhuǎn)換等方式，最終將傳感器采集的微弱電信號轉(zhuǎn)化為地面儀器可識別的信號(圖2)。每個傳感器模塊對應1種井筒參數(shù)，傳感器種類越多，井筒數(shù)據(jù)采集種類越全面，數(shù)據(jù)測量準確性取決于傳感器設計精度和信號轉(zhuǎn)換電路精度?，F(xiàn)階段各核心傳感器精度均滿足油田生產(chǎn)實際需求，未來的發(fā)展方向為集合特殊介質(zhì)和特殊油藏的全參數(shù)采集，長壽命、超高精度傳感器及信號轉(zhuǎn)換電路研究。

圖2 數(shù)據(jù)信號處理流程Fig.2 Processing flow of data signal

3.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)是數(shù)據(jù)規(guī)范化，即通訊協(xié)議格式完整統(tǒng)一。如表1樣例所示，協(xié)議由定長的16字節(jié)數(shù)據(jù)構(gòu)成，包括報頭(2字節(jié))、設備碼(2字節(jié))、指令碼 (2字節(jié))、數(shù)據(jù)段 (8字節(jié))、校驗和 (2字節(jié))等5個字段。其中8字節(jié)數(shù)據(jù)段能夠保證6類生產(chǎn)參數(shù)的并發(fā)傳輸。校驗和字段位于指令及應答數(shù)據(jù)尾端，用于收發(fā)兩端的數(shù)據(jù)自校驗，能夠保證數(shù)據(jù)解析的準確性，同時降低因通信波動引發(fā)的誤解析。綜合井筒深度和投入成本等因素，利用電力線載波+單芯鎧裝電纜的通訊方式進行數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)階段通訊成功率幾乎達到100%，數(shù)據(jù)雙向傳輸速率在2 s以內(nèi)。未來的發(fā)展方向為基于電磁波、流量波的無線通訊傳輸方式。

表1 通信協(xié)議表(部分)Table 1 Communication protocol table (partial)

3.3 流體控制

井下流體控制主要體現(xiàn)在進液口處流量和壓力的控制，即控制閥門的開關(guān)截面積。實現(xiàn)方式是通過微型電機帶動傳動機構(gòu)，使活塞桿軸向伸縮運動，電機受地面控制器控制連續(xù)改變運行速度和時間，進而對流體進行無級調(diào)節(jié)?，F(xiàn)階段的調(diào)控方式主要為人工參與設置運行參數(shù)，手動控制閥門開關(guān)。未來的發(fā)展方向為研究自適應控制算法，從注采兩端同時控制形成分層聯(lián)動，最終無人工干預自動調(diào)整。

3.4 動力供給

通過電纜供給直流電，針對智能配產(chǎn)器內(nèi)各用電模塊工作電壓跨度大、分路多、供電復雜等需求。如圖3所示，研究攻關(guān)智能配產(chǎn)器核心模塊轉(zhuǎn)壓供電電路，通過轉(zhuǎn)壓供電電路實現(xiàn)220 V交流電AC～3.3 V直流電DC的大跨度電壓轉(zhuǎn)換，能夠為智能配產(chǎn)器內(nèi)直流電機、傳感器和單片機等多種用電設備穩(wěn)定供電。現(xiàn)階段供電仍需下入全井深度的電纜。未來發(fā)展方向包括高密度可充電電池供電、井下無線供電以及井下流體自發(fā)電等研究方向。

圖3 轉(zhuǎn)壓供電示意圖Fig.3 Schematic diagram of power supply after voltage transformation

4 結(jié)論

(1)井筒數(shù)字化、智能化是數(shù)字油田、智能油田、智慧油田建設的基本要求，同油藏、地面數(shù)字化工程同等重要，其最終目的是提高采收率、降低開發(fā)成本。

(2)井筒數(shù)字化、智能化構(gòu)建要以注入井、采出井流體特性、控制及環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測為核心，監(jiān)測的準確性和穩(wěn)定性最為重要。

(3)未來數(shù)字化、智能化構(gòu)建以現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)，發(fā)展并完善主體監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)全參數(shù)、高精度、立體化測控，由井下有線傳輸向無線傳輸轉(zhuǎn)變。