智能完井技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望

智能完井技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望

智能井是一種能收集、傳輸和分析井生產(chǎn)和油藏形狀參數(shù)的完井系統(tǒng)，能夠根據(jù)分析結(jié)果控制井生產(chǎn)和油藏。主要作用是：1）根據(jù)各層生產(chǎn)指數(shù)的變化，評(píng)估和確定產(chǎn)量生產(chǎn)段，關(guān)閉或限制生產(chǎn)水段。2）實(shí)時(shí)監(jiān)控井管中的許多參數(shù)，科學(xué)、簡(jiǎn)化地管理不同質(zhì)量的井藏。3）減少工作時(shí)間，直接降低運(yùn)營(yíng)成本和風(fēng)險(xiǎn)，提高安全性。智能完井技術(shù)綜合運(yùn)用傳感技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)來提高油井產(chǎn)能、降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用,實(shí)現(xiàn)資源利用和油田開發(fā)效益的最大化,用可以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段達(dá)到完井工程技術(shù)的終極目標(biāo),因而成為石油完井技術(shù)領(lǐng)域的焦點(diǎn),也代表了完井技術(shù)的發(fā)展方向。為此,勝利油田在智能完井技術(shù)研究和應(yīng)用方面做了大量的工作,并取得了一些進(jìn)展。1國(guó)內(nèi)外智能井處理技術(shù)現(xiàn)狀1.1全電控智能完井系統(tǒng)鑒于智能完井技術(shù)的重要性,國(guó)外公司競(jìng)相投入人力物力對(duì)其進(jìn)行了攻關(guān):1)貝克休斯公司研制出了石油行業(yè)第一套高級(jí)智能完井系統(tǒng)——InCharge智能完井系統(tǒng),該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完全電氣化,可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)遙控生產(chǎn)作業(yè)和注入管理。InCharge系統(tǒng)使用可變阻流器和高精度溫度壓力傳感器,對(duì)油管和環(huán)空中井底油層的實(shí)時(shí)壓力、溫度和流量及油井的生產(chǎn)和注入情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)各個(gè)油層的流量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)和控制。該系統(tǒng)還可以通過個(gè)人計(jì)算機(jī)選擇打開或者關(guān)閉某一產(chǎn)層。2)斯倫貝謝油田服務(wù)公司已在14口井上安裝了可回收式流量控制器,其中8套在Troll油田、3套在Oseberg油田、3套在WytchFarm油田。第一套全電控智能完井系統(tǒng)于2000年8月在WytchFarm油田應(yīng)用,當(dāng)油井老井眼出水時(shí),從老井眼中鉆兩個(gè)分支井眼,并對(duì)每個(gè)分支井眼進(jìn)行井下流量控制,從而有效恢復(fù)了油田產(chǎn)能。3)WellDynamics動(dòng)態(tài)公司推出的智能井系統(tǒng)包括地面控制系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和井下設(shè)備三大部分。截至目前,該公司在200多口井上安裝了智能井系統(tǒng)。目前智能完井尚需借助人工界面發(fā)布指令實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)井的控制,雖然各種類型的電子、電動(dòng)-液壓與光學(xué)-液壓完井系統(tǒng)已經(jīng)獲得成功應(yīng)用,但是目前液壓動(dòng)力智能完井系統(tǒng)仍占主導(dǎo)地位。1.2篩管分段完井?dāng)?shù)學(xué)模型試驗(yàn)驗(yàn)證近幾年國(guó)內(nèi)對(duì)智能完井技術(shù)關(guān)注較多,在完井工具方面有一定進(jìn)展,但還沒有形成核心技術(shù)。勝利油田經(jīng)過多年的科研攻關(guān),在智能完井方面取得了一些階段性成果:研制的高強(qiáng)壓縮式管外封隔器整體性能接近國(guó)外同類產(chǎn)品的水平,遇油遇水自膨脹管外封隔器已經(jīng)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的要求;形成的均衡供液篩管分段完井技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)已應(yīng)用50井次,控水效果明顯;建立了處理井下產(chǎn)液和壓力數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型,該模型可以根據(jù)處理結(jié)果判斷出水層位;通過篩管分段完井?dāng)?shù)據(jù)采集模擬試驗(yàn),對(duì)采用數(shù)學(xué)模型處理井下產(chǎn)液和壓力判斷出水層位的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。勝利油田的這些研究及成果,為我國(guó)形成完整的智能完井技術(shù)提供了理論和硬件基礎(chǔ)。2礦井主要技術(shù)完整的智能完井技術(shù)由4大技術(shù)組成:分段完井技術(shù)、采集傳輸技術(shù)、解釋處理技術(shù)和井下工具控制技術(shù)。勝利油田在前3大技術(shù)領(lǐng)域都進(jìn)行了探索研究,并都取得了一定的成果。2.1分段開挖技術(shù)分段完井技術(shù)就是將產(chǎn)層用管外封隔器封隔成段的完井技術(shù),其核心是管外封隔器及配套施工工藝。2.1.1高強(qiáng)壓縮式管外封隔器要保證篩管分段長(zhǎng)期有效,首先是要研制封隔壓力高、壽命長(zhǎng)的管外封隔器。高強(qiáng)壓縮式管外封隔器在國(guó)外,通常采用壓縮式封隔器進(jìn)行管外封隔,如裸眼分段壓裂。但在國(guó)內(nèi),現(xiàn)有的壓縮式封隔器存在膨脹率小、膠筒強(qiáng)度不高等問題,所以封隔效果不理想,特別是在井徑不規(guī)則的情況下。因此,在常規(guī)壓縮式封隔器基礎(chǔ)上開發(fā)出了一種高強(qiáng)壓縮式管外封隔器,并對(duì)膠筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。該封隔器的整體性能接近國(guó)外同類封隔器的水平(見表1)。遇油遇水自膨脹管外封隔器拉伸測(cè)試表明,遇油遇水膨脹橡膠拉伸強(qiáng)度中值7.6MPa,扯斷伸長(zhǎng)率中值488%,邵氏硬度45～55,耐溫100℃,部分指標(biāo)達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。試制了遇油遇水膨脹橡膠封隔器,進(jìn)行了地面承壓試驗(yàn):將外徑為110.0mm(中心管尺寸為88.9mm)的遇油遇水封隔器置于?139.7mm套管內(nèi)膨脹后試壓,測(cè)其試封隔能力,結(jié)果見表2。2.1.2采用變密度精密濾砂管分段完井均衡供液篩管分段完井技術(shù)是從地質(zhì)、鉆井、生產(chǎn)全方位分析篩管完井的產(chǎn)液情況,判斷水進(jìn)過程,在系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上將產(chǎn)層封隔成段,再通過控流篩管、盲管比例來調(diào)節(jié)產(chǎn)層供液,使水平井底水液面均勻推進(jìn),從而延緩和控制底水錐進(jìn),延長(zhǎng)油井壽命。針對(duì)Y12-P21井和X68-P4井存在底水且周邊區(qū)域井存在含水率高、單井產(chǎn)油量低的問題,在數(shù)值模擬和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,在這兩口井的油層段下入了?139.7mm變密度精密濾砂管進(jìn)行均衡供液篩管分段完井。目前,這兩口井的產(chǎn)油量均達(dá)到20t/d,是同區(qū)塊鄰井產(chǎn)油量的3倍,而含水率是鄰井的1/3,達(dá)到了控水增產(chǎn)的目的。2.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)數(shù)據(jù)采集傳輸就是利用傳感器采集產(chǎn)液參數(shù)并通過有線或無線方式傳輸?shù)骄凇?.2.1進(jìn)行有效封隔技術(shù)方案如圖1所示:外管柱是篩管、管外封隔器的組合,管外封隔器對(duì)水平產(chǎn)層進(jìn)行有效封隔;內(nèi)管柱是工作管柱,內(nèi)管柱上串接機(jī)械式內(nèi)管封隔器,內(nèi)管封隔器的位置與管外封隔器位置對(duì)應(yīng),每段內(nèi)管打孔、安置數(shù)據(jù)采集儀器。這樣井眼各段的產(chǎn)液經(jīng)篩管對(duì)應(yīng)流入內(nèi)管段,數(shù)據(jù)傳感器就會(huì)采集到產(chǎn)液數(shù)據(jù)。2.2.2環(huán)境條件和基礎(chǔ)條件選擇數(shù)據(jù)傳感器的原則有2個(gè):一是要了解被測(cè)量的特點(diǎn),如被測(cè)量的狀態(tài)、性質(zhì),測(cè)量的范圍、幅值和頻帶,測(cè)量的速度、時(shí)間,精度要求,過載幅度和頻度等;二是要了解使用條件,主要包括環(huán)境條件和基礎(chǔ)條件兩部分。勝利油田考慮到應(yīng)用環(huán)境及經(jīng)濟(jì)因素,鑒于電子傳感器具有精度高、尺寸小、耐溫耐壓能力強(qiáng)、施工作業(yè)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn),選擇電子傳感器作為數(shù)據(jù)傳感器。2.3數(shù)據(jù)處理技術(shù)數(shù)據(jù)處理就是根據(jù)傳輸上來的數(shù)據(jù),分析出各段點(diǎn)的產(chǎn)液狀況。2.3.1井筒密度及截面積計(jì)算在水平井筒中,首先利用連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程,基于油藏滲流和井筒流動(dòng)的耦合,建立水平井筒油水兩相變質(zhì)量分層流動(dòng)的基本模型和壓降計(jì)算模型,再結(jié)合生產(chǎn)井的具體生產(chǎn)數(shù)據(jù),分析水平井分段完井后不同井段的井下壓力分布特征。微元段的質(zhì)量守恒方程為:{ddx(ρoAouo)=ρoqoddx(ρwAwuw)=ρwqw(1){ddx(ρoAouo)=ρoqoddx(ρwAwuw)=ρwqw(1)微元段的動(dòng)量方程為:{-Aodpdx=τwoso±τisi+ddx(ρoAou2o)-Awdpdx=τwwsw±τisi+ddx(ρwAwu2w)(2){?Aodpdx=τwoso±τisi+ddx(ρoAou2o)?Awdpdx=τwwsw±τisi+ddx(ρwAwu2w)(2)式中:ρo、ρw分別為油相、水相的密度,kg/m3;Ao、Aw分別為水平井筒橫截面上油相、水相的截面積(Ao+Aw=A,A是水平井筒的橫截面積),m2;uo、uw分別為水平井筒橫截面上油相、水相的流速,m/s;qo、qw分別為單位水平井筒長(zhǎng)度壁面流入的油、水體積流量,m3/s;p為水平井筒內(nèi)壓力,Pa;so、sw分別為過流斷面上油相、水相邊界的長(zhǎng)度,m;si為油水兩相在橫截面上分界線的長(zhǎng)度,m;τwo為油相與管壁的剪切應(yīng)力,Pa;τww為水相與管壁的剪切應(yīng)力,Pa;τi為油水兩相分界面的剪切應(yīng)力,Pa;在水相速度大于油相時(shí)式(2)中的兩式均取正號(hào),否則式(2)中的兩式均取負(fù)號(hào)。由于ddx(ρoAouo)2=uoddx(ρoAouo)+ρoAouoduodx?ddx(ρwAwuw)2=uwddx(ρwAwuw)+ρwAwuwduwdx,可知:{ddx(ρoAouo)2=ρouoqo+ρoAouoduodxddx(ρwAwuw)2=ρwuwqw+ρwAwuwduwdx(3)壓降計(jì)算模型為:dpdx=-1Ao+Aw(τwoso+τwwsw+ρouoqo+ρwuwqw+ρoAouoduodx+ρwAwuwduwdx)(4)由于油水界面間的摩擦相互抵消,且Ao+Aw=A,A為水平井筒的橫截面積,即A=πd24,則有:Δp=-4πd2(τwosoΔx+τwwswΔx)-4πd2(ρouoqoΔx+ρwuwqwΔx)-4πd2(ρoAouoΔuo+ρwAwuwΔuw)(5)從式(5)可看出,水平圓管油水兩相變質(zhì)量壓降由3部分組成(Δp=Δpwall+Δpmir+Δpacc),分別是摩擦損失壓降Δpwall、壁面入流的動(dòng)量損失壓降Δpmir和由于流速增加引起的加速度壓降Δpacc。2.3.2進(jìn)水段壓力異常的測(cè)量預(yù)設(shè)進(jìn)行篩管分段的完井方法如圖2所示。由于油藏的特征不同,水平井可能先從A段出水,水平井段的出水層位也可能是隨機(jī)的。日產(chǎn)液量、日產(chǎn)油量和含水率這三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是A段、C段、E段產(chǎn)出流體的綜合反應(yīng),在井口無法分辨出產(chǎn)水層位。在圖2中的1、2、4位置預(yù)先下入3個(gè)壓力傳感器,測(cè)得3個(gè)位置的壓力數(shù)據(jù),再通過數(shù)據(jù)處理就能判斷出水段。理論計(jì)算表明,壓力測(cè)試點(diǎn)p4在含水小于40%時(shí),不同段出水壓力異常的差異不明顯,但是仍然可以分辨。含水大于40%時(shí),差異極為明顯,容易判斷出水層位,這正是高含水期急需要判斷出水層位的時(shí)機(jī)。不論是A段、C段還是E段出水,壓力測(cè)試點(diǎn)p4壓力異常在含水大于50%以后都很明顯。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,當(dāng)A段產(chǎn)水時(shí),含水在20%的時(shí)候,壓力點(diǎn)p1的異常值約為0.23MPa,而壓力傳感器的測(cè)量精度為0.01MPa。隨著含水的上升,壓力異常值不斷增大,即使井下壓力傳感器發(fā)生部分漂移,含水大于20%時(shí),也完全可以判斷壓力異常,從而準(zhǔn)確判斷出水層段。2.4井底流壓沿井筒的分布設(shè)計(jì)開發(fā)了地面篩管分段完井?dāng)?shù)據(jù)采集模擬試驗(yàn)裝置:以?244.5mm套管模擬水平井眼(?244.5mm套管每段外連泵以泵入油或水),?139.7mm套管串接管外封隔器將?244.5mm模擬井眼分段(?139.7mm套管每段打適量孔),?88.9mm內(nèi)置工作管柱封隔段與?139.7mm封隔段對(duì)應(yīng)(?88.9mm內(nèi)置工作管每段打適量孔),通過?88.9mm內(nèi)置工作管柱上串接的壓力傳感器采集不同模擬井段的壓力數(shù)據(jù),壓力傳感器的安放位置為圖2中的1、2、3、4、5、6。將采集到的產(chǎn)液量、產(chǎn)油量和各點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)處理得出各段出水時(shí)井底流壓沿井筒的分布曲線,見圖3～5。將圖3～5與實(shí)際進(jìn)水量(由泵壓和流量控制)對(duì)比發(fā)現(xiàn)基本吻合,驗(yàn)證了分段完井方式下,通過采集產(chǎn)液參數(shù)和井底