智能完井综述

1、智能完井综述摘要： 智能完井作为一种年轻的完井技术，是技术上的一种创新，同时也是对过去宝贵的完井理论和经验的荟萃和继承。本文从智能完井理念入手，调研总结了国内外的智能完井技术。通过对比分析，提出了智能完井系统的技术难点和发展趋势。特别地，为我国的智能完井技术发展指明了方向。引言：智能完井最重要的作用就是改善油藏管理。在避免由不同地层压力导致窜流这一情况下，智能完井能够在一个井眼内独立控制多个储层的开采量，使一口井同时独立开采多个油层成为可能。智能完井另一个重要的作用在于节省物理修井时间。在多油层、多分支井的开采后期，由于某个油层（井眼）的含水率升高而导致整个井的产量下降。而智能完井则是通过远程

2、控制关闭或节流含水率较高的油层（井眼），更加方便快捷地重新分配各油层（井眼）的产量，避免了针对该水层的修井作业。尤其是在滩海和深海平台上，由于作业时间限制和修井费用昂贵，更能体现出智能完井系统的优越性。1 智能完井系统的概念智能完井技术其实质是油藏监测和控制技术，主要是为了控制气、水和油窜。随着技术的不断提高，智能完井技术已经能够提供连续监测井下动态。适用于海底油井智能完井技术，高度非均质油藏井、深水井、多分支井、多储混合井的横向延伸井下油水分离及处理，它集井下监测，层段流体控制和智能化的油藏管理技术为一体。2 智能完井技术的发展历史20世纪80年代末，智能完井技术通常只限于对采油树和油嘴附近

3、的地面传感器进行远程监控、对地下安全阀进行远程液压控制、对采油树阀门进行液压或电动液压控制。最初利用计算机辅助生产主要两个方面：一是对采油树附近的油嘴进行远程控制，实现气举井生产优化；二是抽油机井进行监控。随着该技术的发展和智能控制系统的成功运用以及各种永久性置入传感器可靠性的提高，经营者开始考虑对井筒流体进行直接控制，以便获得更大的商业利润，这就要求设计出一种能提供检测和控制功能的高水平智能系统。在初期阶段，智能完井井下液流控制装置是基于常规的电缆起下滑套阀的工作机理而设计的。这种阀的构造设计具备了井下开关和变位节流功能，这些功能一般均采用液压、电力或电动液压激活系统来完成，而后进行的新技术

4、开发工作促成了具有抗冲蚀功能节流装置的问世，并且其结构可耐高的压差，除此之外，还开发了基于常规井下安全阀技术研究的其他装置，以及可用于井下生产管柱开关的球阀等21。在90年代后期，bakerhughes、schlumberger、ABB和Roxar等几家公司都开发了对井下进行监控的智能完井技术。1997年BakeroilTools和schlumberger公司联合开发了电子智能流量控制系统，称为“InCharge”。BakeroilTools还单独在Baker自己的CM滑套的基础上研制了一个水力操作系统，称为“InForce”。这两种系统于1999年和2000年在巴西的Roncador油田和挪

5、威的Snohe油田得到了现场应用。目前有三种智能完井系统:全电子智能元件系统、光纤传感器的水力系统和具有电子永久性井下参数测量仪的水力系统。全电子智能完井系统采用电子传感器，结合电动滑套开关，每个滑套开关或智能生产调节器都采用一种无级可调油嘴，连接到电动机和井下参数测量仪上。而井下的动力电和数字信息传输都是通过用环氧树脂充填的绞织双线接头提供给智能生产调节器的。为了精确控制流量，在选好了智能生产调节器之后，由井下电动马达驱动调节阀，可以使调节阀的位置开启到任意角度，实现井下流量的无级调节。而后面两种水力控制的智能完井系统依靠电子和液压传感器驱动井下滑套开关，每个水力操作滑套由地面的两条水力管道

6、驱动，靠滑套依靠压力响应打开或关闭，水力滑套开关则由地面的两个水力管线控制。地面控制器可控制滑套，遥控操作井下开关，还可控制油嘴和水嘴。其中，由于光纤传感器具有分布式测量能力，可以测量被测量空间的空间分布，给出剖面信息，所以光纤传感器的水力系统能够让传感器更准确地进行井下各种参数的采集和监测，并且它可单独地采用水力滑套实现分层开采，使其互不干涉。3 智能完井国内外发展现状3.1 国外现状BakerHughes、Schlumberger、ABB和Roxar等公司在上个世纪90年代就已经开发了对井下进行监控的智能完井技术。这些技术得到了很多的现场应用，随着科技的逐渐进步，认识的不断加深，已经有很多

7、成功的产品推出。例如SmartWell、InCharge、InForce、Scrams、Weatherford的光纤技术和TAM公司的穿线式自膨胀封隔器技术等。自1997年8月世界第一口智能井在北海snorre油田成功安装以来，国外对智能井技术的研究与应用已有十多年的历史。且多为石油公司与高校及科研机构联合研究，研发出了一系列装置、软件与系统。测量系统：（1）井下压力监测：哈里伯顿公司的EZ-Gauge毛细管测压系统、加拿大先锋石油公司的PDMS永久井下压力检测系统、美国WTS公司PR300系列存储式电子压力计等。（2）井下温度测量：拉曼反向散射分布式温度传感器DTS、英国Sensornet公

8、司的Sentinel-DTS分布式温度测量系统、斯伦贝谢公司的Sensa光纤监测系统、哈里伯顿公司的OptologDTS技术等。（3）井下多相流量测量：威德福公司的光学流量计、斯伦贝谢公司的Phase-Watcher Vx多相流量计、哈里伯顿公司的FastQ多相流量计等。（4）物性测量：井间电磁成像技术等地面分析决策系统（1）信号处理技术：Promore公司的ESIA传感器隔离算法、多传感器数据融合技术（随机类方法：加权平均法、卡尔曼滤波算法、多贝叶斯估计、Dempster-Shafer证据推理等。人工智能类方法：模糊逻辑轮、神经网络、粗集理论、专家系统等）。（2）控制模式：闭环控制技术、实时

9、优化控制技术、系统辨识和实时模型参数最优估计理论、用克雷洛夫子空间投影法和状态空间正交分解法对高维模型进行降维处理。（3）实时分析与优化软件：斯伦贝谢公司的Decide及兰德马克公司Decision-Space和Production系列软件。井下生产控制系统（1）控制系统：WellDynamics公司的SCRAMS、DiditalHydralics DirectHydralics，贝克石油工具公司的InForce和InCharge系统，斯伦贝谢的RMC系统等。（2）井下控制装置：WellDynamics公司的CC-ICV和HC-ICV（全开全关流入控制阀）、IV-ICV（精细可调流入控制阀）、

10、MCC-ICV(步长式流入控制阀)，贝克石油工具公司的HCM-Plus滑套（全开全关）、HCM-A（可调式）等。3.2 国内现状我国的智能完井技术由于起步较晚，还处于研究阶段，完整的智能完井技术仍属空白。虽然国内目前还没有成型的智能完井系统，但在智能井技术方面已经有一些探索，与智能完井技术近似的技术主要是分层开采和一些初步的滑套开关等技术。1994年河南石油勘探局采油工艺研究所和采油厂共同开发研制了3种分层采油的混出泵及管柱，并成功地应用于油田生产。大庆油田在上世纪60年代开发实践过程中就形成了一整套分层采油技术，并已在各油田推广使用。经过多年研究，分层开采、分层注水技术在各油田已普遍使用。而

11、初步的滑套技术，从上世纪90年代才开始研究使用。1998年胜利油田联合北京航天航空大学开展DTS技术研究报告。“九五”期间，在国家自然基金的资助下，西安石油大学与中国科学院西安光机所、南开大学合作，在国内首先开展了光纤Bragg光栅用于油气井井下压力、温度测量的研究工作，从理论和实验两方面验证了这一技术的可行性。胜利油田研制出了性能良好的高强压缩式管外封隔器和遇油遇水自膨胀封隔器，并实现了均衡供液筛管分段完井技术。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。大庆油田开发了水平井机械调节含水率技术，根据井下压力数据和注水曲线调整生产层"这

12、三个产品有望实现独立的控制，但它们不能实时控制生产层且没有实时数据传输的功能。总的来说，尽管中国有一些井下监控技术和远程控制阀，但是目前尚无真正的智能井。4 智能完井系统介绍4.1 智能完井系统的组成智能完井系统需要同时完成井下数据监测和远程控制井下开采两大功能。根据智能完井各单元在整个系统中所起到的作用，可将智能完井系统分为以下几个单元8：1) 用来手机井下储层温度、压力和流量等参数的井下传感器单元；2) 封隔临近的储层，避免高压油、气窜层的穿线式封隔器单元；3) 控制井下一个或多个储层的开启、关闭或节流的层段控制阀单元；4) 传输井下数据信号，传达地面控制指令的数据传输和控制系统；5) 地

13、面中央控制系统。图1 WellDynamics公司的智能完井组成4.2 智能完井系统的特点智能完井尤其适用于一些钻穿多个具有不同油藏特性的储层层段的井，主要是为了控制起、水和油窜。虽则技术的不断完善，智能完井已经能够提供连续的井下动态监测。智能完井适用于海下油井、高度非均质储层的水平延伸井、深水油井、多分支井、多油层的合采井。需要井底油水分离处理的井。智能完井主要具有以下几个特点1215：1) 可以减少生产干扰，避免常规采油作业带来的风险，便于管理，适用于边远、偏僻地区。智能完井可以在地面上识别流入控制位置，能在地面上选择性地开或关某一油层，实现在不关井的情况下进行井身结构重配。2) 智能完井

14、有实现地面远程遥控的功能，这就使得这项技术特别适合于管理沙漠或海上的油田。3) 防止在生产层和混采层之间窜流，可以控制气、水锥进，改善生产能力，提高油田最终采收率。智能完井上的传感器能够监测各油层油、气、水的流动状况，修正油井工作制度。一旦生产过程中出现水或气的锥进时，可以通过油井配产来延缓水、气锥的发生，改善生产能力，提高油田最终采收率。4) 智能完井具有实时监测的功能，获得生产层实时井下信息，并将监测到的信息资料传输到地面的计算机中存储起来，由于信息是长期持续记录的，从而可以克服不稳定试井分析引起的模糊性和不确定性。5) 提高对油藏的认识程度，使作业人员对将来的井位和井网布置作出较好的决定

15、。6) 全面优化油藏管理和生产，减少各类井的数量，提高注入效率和最终采收率。4.3 智能完井系统的主要功能智能完井主要具有以下功能14：1) 根据变化的各个层段的生产指标，可以判断并决定节流生产链段的作用；2) 能够测量和调节生产，在每一层中测量时，对流程压力和质量流量进行检测，进而更科学、更简化地管理异构储层；3) 由于消除所造成的侧向流动关闭时的压力使每个区域可升降分析的影响，消除了由于混入错误引起的混合流的分析，更容易和准确地计算物料平衡；4) 生产工程师和过程控制工程师能够更有效地确定、测量和调整管理过程；5) 由于控制和测量可以在制造形成，这方便了操作者来调整变化的生产信息，从而优化

16、生产；6) 可以进行使用气体升起相邻层以增加产量耗尽层段；7) 通过常规气举阀优化气举法的远程调整；8) 获得实时的关键信息，以减少记录的工作量；9) 可能不是必需的井下可以根据用于处理的程序选择层；10) 以降低操作频率的干扰，直接降低了运营成本和风险，提高了安全性。5 国外几种典型的智能完井技术介绍5.1 SmartWell智能完井系统SmartWell完井系统14为Halliburton公司研发的液压式智能完井系统，第一套SmartWell于1998年成功应用于Brunei油田。该系统主要包括地面分析和控制系统、液压式层段控制阀（ICV）、HF-1型穿线式管内封隔器、永久式井下传感器、液

17、压控制管线和电缆传输管线。SmartWell通过井下传感器采集每个储层的压力和温度数据，并且能以液压控制井下层段控制阀，优化油藏生产方式。图2 SmartWell智能完井系统1控制/传输线；2、5穿线封隔器3、7传感器；4、6层段控制阀HF-1型穿线式管内封隔器用于封隔邻近的两个储层，它在常规采油封隔器的基础上添加了穿过液压控制线和电缆传输线的贯穿孔。该封隔器最多允许穿过5条线缆，其中包括1条电缆和4条液压控制线，做多能实现3个油层或分支的智能开采。SmartWell系统的层段控制阀为液压直接式层段控制阀，利用2条液压管线进行控制，只能够进行打开和关闭操作，采用了金属密封技术，最大密封能力达到

18、105MPa，耐温能力达到177度。传感器采用了高精度、高分辨率的电子传感器技术，具有体积小和耐温能力高（150度）的特点，其设计使用年限为5年。5.2 InForce智能完井系统InForce完井系统14是BakerHughes公司生产的液压智能完井系统，利用HCM遥控液压滑套、隔离封隔器以及井下永久计量监测仪来实现远距离流量控制，缩短了改变井下条件前的探测和反应时间。InForce系统的井下永久石英计量仪监测井下实时压力和温度数据，由1条单芯电缆给各个计量仪提供电力和通信渠道，最终将信号传给SCADA控制系统。SCADA控制单元可以自动或手动方式通过专用的液压控制线在地面遥控井下层段控制阀

19、的打开或关闭，每个滑套需要2条液压控制线驱动。图3 InForce智能完井系统1、5采油封隔器；2层段控制阀；3外罩式层段控制阀4砾石充填封隔器；6隔水封隔器InForce系统将HCM遥控液压滑套进行改良，设计了外罩式液压滑套装置，该装置能控制管内流体的通过。该设计成功地将控制下方储层的层段控制阀上移至封隔器上方，避免了液压管线穿过封隔器，在一定程度上提高了系统的可靠性。图4 外罩式HCM遥控液压滑套5.3 SCRAMS智能完井系统SCRAMS智能完井系统14将液压控制线和电缆硫化在扁平的橡胶中，液压控制线为SCRAMS提供液压驱动力，通过电缆控制的电磁阀，再把这个力传递给层段控制阀活塞的每一

20、侧。相比SmartWell完井系统，由于SCRAMS系统采用了现金的电动液压控制方式，减少了控制管线的数量，整个井眼只需1根液压管线和1根电缆管线便能智能控制井下的开采。SCRAMS系统的突出特点是设计了冗余的液压和电缆的控制传输系统，利用两套独立的液压和电缆管线同时完成滑套的无级流量控制，以便准确控制流入或流出油层的液体。图5 SCRAMS智能完井系统5.4 InCharge智能完井系统 InCharge系统14是首次完全依靠电力驱动和传输的智能系统，完全实现了电气化。该系统可实时监测储层位置的油管和环空的压力、温度和流量。系统的无级流量控制器允许对单层流量无级调节，可利用电缆灵活调整每个储

21、层的单层流量。该系统利用1根6.35mm的电缆作为控制线和传输线，能够同时监测和控制井下12个储层的智能开采。5.5 Weatherford的光纤技术光纤监测装置14能够提供整个井下剖面的实时数据，而不仅仅是单点数据。随着温度在井中的变化，它会影响激光脉冲光源沿光纤束反向散射的方式，并因此而指示出井的温度和深度，这种提供连续剖面数据的能力在监测井下生产状况方面是独特的。Weatherford公司的井下光纤传感器能够连续监测井眼温度的最小距离达到了0.5m，基本实现了全井的温度监测。光纤技术与传统的电子传感器相比，具有更好的耐温、耐腐蚀特点，不受电磁信号的影响，具有更高的可靠性。Weatherf

22、ord公司利用光线传技术代替了常规的电子传感器，与纯液压、电动液压控制系统相结合，能够完成全井立体实时监测，方便快捷地调整井下多个储层开采。5.6 TAM公司的穿线式自膨胀封隔器技术TAM公司的穿线式自膨胀封隔器技术14采用特种吸油吸水膨胀橡胶，在裸眼完井中具有自我修复能力强、膨胀系数高和密封压力大的特点。穿孔式自膨胀封隔器是预先在封隔器橡胶层割槽，在封隔器入井时将液压控制管线或电缆完整地穿过橡胶层，无需切割和拼接，待自膨胀封隔器到达设计位置吸油（水）坐封后，它会自行密封线缆和橡胶层之间的间隙。图6 穿线式自膨胀封隔器在其他智能完井系统中，系统很大一部分失效原因是由于线缆拼接后的密封不严。TA

23、M公司的穿线式自膨胀封隔器技术在使用时无需切断和链接线缆，具有较高的可靠性。6 智能完井的难点和发展趋势6.1 智能完井面临的技术难点智能完井系统的研发需要从井底传感器及测量技术、井底机械控制技术、双向信息传输及接口技术3个方向来进行攻关，其中的每一部分都是系统的具有国际前沿性的研究方向，其最大的难点在于恶劣的工作环境。恶劣的环境会造成油嘴部分、封口表面、控制线部分的腐蚀和设备运转时的相互干扰，同时在井底的高温高压环境条件下，设备的许多元器件长时间使用后也将会出现不同程度的损坏，这些因素都会造成智能完井系统不能正常工作，进而失去它的功能，就长远来看，这些因素对智能完井系统的开发应用都具有很重要

24、的影响。具体有4个方面19。1) 关键技术尚需突破。我国现有的高温高压传感器、电子元器件、信号通讯系统在高温、高压、腐蚀性井下环境中的长期稳定性和可靠性有限，并不能达到永久驻留智能井井底的可靠性要求，但也有较成熟的单项技术，要在充分调研的基础上实现技术集成，集中智力，突破关键技术。2) 仪器封装的可靠性需要保障。井下仪器应封装良好以防止砂砾、石蜡进入造成堵塞或仪表的功能失效，常用的密封元件在高温下易老化失效，封装元件在温度变化时可能会变形，导致泄漏。3) 智能仪器能适应井底恶劣环境。由于井底高温、高压以及含砂、含腐蚀性成分等，要求井下智能仪器必须具有耐高温高压、耐腐蚀的能力，可动器件还需具有抗

25、磨蚀能力。4) 微机械系统的有效采用。由于井底空间的限制，在井眼小空间内安置电子仪器、传感器及各种执行元件，并且安全固定电缆、封装接口，必须采用微机械系统。6.2 智能完井的发展趋势未来的智能完井系统将集成更多的数据采集系统，精度更高，更加稳定，图7是Weatherford公司设想的未来智能完井系统的传感器分布连接示意图:井内测量参数的范围将扩大到识别出砂层、表皮因子、流体组分、腐蚀、侵蚀和多相流并且可以监测微地震波以及进行井间电磁和声波成像，获取更详细的地层层析X射线图像，从而更加准确地追踪流体流动，了解油藏构造，从而达到优化产能的目的。现在人们正在把智能井技术与多分支系统、可膨胀系统和防砂

26、作业结合起来。目前，智能完井技术已应用到地下储气库井。尽管应用在天然气储存井的智能井技术类似于应用于生产井中的技术，但通常使用的信息途径是不一样的。随着地下储气库技术的发展，这些新途径被证明是创新应用的理想平台，未来储气库会更像油气田22。图7 未来的智能完井系统7 对我国智能完井技术的思考国内很多油气田都已进入了中后期，层间矛盾加剧;新的油气藏也变得更加复杂，环境更恶劣，距基地更远;而智能完井在分采分注、提高采收率和远程控制方面独具优势，因此开展智能完井技术非常必要。国内对于智能完井的研究只局限于分层注水、分层开采的部分工艺和工具开发，并没有对智能完井进行系统的研究，国外这方面的研究相对比较

27、成熟，但是价格昂贵。国外各公司的智能完井系统虽各不相同，但智能完井系统的主要组成部分是一样的，都包括流量控制设备、封隔器、井下永久式传感器、控制线和传输线、地面数据采集和控制设备。智能完井技术作为一项先进的油藏、油井生产管理技术，具有实时监测，分析决策，遥控控制等优势，可以解决油气生产中的很多问题，达到降低开发成本，减少修井作业，优化生产，最终提高油气采收率。因此在我国发展智能完井技术非常有必要。由于我国对于智能完井技术的研究起步较晚，应从基础硬件开始，研发可在井下高温、高压、腐蚀环境下正常工作的温度、压力、流量、组分等传感器，穿越封隔器、层段控制阀。同时提升通信系统的可靠性，重点研究光纤通信

28、。国外一套完整的智能完井价格在200500万美元，如此大的投资成本适用于高产井，而我国由于储层地质原因，高产井很少，全部靠进口系统则很不经济甚至收不回成本。因此很有必要开发出国产化的智能完井系统，同时应是多种类型的，即有适用于陆地普通井的低成本简单智能完井系统，也有适用于海上和深水的高产油气井的价格相对较贵但精细先进的智能完井系统。由于智能完井技术涉及多学科的知识，因此应集中石油工程，信息工程，机械与控制工程，数学等专业和学科的人员共同开发智能完井系统。参考文献1 Al-Mohanna K S, Jacob S, Ma L, et al. New generation intelligent

29、completion system integrates downhole control with monitoring in multi-lateral wellsC/SPE Middle East Oil and Gas Show and Conference. Society of Petroleum Engineers, 2013.2 Wee K H S, Wood K, Finley D. Intelligent Completion Technology Enables Selective Injection and Production in Mature Field Offs

30、hore South China SeaC/IPTC 2013: International Petroleum Technology Conference. 2013.3 Rodriguez J C, Figueroa A R. Intelligent Completions and Horizontal Wells Increase Production and Reduce Free Gas and Water in Mature FieldsC/SPE Latin American and Caribbean Petroleum Engineering Conference. Soci

31、ety of Petroleum Engineers, 2010.4 Adeyemo A M, Aigbe C, Chukwumaeze I, et al. Intelligent Well Completions in Agbami: A Review of the Value Added and Execution PerformanceJ. paper OTC, 2009, 20191.5 HOU P, DUAN Y, YAN X, et al. INTELLIGENT WELL COMPLETIONJ. Natural Gas Exploration and Development,

32、2008, 1: 011.6 Elmsallati S M, Davies D R, Erlandsen S M. A Case Study of Value Generation with Intelligent Well Technology in a High Productivity Thin Oil Rim ReservoirC/SPE Middle East Oil and Gas Show and Conference. Society of Petroleum Engineers, 2005.7 侯旭峰. 智能完井技术在深水完井作业中应用研究J. 化工管理, 2014, 23: 097.8 陈曙光. 智能完井技术研究进展J. 石油化工