智能完井關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用

谷 磊

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

0 引 言

智能完井技術(shù)是能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測井下儲層狀態(tài)、實(shí)時(shí)控制開采、優(yōu)化井下生產(chǎn)的系統(tǒng)技術(shù)，通常由信息傳感采集、生產(chǎn)控制、數(shù)據(jù)傳輸和地面反饋控制等系統(tǒng)組成。智能完井在復(fù)雜結(jié)構(gòu)井、油氣藏復(fù)雜井和海上油氣井優(yōu)化生產(chǎn)、控制開采和提高采收率等方面具有顯著優(yōu)勢。能夠解決大斜度井分層開采技術(shù)難題，預(yù)防生產(chǎn)層和混采層之間出現(xiàn)竄流，控制氣、水推進(jìn)等問題。智能完井具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)復(fù)雜、投入成本高，主要用于大斜度井、水平井、多分支井、海上深水井、高產(chǎn)井等，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示[1-4]。

流量控制、數(shù)據(jù)采集傳輸是智能完井的關(guān)鍵技術(shù)。流量控制作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)層隔離和儲層進(jìn)液量控制，如地層隔離閥、液控滑套控制閥。

圖1 智能完井原理

地層隔離閥在上部井段作業(yè)及起下管柱期間隔離地層并建立保護(hù)屏障，使儲層免受井內(nèi)液體污染；液控滑套能夠控制其內(nèi)部機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)滑套的開度，實(shí)現(xiàn)對油層產(chǎn)量的調(diào)控。數(shù)據(jù)采集傳輸實(shí)現(xiàn)了井下溫度、壓力、流量等信息的采集，為流量控制提供了數(shù)據(jù)信息。流量控制、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)依靠線纜供電實(shí)現(xiàn)信號傳輸。隨著智能完井技術(shù)研究的不斷深入，隔離閥、液控滑套等流量控制元件以及光纖傳輸?shù)燃夹g(shù)取得了技術(shù)突破，無線電控和低成本、高精度數(shù)據(jù)傳輸已成為發(fā)展趨勢，部分技術(shù)已投入商業(yè)應(yīng)用，顯著降低了成本并推動(dòng)了智能完井技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[5-7]。

1 隔離閥技術(shù)

隔離閥是海上油田完井作業(yè)過程中的常用工具，隔離閥能夠?qū)崿F(xiàn)井筒與地層的隔離，在完井、修井過程中防止井筒內(nèi)的液體向地層漏失。國外較早開展了隔離閥研究，按結(jié)構(gòu)分為板閥結(jié)構(gòu)、球閥結(jié)構(gòu)和滑套結(jié)構(gòu)，目前隔離閥的主要問題是打開、關(guān)閉受到限制，需要單獨(dú)下入工具操作，增加了作業(yè)成本和風(fēng)險(xiǎn)?；诂F(xiàn)場需求，隔離閥朝著具有多次開關(guān)和智能控制的方向發(fā)展[8-9]。

1.1 電控隔離閥

哈里伯頓公司推出的電控隔離閥(eMotion-LV)實(shí)現(xiàn)了智能控制和不限次數(shù)打開、關(guān)閉，在海上油田完成了成功應(yīng)用。eMotion-LV隔離閥由球閥單元和控制單元兩部分構(gòu)成(見圖2)。球閥單元為旋轉(zhuǎn)球閥結(jié)構(gòu)，承壓達(dá)到10 000 psi(1 psi=6.89 kPa)；控制單元由壓力、溫度傳感器、控制電路及電池等部件組成，控制單元與球閥液壓端口連接，實(shí)現(xiàn)與地面的通信并提供球閥運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。隔離閥入井前設(shè)定壓力、井溫和時(shí)間等多個(gè)參數(shù)指令，入井后根據(jù)井下環(huán)境和指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。達(dá)到設(shè)定觸發(fā)值時(shí)，控制單元會(huì)自動(dòng)發(fā)送指令并驅(qū)動(dòng)球閥打開或關(guān)閉[10]。該過程能夠重復(fù)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)多次打開關(guān)閉。隔離閥觸發(fā)條件可單獨(dú)設(shè)定，也可組合構(gòu)建復(fù)雜的觸發(fā)指令。如eMotion-LV隔離閥檢測到壓力低于2 000 psi時(shí)，設(shè)置為關(guān)閉，控制系統(tǒng)具有較高的可靠性，能夠?qū)⒆陨碇噶钆c發(fā)生波動(dòng)的靜壓力或儲層壓力等外部因素進(jìn)行區(qū)分，避免意外激活隔離閥的風(fēng)險(xiǎn)。eMotion-LV隔離閥同時(shí)具有遠(yuǎn)程控制功能，可由地面施加壓力信號，實(shí)現(xiàn)控制閥的遠(yuǎn)程打開和關(guān)閉。

圖2 eMotion-LV電控地層隔離閥

隔離閥具有以下技術(shù)優(yōu)勢： 實(shí)現(xiàn)了多次打開和關(guān)閉，避免了管串及電纜下入，降低了作業(yè)費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)；運(yùn)行時(shí)間較長，可達(dá)到10個(gè)月，可用于臨時(shí)廢棄作業(yè)或作為流量控制；根據(jù)現(xiàn)場需要提供井控方案；能夠用于全井眼尺寸并實(shí)現(xiàn)雙向密封，隔離閥關(guān)閉后可進(jìn)行管串試壓、封隔器水力坐封等作業(yè)。

2017—2019年，eMotion-LV在北海油田進(jìn)行了多次應(yīng)用。其中，作為淺層屏障采用頂部和底部兩個(gè)eMotion-LV隔離閥實(shí)現(xiàn)了防噴器拆卸和海底采油樹安裝，底部隔離閥部署在生產(chǎn)封隔器下方的完井管柱最低部位，初始為開啟狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)完井作業(yè)，根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)關(guān)閉，隔離閥關(guān)閉后能夠?qū)τ凸苓M(jìn)行壓力測試，并對封隔器進(jìn)行坐封；頂部隔離閥位于油管懸掛器下方，初始為開啟狀態(tài)，該隔離閥關(guān)閉后可作為第二個(gè)測試屏障，這樣不需要防噴器就可以安裝并測試井口裝置。與常規(guī)作業(yè)相比，eMotion-LV隔離閥減少作業(yè)時(shí)間超過30 h，并且極大地降低了操作風(fēng)險(xiǎn)。eMotion-LV參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 eMotion-LV參數(shù)指標(biāo)

1.2 RIV隔離閥

射頻識別技術(shù)(radio frequency identification， RFID)，又稱電子標(biāo)簽或無線射頻識別，利用射頻信號，通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞。信息存儲在射頻識別標(biāo)簽內(nèi)，當(dāng)標(biāo)簽經(jīng)過或接近讀寫器，標(biāo)簽內(nèi)部信息被讀取。威德?；赗FID技術(shù)實(shí)現(xiàn)了隔離閥的智能控制和多次打開、關(guān)閉，推出了RIV(無線電干擾)隔離閥。通過向井筒中投入具有打開或關(guān)閉指令的RFID標(biāo)簽并循環(huán)至隔離閥位置，由隔離閥RFID控制單元讀取信息并執(zhí)行操作。RIV隔離閥在巴西Santos盆地的深水井完井作業(yè)中得到了應(yīng)用，顯著減少了閥體打開時(shí)間，效益顯著。

RIV隔離閥包括瓣閥單元和控制單元兩部分，瓣閥為雙向屏障，關(guān)閉后管串能夠承壓并實(shí)現(xiàn)封隔器坐封。RIV隔離閥在入井過程中處于打開狀態(tài)，需要關(guān)閉時(shí)向井筒中投入寫有關(guān)閉指令的RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽經(jīng)過隔離閥時(shí)，指令信息被讀取，實(shí)現(xiàn)隔離閥關(guān)閉，隔離閥具有重新打開的功能?？刂茊卧蓛蓚€(gè)模塊組成，第一個(gè)模塊識別標(biāo)簽關(guān)閉閥瓣，第二個(gè)模塊通過壓力循環(huán)實(shí)現(xiàn)閥門再次打開。正常情況下，閥瓣以打開狀態(tài)入井，閥瓣關(guān)閉時(shí)需要投入具有關(guān)閉信息的RFID標(biāo)簽，激活第一個(gè)控制模塊，向瓣閥施加作用力實(shí)現(xiàn)關(guān)閉。瓣閥關(guān)閉后可進(jìn)行完井作業(yè)。瓣閥再次打開時(shí)，需要投入具有打開指令的RFID標(biāo)簽，激活第二個(gè)控制模塊，依靠內(nèi)部液控機(jī)構(gòu)使瓣閥向下轉(zhuǎn)動(dòng)并復(fù)位到初始位置，實(shí)現(xiàn)瓣閥打開。RIV地層隔離閥參數(shù)指標(biāo)如表2所示，RIV電控地層隔離閥如圖3所示，RFIN標(biāo)簽如圖4所示。

表2 RIV地層隔離閥參數(shù)指標(biāo)

圖3 RIV電控地層隔離閥

圖4 RFID標(biāo)簽

2 壓裂滑套技術(shù)

以Elect滑套和RFID滑套為代表的智能壓裂滑套已應(yīng)用于地層分段壓裂，實(shí)現(xiàn)了智能控制打開和壓裂級數(shù)不受限制，但目前壓裂過程中僅用到了打開功能，將該智能壓裂滑套技術(shù)改進(jìn)后可實(shí)現(xiàn)各級滑套的多次打開和關(guān)閉控制，簡化液控滑套控制閥結(jié)構(gòu)，使其應(yīng)用于智能完井流量控制。

2.1 Elect壓裂滑套

多級滑套壓裂增產(chǎn)是儲層改造的重要工具，而目前常規(guī)壓裂滑套壓裂級數(shù)受到限制，影響增產(chǎn)效果。哈里伯頓公司推出的Elect壓裂滑套針對多產(chǎn)層段壓裂完井，采用了電磁通信控制滑套打開，實(shí)現(xiàn)了無限級壓裂作業(yè)。目前，該技術(shù)已開展現(xiàn)場試驗(yàn)[11]。

Elect壓裂滑套(見圖5)能夠配合固井作業(yè)實(shí)現(xiàn)無限級壓裂，該滑套采用信號球激活，而不是常規(guī)的憋壓球與球座憋壓打開滑套，從而突破了常規(guī)滑套結(jié)構(gòu)限制，因此Elect壓裂滑套內(nèi)部不再采用球座結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)簡化、滑套通徑增大，并且滑套級數(shù)不受限制。當(dāng)壓裂作業(yè)時(shí)，滑套管柱內(nèi)投入磁體信號球，滑套控制單元檢測到信號球磁場，根據(jù)統(tǒng)計(jì)磁脈沖計(jì)算出壓裂球的數(shù)量，控制滑套動(dòng)作。磁體信號球采用降解材料，實(shí)現(xiàn)滑套打開后能夠自行降解。Elect壓裂滑套具有以下優(yōu)勢： 精確激活目標(biāo)層，提高井筒與儲層的連通性，提高增產(chǎn)作業(yè)效果；管柱實(shí)現(xiàn)全通徑，使井筒內(nèi)流體的流動(dòng)更通暢；適用

圖5 Elect壓裂滑套

水平段更長，增大油井與油藏的接觸面積，提高采收率；采用電控方式激活，將常規(guī)套管完井工具轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芡昃ぞ?。Elect壓裂滑套同時(shí)還具有作業(yè)工藝簡化、壓裂時(shí)間縮短等技術(shù)優(yōu)勢[3， 12]。

2.2 RFID壓裂滑套

威德?；赗FID技術(shù)推出了電控壓裂滑套，結(jié)構(gòu)如圖6所示?；卓刂茊卧ㄉ漕l識別裝置，實(shí)現(xiàn)了RFID標(biāo)簽的識別。該滑套目前為單開滑套，滑套入井過程中處于關(guān)閉狀態(tài)，滑套開關(guān)通過射頻裝置識別標(biāo)簽，由控制模塊驅(qū)動(dòng)，依靠流體靜壓作用在液壓滑套的一側(cè)，迫使滑套打開。該滑套不受巖屑影響，具有獨(dú)立的內(nèi)部液壓系統(tǒng)。由于該壓裂滑套內(nèi)部同樣不需要常規(guī)滑套所使用的球座結(jié)構(gòu)，因此滑套通徑增大并且滑套下入級數(shù)不受限制。

圖6 RFID壓裂滑套

3 傳輸技術(shù)

智能完井流量控制、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)依靠線纜供電實(shí)現(xiàn)元件驅(qū)動(dòng)和控制信號傳輸，實(shí)時(shí)獲取井下動(dòng)態(tài)信息，隨著光纖技術(shù)的快速發(fā)展，低成本、高精度的光纖傳感和傳輸技術(shù)已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，將進(jìn)一步推動(dòng)智能完井技術(shù)的發(fā)展。

3.1 可溶光纖

Well-Sense公司研發(fā)的FLI技術(shù)利用一次性光纖從油氣井中采集傳輸數(shù)據(jù)。該光纖能夠低成本、快速下入井筒中，完成整個(gè)井段的分布式數(shù)據(jù)測量。FLI采用的光纖外表裸露并僅可使用一次，完成數(shù)據(jù)測量后可溶解于井筒中，能夠獲取溫度、壓力以及聲波數(shù)據(jù)。該光纖在使用過程中獲得了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，能夠達(dá)到電纜或連續(xù)油管作業(yè)所達(dá)到的效果。

可溶光纖纏繞在探頭上，入井測試時(shí)探頭在井筒自由下落過程中解開光纖。光纖利用連續(xù)激光束，沿長度方向?qū)崟r(shí)測量周圍環(huán)境變化數(shù)據(jù)并傳輸至地面。FLI的特點(diǎn)是光纖不封裝在井筒中，直接裸露下入，獲取數(shù)據(jù)后在井筒中自行溶解?？扇芄饫w不需要使用連續(xù)油管或電纜，大幅降低了作業(yè)成本，與標(biāo)準(zhǔn)測井工具相比，可溶光纖質(zhì)量更輕。目前所使用的可溶光纖從直徑50 mm、長度1 m的鋁制圓筒中纏繞引出，光纖總長約為4 600 m，總質(zhì)量不超過15 kg，光纖直徑為200 μm?？扇芄饫w采用涂層防護(hù)，根據(jù)現(xiàn)場需求，作業(yè)時(shí)間從數(shù)小時(shí)到數(shù)天。Well-Sense探頭及可溶光纖入井如圖7所示。

圖7 Well-Sense探頭及可溶光纖入井

3.2 分布式光纖

Silixa研制的分布式光纖系統(tǒng)XwellXpress，采用井間低頻應(yīng)變與微地震監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)定位微地震與應(yīng)變，從而能夠?qū)崟r(shí)優(yōu)化增產(chǎn)作業(yè)與完井方案，解決了當(dāng)前高成本、易干擾、缺乏實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的問題。該技術(shù)的關(guān)鍵是分布式聲波傳感器采用工程光纖，與其他DAS系統(tǒng)相比，信噪比(S/N)提高了100倍，慢應(yīng)變與微地震的低頻范圍提高了100倍以上。分布式聲波傳感器性能與10 Hz左右的地震檢波器性能相當(dāng)，優(yōu)于1 Hz以下范圍內(nèi)的地震檢波器的響應(yīng)。高靈敏度的低頻應(yīng)變測量為儲層內(nèi)井間孔隙彈性構(gòu)造的監(jiān)測以及鄰井中壓裂干擾的監(jiān)測提供了有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

由于目前無法采用電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)壓裂監(jiān)測、井間應(yīng)變測量，特別是巖石力學(xué)或應(yīng)變的孔隙彈塑性影響的測量，而XwellXpress系統(tǒng)利用建模與可視化處理實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)井眼的實(shí)時(shí)監(jiān)測，所使用的電纜可部署到未進(jìn)行增產(chǎn)作業(yè)的井筒中，并將其作為觀察井，在水力壓裂作業(yè)期間得到井間應(yīng)變數(shù)據(jù)，從而更好地掌握實(shí)際裂縫形狀的有效性。根據(jù)井間應(yīng)變數(shù)據(jù)可以觀察到臨界應(yīng)變效應(yīng)與作業(yè)過程，包括泵啟動(dòng)時(shí)間、孔隙彈性效應(yīng)、壓裂干擾、泵停止時(shí)間以及裂縫閉合。基于數(shù)據(jù)得到裂縫的深度、方位以及速度曲線，并能夠?qū)⑵浞答伒搅芽p模型，XwellXpress采集數(shù)據(jù)(右)與永久光纖數(shù)據(jù)的對比結(jié)果如圖8所示，所采集數(shù)據(jù)可與永久光纖的數(shù)據(jù)相結(jié)合，為壓裂監(jiān)測與完井診斷提供更廣的覆蓋范圍。根據(jù)測量結(jié)果優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)，提高油藏最終采收率[13-14]。

圖8 XwellXpress采集數(shù)據(jù)(右)與永久光纖數(shù)據(jù)對比(左)

4 結(jié) 語

本文介紹了隔離閥、壓裂滑套和數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎悄芡昃嚓P(guān)技術(shù)的進(jìn)展和應(yīng)用情況。隔離閥實(shí)現(xiàn)了智能控制和多次開關(guān)功能，降低了現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)及成本。壓裂滑套實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)控制，能夠進(jìn)行無限極壓裂，并且壓裂后形成全通徑，解決了常規(guī)滑套級數(shù)受限、壓裂后滑套通徑小等影響后續(xù)產(chǎn)量的問題，將智能壓裂滑套進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，能夠應(yīng)用于井下流量控制。Well-Sense可溶光纖和XwellXpress分布式光纖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低成本、高精度井下數(shù)據(jù)采集傳輸，為井下環(huán)境參數(shù)測量和信號傳輸提供了新的工藝方法。上述智能完井相關(guān)技術(shù)的進(jìn)展將顯著降低成本并提高現(xiàn)有技術(shù)的可靠性，推動(dòng)智能完井的發(fā)展。