智能試油技術(shù)在川渝氣田的探索與實踐

黃 船, 曾小軍, 何錦華

(中國石油川慶鉆探工程有限公司試修公司)

自1997年8月世界首次應(yīng)用智能完井技術(shù)以來，經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，該技術(shù)作為一項先進的完井技術(shù)逐漸受到油田的重視，在世界范圍內(nèi)取得廣泛應(yīng)用[1]。Baker Oil Tools和Schlumberger聯(lián)合開發(fā)的InCharge智能完井系統(tǒng),被稱為石油工業(yè)的第一套高級智能完井系統(tǒng)。Halliburton公司的Smart Well智能完井技術(shù)在蓬萊油田首次應(yīng)用，通過網(wǎng)絡(luò)遠程實時監(jiān)控每層的注水量和開關(guān)每層的智能滑套ICV，實現(xiàn)分層注水[2]；WellDynamics動態(tài)公司推出的智能井系統(tǒng)在超過200口井上安裝運行。挪威Norsk Hydro ASA公司于2002年8月第一次在單井中安裝了工業(yè)用多光纖壓力溫度計。

國內(nèi)油氣田勘探開發(fā)逐漸進入深部油氣藏，開發(fā)環(huán)境日益復(fù)雜，各油田紛紛嘗試對井筒多層段、多分支油氣井實現(xiàn)地面遙測遙控，減少油田開發(fā)中的不確定性因素，提高完井水平質(zhì)量和油氣田開發(fā)的經(jīng)濟效益，使油氣井管理更科學(xué)，達到經(jīng)濟開發(fā)的目的[3-4]。川渝、塔里木為解決高溫、高壓、高腐蝕超深井溫壓監(jiān)測難題，改變傳統(tǒng)繩纜測井的方法，先后引進國外技術(shù)在各自區(qū)域開展了光纖式永久溫壓監(jiān)測系統(tǒng)的先導(dǎo)試驗[5]；西部鉆探針對傳統(tǒng)試油測試工藝在低孔低滲儲層開發(fā)測試中存在傷害地層和不能準確評價油層的缺點，研制了智能井下可控開關(guān)工具，采用RFID射頻通信技術(shù)控制井下開關(guān)工具，實現(xiàn)一趟管柱分層測試目的；川慶鉆探為解決深井、超深井測試期間地層數(shù)據(jù)錄取周期長的問題，研發(fā)了井下數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)，傳輸深度已達到5 000 m，當(dāng)前正向6 000 m攻關(guān)；西部鉆探和川慶鉆探均開發(fā)了高壓遠程自動控制系統(tǒng)，并投入到工業(yè)應(yīng)用中(見表1)。

表1 川渝、塔里木、新疆地區(qū)近年智能試油與完井技術(shù)應(yīng)用實例情況表

“智能裝備制造”、“無人值守”是未來制造業(yè)的發(fā)展方向，石油、石化行業(yè)也必將經(jīng)由此發(fā)展道路[6]。本文介紹了地面遠程自動化控制、井下數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)刃录夹g(shù)近年來在川渝氣田的實踐與應(yīng)用，借此探討智能試油技術(shù)在我國油氣田勘探開發(fā)未來發(fā)展道路。

一、地面高壓遠程自動化控制技術(shù)

川渝三高氣井地面測試流程主要用于控制試油期間井下流體返排至地面的流量和壓力。流程一般分為高壓區(qū)、中壓區(qū)、低壓區(qū)，各區(qū)域設(shè)備中包含大量的平板閘閥、節(jié)流閥、球閥等控制元件。高壓區(qū)主要包括捕屑器、除砂器、轉(zhuǎn)向管匯、油嘴管匯等，中壓區(qū)主要包括熱交換器等，低壓區(qū)主要包括分離器、燃燒器等。

隨著國內(nèi)常規(guī)氣勘探向超深部氣藏邁進，一些氣區(qū)測試期間呈現(xiàn)出產(chǎn)量大，井口流動壓力高、井口關(guān)井壓力高的特點，如川西北龍004-X1產(chǎn)量111.65×104m3/d，硫化氫含量12.99 g/m3，井口關(guān)井壓力高達107.85 MPa；塔里木油田克深132井測試期間井口最高流動壓力達到107.124 MPa,對地面測試裝備安全保障提出了更高要求。

(1)設(shè)備操作盡量高度自動化，降低操作人員在高壓區(qū)域暴露時間和勞動強度。

(2)通過自動化和遠程控制提高地面測試作業(yè)效率和閥門操作精度，減少誤操作風(fēng)險，科學(xué)排液測試。

(3)解決流程中監(jiān)測和控制系統(tǒng)各自獨立、操作界面不統(tǒng)一的問題，通過集成實現(xiàn)單系統(tǒng)集中化控制，提高工作效率和準確性。

川慶鉆探在已形成的地面測試高壓遠程自動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將單套流程閥門自動化覆蓋率從最初的10%提高到90%，從油嘴、節(jié)流管匯、轉(zhuǎn)向管匯高壓區(qū)延伸至后端中低壓區(qū)，單井試油測試減少了人工操作閥門數(shù)百次，大幅提高了閥門控制精度，閥門開閉時間分別為70 MPa：33 s、105 MPa：38 s、140 MPa：47 s，控制距離100 m，PLC控制柜及計算機遠程控制正常，反應(yīng)靈敏，恒壓模式下自動調(diào)節(jié)靈活，批量化控制準確，超壓緊急關(guān)斷響應(yīng)及時。該成果在川渝、塔里木地區(qū)推廣應(yīng)用15井次以上，有效降低操作人員在高壓含硫區(qū)域工作面臨的安全風(fēng)險和勞動強度，提升了地面測試作業(yè)的效率與準確性，實現(xiàn)了高溫高壓含硫氣井安全高效測試，使我國的超高壓、高溫、含硫氣井試油測試技術(shù)取得長足進步，并向集中化、智能化技術(shù)邁出了一大步，達到了國際先進水平。

二、井下數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)

在試油測試作業(yè)中，傳統(tǒng)方式采用存儲式電子壓力計獲取井底壓力、溫度數(shù)據(jù)，需要將壓力計隨測試管柱下至井底預(yù)定位置，測試結(jié)束后起出壓力計，最終獲取井下數(shù)據(jù)。這種方法不能實時監(jiān)測井底壓力、溫度變化情況，施工過程中井底真實情況不能隨時反饋到地面，無法對施工效果及時評價，影響下步工序的決策與部署。

川慶鉆探研發(fā)的基于超低頻電磁波井下全井無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)真正實現(xiàn)了全井無線傳輸，從根本上改變了地面和井下依靠有線傳輸?shù)募夹g(shù)現(xiàn)狀。井下無線發(fā)射器單級傳輸距離遠大于目前的聲波傳輸或短距離電磁波，對于深井、超深井也僅需1～2個中繼器即可實現(xiàn)全井無線傳輸，工程意義遠大于目前的聲波傳輸或短距離電磁波，見表2。

表2 井下無線傳輸技術(shù)發(fā)展進程

傳輸系統(tǒng)由井下無線發(fā)射器、井下無線中繼器、地面接收和發(fā)射系統(tǒng)組成，無線發(fā)射器和中繼器具有與測試工具匹配的全通徑特點，能滿足酸化改造中通道的要求。采用無線式半雙工通信，可以將井下傳感器的相關(guān)信息傳輸?shù)降孛妫瑫r具備將地面的控制指令傳輸?shù)骄孪到y(tǒng)的預(yù)設(shè)功能，該技術(shù)通過無線發(fā)射器將電子壓力計的電信號轉(zhuǎn)換成電磁波信號，利用大地-套管-油管介質(zhì)直接發(fā)送到地面，地面安裝的接收天線將接收到的電磁波信號轉(zhuǎn)換成電信號，傳輸?shù)降孛娼邮蘸桶l(fā)射系統(tǒng)。地面接收和發(fā)射系統(tǒng)通過天線向無線發(fā)射器發(fā)出指令，無線發(fā)射器將收到的信號轉(zhuǎn)換成電信號傳遞給電子壓力計，對電子壓力計的工作程序進行更改，實現(xiàn)雙向通訊。

該技術(shù)通過現(xiàn)場驗證單個中繼器傳輸距離可達到2 000 m，雙中繼器可基本實現(xiàn)6 000 m內(nèi)的傳輸，工作溫度150℃，工作壓力105 MPa，已現(xiàn)場實現(xiàn)的穩(wěn)定傳輸距離5 700 m，傳輸速率由初期1組/4 min提升至1組/1 min。可利用獲取的諸如井下射孔、開關(guān)井、酸化停泵井底壓降、測試井底流動壓力等的數(shù)據(jù)及時對測試、酸化效果和管柱工作狀況做出科學(xué)判斷，精確部署后期工序，提高測試作業(yè)時效，確保取全、取準地層測試資料，為未來實現(xiàn)井下智能工具實現(xiàn)“遙控”搭建了高效快捷的指令傳輸通道。

三、圖像智能識別安全控制技術(shù)

中石油川慶鉆探公司與電子科技大學(xué)聯(lián)合探索人工智能、大數(shù)據(jù)等新興信息技術(shù)在試油測試中的應(yīng)用場景，解決生產(chǎn)作業(yè)中安全監(jiān)測難題，采用人工智能、深度學(xué)習(xí)技術(shù)，實時對攝像頭拍攝的視頻圖像序列進行定位、識別和跟蹤，并在此基礎(chǔ)上分析和判斷目標(biāo)的行為，形成了圖像智能識別安全控制技術(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)場安全風(fēng)險主動預(yù)警，功能包括：

(1)重點區(qū)域人員檢測。實現(xiàn)對井場作業(yè)范圍業(yè)劃定的重點區(qū)域內(nèi)有人員出現(xiàn)時實時檢測、實時告警。

(2)閥門管線漏液、閥門管線漏氣等刺漏檢測。實現(xiàn)對井場作業(yè)范圍業(yè)劃定的閥門管線漏液、漏氣等刺漏現(xiàn)象檢測，重點實現(xiàn)小流量檢測，實時檢測、實時告警。

(3)燃燒池火焰及火焰高度檢測。對燃燒池放噴火焰進行實時檢測，一方面檢測燃燒池狀態(tài)，判斷是否存在火焰，另一方面測試火焰高度。系統(tǒng)應(yīng)具備實時檢測火焰，實時測量火焰高度，并提供無火告警、火焰高度報警、多處火源告警等功能。

(4)所有測量數(shù)據(jù)上傳，系統(tǒng)應(yīng)提供將所在井場數(shù)據(jù)獲取的視頻、數(shù)據(jù)上傳至基地的功能，并可提供實時展示功能。

通過以上系統(tǒng)的實施部署，并預(yù)留接口與其他系統(tǒng)，如自動控制系統(tǒng)相對接，實現(xiàn)實時控制等功能；實現(xiàn)人工智能、機器學(xué)習(xí)等新型信息技術(shù)在石油鉆井作業(yè)中的應(yīng)用探索，逐步改造傳統(tǒng)試油測試裝備，提高石油裝備的自動化、智能化程度，最終可實現(xiàn)“無人”職守。SN008-H22井應(yīng)用實例:

1.火焰檢測

通過構(gòu)建的火焰檢測模型，系統(tǒng)可以準確地檢測到點火室是否有火和無火的狀態(tài)。

2.火焰高度測量

系統(tǒng)在檢測到火焰的情況下，可進一步準確測量火焰高度，并實時統(tǒng)計出當(dāng)前火焰高度的最小值、最大值、平均值；系統(tǒng)在實時測量火焰高度的同時，還具有適應(yīng)不同環(huán)境的能力(如樹遮擋，有大煙環(huán)境),以及多處著火告警，當(dāng)系統(tǒng)檢測到多處著火，系統(tǒng)將告警。

3.管線閥門刺漏檢測

為測試管線閥門刺漏檢測的有效性，尤其是在小刺漏環(huán)境下的檢測能力，通過現(xiàn)場搭建環(huán)境，可有效檢測出刺漏現(xiàn)象，并實時告警。

4.區(qū)域人員檢測

針對井場指定區(qū)域出現(xiàn)人，系統(tǒng)可提供實時告警功能。

該項技術(shù)在川渝常規(guī)和非常規(guī)油氣井地面測試中推廣應(yīng)用20余井次，大大減少了安全管理中的人工投入，同時提高了預(yù)警的精確性和主動性，整個預(yù)警系統(tǒng)預(yù)留了自動控制接口，有望未來與遠程自動控制系統(tǒng)融合，最終實現(xiàn)地面試油測試智能化操作。

四、結(jié)論與建議

(1)無論是地面還是井下試油與完井，其智能化發(fā)展的終極目標(biāo)都是實現(xiàn)“遙測遙控”，地面相對于井下面臨的工況較簡單，當(dāng)前已基本實現(xiàn)“遙控遙測”，但是地面測控的點多面廣，監(jiān)測范圍包括壓力、溫度、設(shè)備、人員、環(huán)境，目前還未完全實現(xiàn)主動預(yù)警、預(yù)測分析、集中控制，因此未來建議在自動化控制高覆蓋率的基礎(chǔ)上，將各個不同目標(biāo)和功能的控制系統(tǒng)集成，并建立實時數(shù)據(jù)輔助分析系統(tǒng)，為試油期間實現(xiàn)智能化操作提供更為充分的條件。

(2)井下工具的“遙控”和“遙測”受井深、溫度、壓力的影響很大，依靠有線傳輸終究存在制約。目前構(gòu)建的無線傳輸信息通道已初步成型，井下數(shù)據(jù)無線傳輸距離接近6 000 m。建議以此為基礎(chǔ)開展井下智能型工具的“遙控”技術(shù)研究，突破當(dāng)前復(fù)雜深井試油主要依靠壓控式井下工具的局面。

(3)高尖端的電子電器元件是井下(尤其是超深超高溫井)儀器的核心部件，存在“卡脖子”的現(xiàn)象，目前市場上投入應(yīng)用的電子壓力計絕大部分依賴進口，國產(chǎn)電子壓力計耐溫等級最高150℃，且精度、存儲量、穩(wěn)定性遠落后于進口產(chǎn)品，井下儀器在高溫、超高溫條件下的穩(wěn)定性已成為技術(shù)“瓶頸”，有待投入科研力量對此進行專項研究。

(4)國內(nèi)智能試油技術(shù)雖已取得了較大進步，但各項成果較為分散，缺少頂層設(shè)計和統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準，需要盡快建立標(biāo)準和規(guī)范。此外，已擁有的技術(shù)成果推廣應(yīng)用范圍有待擴大，如井下數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)發(fā)展不僅要攻克“深度”，還應(yīng)擴大應(yīng)用范圍。川慶鉆探目前正在探索通過該技術(shù)在4 000 m以淺的頁巖氣生產(chǎn)井實現(xiàn)長期動態(tài)監(jiān)測，依托勘探開發(fā)工程來不斷拓展技術(shù)應(yīng)用范圍，實現(xiàn)跨躍式發(fā)展。