俄羅斯油氣智能井鉆采技術(shù)系統(tǒng)分析

湯鳳林，趙榮欣，周 欣，段隆臣，Чихоткин В.Ф.

（1.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.湖北省地震局，湖北 武漢 430064）

0 引言

近年來，石油天然氣開采量迅速增加，鉆井公司希望降低開采成本，導(dǎo)致必須考慮使用智能井鉆采創(chuàng)新技術(shù)。在全世界，采用智能井技術(shù)（intelligent well technology）已經(jīng)成了開采海上和大陸架高利潤油氣田的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，而且有進(jìn)入開采中等利潤和低利潤油氣田的趨勢［1-3］。

智能井鉆采技術(shù)通常包括2 個組成部分，即智能井（我們定名為intellectual well，國外有人稱之為smart well 或умная скважина）本身和智能分析（intelligent analysis）部分——研究從井內(nèi)儀器和傳感器得到的資料，以便使油氣田開采最優(yōu)化。智能井技術(shù)一般包括有：布置壓力、溫度和振動傳感器的光纖系統(tǒng)；位于地上和井內(nèi)的執(zhí)行、測量和記錄裝置；創(chuàng)新的封隔-錨定裝置，其中包括同時-分別的采油技術(shù)；現(xiàn)代的可以控制油氣開采過程、進(jìn)行修井和提高各層產(chǎn)量工藝過程的智能工作站。智能井應(yīng)有一整套地上和井內(nèi)設(shè)備，包括有裝在嵌入式遙測系統(tǒng)（裝在嵌入式電動機(jī)中）轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換的控制站，可以實(shí)時得到有關(guān)水泵設(shè)備的工作參數(shù)，等［4-5］。

俄羅斯非常重視這種創(chuàng)新技術(shù)，特別是智能井完井技術(shù)的研究。這種技術(shù)不僅應(yīng)用到單口井的鉆井中，而且已應(yīng)用到整個油氣田，使其成為智能油氣田。俄羅斯正在大力應(yīng)用和推廣這種新技術(shù)，并取得了很大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益［4-21］。

1 智能井設(shè)備概述［10-11］

智能井井內(nèi)設(shè)備包括有：出油套管、采油管、控制油氣進(jìn)入采油管的裝置、封隔器（Packer）和溫度、壓力傳感器，見圖1。

圖1 智能井井內(nèi)設(shè)備示意Fig.1 Downhole equipment in the intellectual well

智能井鉆井工藝的基礎(chǔ)是利用由地表控制的帶有集成傳感器的油井閥門，來調(diào)節(jié)由各個油區(qū)或兩側(cè)井筒來的油量和利用井內(nèi)溫度、壓力傳感器來進(jìn)行鉆井的，見圖2。井底鉆具如圖3 所示。

圖2 智能井控制原理示意Fig.2 Control principle of the intellectual well

圖3 井內(nèi)鉆具組成示意Fig.3 Downhole drilling tools

2 智能井的分級［5］

目前，智能井分為5 級，其特點(diǎn)分別是：

第一級智能井裝有控制油氣進(jìn)入的裝置，但是沒有從地面來的控制電纜。控制油氣進(jìn)入的裝置，在壓力或溫度達(dá)到一定數(shù)值時開始工作。

第二級智能井是既有控制油氣進(jìn)入的裝置，也有從地面來的控制電纜。用來控制氣驅(qū)井，或控制由不同開采區(qū)/注入?yún)^(qū)來的油氣流。

第三級智能井裝備有大量的油氣進(jìn)入數(shù)量控制裝置、控制系統(tǒng)和操作系統(tǒng)。

第四級智能井裝備有復(fù)雜的油氣進(jìn)入數(shù)量裝置、井內(nèi)系統(tǒng)和大量的開采區(qū)/注入?yún)^(qū)管理裝置。

第五級智能井裝備有專門的井中檢測系統(tǒng)、分析流體成分的多相流量計或傳感器。

此外，也可能有蛇形智能井和龍形智能井。蛇形井是指水平完井的油井像一條蛇，沿著油層或多個油層開采高產(chǎn)油區(qū)打的智能井。龍形井是蛇形智能井的一種形式，是垂直油層走向、圍繞自身軸線回轉(zhuǎn)90°打的智能井，見圖4。

圖4 蛇形智能井和龍形智能井Fig.4 Snake and dragon form intellectual wells

3 智能井應(yīng)用實(shí)例

3.1 大面積覆蓋儲層的智能井

墨西哥海灣哈拉德赫（Харадх）油田使用的A12 完井智能井見圖5，包括有直徑7 in（1 in=25.4 mm，下同）的水平尾管、未下套管的水平井段和直徑4?2 in 的尾管。從直徑7 in 的尾管中，還打了2 個分叉井，均是裸眼完井。其優(yōu)點(diǎn)是在多井筒鉆井的覆蓋儲層的面積最大，而且油量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和井內(nèi)測量系統(tǒng)保證了哈拉德赫（Харадх）油田的竄水量大為減少［6］。

圖5 最大覆蓋儲層的智能井A12Fig.5 Iintellectual well A12 with the maximum reserve covering area

圖6 是儲層同時開采和先后開采對比圖。圖6中的紅色曲線代表同時開采；藍(lán)色曲線代表先、后開采的情況?？梢姡瑫r開采的石油開采量比先、后開采的開采量高出28%左右。

圖6 同時開采和先后開采的產(chǎn)能對比Fig.6 Yield comparison between simultaneous production and successive production

3.2 自動化智能井

俄羅斯薩雷姆（Салым）油田為了有效開采石油礦藏，采用了自動化智能井。采用這種智能井可以同時開采2 個采油油層。使用這種智能井所采用的井內(nèi)自動化設(shè)備，可以保證實(shí)時收集開采參數(shù)或注水參數(shù)，并將其傳到地表。智能井技術(shù)可以實(shí)時分別計算各層的開采量，并調(diào)節(jié)注入井注入各層的注水量。注水是通過注水井將水注入油層，保持油層壓力，提高采油速度和采收率的一種措施。自動化開采智能井和自動化注水智能井如圖7 所示［6］。

圖7 自動化采油智能井和自動化注水智能井示意Fig.7 Automated intellectual well for oil production and automated intellectual well for water flood

過去井內(nèi)設(shè)備是不能完成自動化工作的，必須完成附加工作才能確定哪層出油和向哪層注水。此外，還要進(jìn)行昂貴的修井工作。從經(jīng)濟(jì)和生態(tài)方面考慮，使用智能井可以減少叢式井的數(shù)量和油田內(nèi)部基本設(shè)施建設(shè)的數(shù)量，以及還可以滿足保礦部門的法律要求等。

3.3 Vall Hall 油田智能井鉆采控制系統(tǒng)

這種石油天然氣鉆采控制系統(tǒng)包括鉆采系統(tǒng)（見圖8a）和控制系統(tǒng)（見圖8b）［4-8］。

圖8 油田智能井鉆采和控制系統(tǒng)示意Fig.8 Drilling and production system,and control system of intellectual wells in oilfield

3.4 智能井的使用與推廣

目前，俄羅斯韃靼石油股份公司正在使用并大力推廣智能井，即使用地下智能井艾列克頓（Электон）和地上智能井Lufkin automation。智能井的使用和推廣，是阿茲納卡耶夫（Азнакаев）石油開采企業(yè)利用Lufkin automation 控制器進(jìn)行的［6］。

利用上述這個控制器在給定井底壓力條件下，保證了取得最大的采油量，減少了地面設(shè)備和地下設(shè)備的故障次數(shù)，提高了查明和消除故障的能力，提供了工作和停滯時間的可靠信息，因而提供了一晝夜產(chǎn)量的可靠信息，提高了開采系數(shù)，減少了推廣和服務(wù)的費(fèi)用，建立了完整的數(shù)據(jù)庫，提高了分析工作的有效性和質(zhì)量，把項(xiàng)目的管理和執(zhí)行資源整合起來。

在多次修井的鉆井中，使用智能井的結(jié)果如下：

（1）智能井的開采系數(shù)從0.865 提高到0.91；

（2）通過井底壓力最優(yōu)化，增加了石油產(chǎn)量；

（3）電能消耗降低了4%；

（4）與非智能井比較，智能井的鉆井單位消耗降低5%，石油產(chǎn)量增加1%。

阿茲納卡耶夫（Азнакаев）石油開采企業(yè)在常常修井的油井中，安排了100 套設(shè)備，投入了28 億盧布，即每口井投入了280 萬盧布。石油產(chǎn)量增加量為60 t/晝夜，用0.42 y 的時間即可收回?？偟钠胶饫麧櫈?700 余萬盧布，其中由于推廣智能井取得的純利潤為5300 余萬盧布，這是巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

使用這種控制器的經(jīng)濟(jì)效益見表1。

表1 使用控制器的經(jīng)濟(jì)效益Table 1 Economic results from use of controllers

4 智能井的經(jīng)濟(jì)效益

研究和實(shí)踐證明，使用智能井可以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，用于消除井內(nèi)干擾費(fèi)用降低5%，用于井下的費(fèi)用降低13%，用于地面設(shè)備的費(fèi)用降低22%，產(chǎn)量增加7%，石油開采總量增加53%，見圖9［6-9］。

圖9 智能井應(yīng)用效果Fig.9 Intellectual well application results

現(xiàn)在，一般使用智能井的經(jīng)濟(jì)效益為（300～500）×106盧布左右，其中附加值為25%～30%左右。由此可見，石油公司都希望使用智能井完井技術(shù)，原因有：（1）減少了開采石油需要的井眼數(shù)量；（2）減少了地面設(shè)備的費(fèi)用；（3）減少了消除井內(nèi)干擾需要的費(fèi)用；（4）由于可以到達(dá)大量產(chǎn)油層而加速了石油的開采速度；（5）由于可以更好地控制油藏而增加了石油的產(chǎn)量（見圖10）［6-8］。

圖10 智能井完井和非智能井完井效果對比Fig.10 Results comparison between intellectual wells and non-intellectual wells

韃靼石油股份公司計劃把該公司所有油田都推廣使用智能井，然后，在該地區(qū)全面推廣［6-9］。

由此可見，智能井技術(shù)不僅是一套采油自動控制系統(tǒng)的傳感器的組合或石油產(chǎn)品的運(yùn)輸工具，而且是一種技術(shù)方法，利用這種方法可以評價系統(tǒng)的質(zhì)量狀態(tài)，實(shí)時給出存在問題的答案，保證商業(yè)的最大利益和生產(chǎn)安全。

5 結(jié)論和建議

根據(jù)上述資料，經(jīng)分析可得出如下結(jié)論，并提出一些建議：

（1）世界上石油天然氣資源競爭激烈，開采量急劇增加，鉆采投入費(fèi)用大幅上漲，急需創(chuàng)新技術(shù)。俄羅斯使用智能井這種創(chuàng)新技術(shù)，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。智能井技術(shù)一般包括有：布置、安排壓力、溫度和振動傳感器的光纖系統(tǒng)；位于地上和井內(nèi)的執(zhí)行、測量和記錄裝置；創(chuàng)新的帕克-錨定裝置，其中包括同時-分別的采油技術(shù)；現(xiàn)代的可以控制油氣開采過程、進(jìn)行修井和提高各層產(chǎn)量工藝過程的智能工作站。

（2）這種創(chuàng)新技術(shù)不僅是一系列采油自動控制系統(tǒng)的儀器和傳感器的組合，或石油產(chǎn)品的運(yùn)輸工具，而且是一種技術(shù)方法，利用這種方法可以保證商業(yè)的最大利益和生產(chǎn)安全，可以減少開采石油需要的井眼數(shù)量，降低地面設(shè)備的費(fèi)用，減少消除井內(nèi)干擾需要的費(fèi)用，提高石油的開采速度，增加石油的產(chǎn)量。

（3）注水是通過注水井將水注入油層，保持油層壓力，以提高采油速度和采收率的一項(xiàng)重要措施。俄羅斯薩雷姆（Салым）油田為了有效開采石油礦藏，采用了自動化智能井，包括自動化開采井和自動化注水井。采用這種智能井可以同時開采2 個采油油層。使用這種智能井所采用的井內(nèi)自動化設(shè)備，可以保證實(shí)時收集開采參數(shù)或注水參數(shù)，并將其傳到地表?？梢詫?shí)時分別計算各層的開采量，并調(diào)節(jié)注入井內(nèi)各層的注水量。

（4）實(shí)踐證明，利用智能井完井可以最大限度地覆蓋儲層，同時開采油層，使其與先、后開采油層比較，產(chǎn)量提高了28%。

（5）俄羅斯在石油天然氣鉆采方面利用智能井技術(shù)做了大量工作，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，對于我國油氣鉆井和開采，乃至地質(zhì)鉆探的創(chuàng)新發(fā)展或有一定的啟發(fā)和參考價值。

我國油氣鉆井和開采方面，在智能井研究方面已有一定進(jìn)展。但是，在地質(zhì)鉆探方面研究不夠，建議對此進(jìn)行研究并盡快使用這種智能井鉆井技術(shù)和工藝。