智能井井下仪器研究现状及应用前景＊

许 胜陈贻累杨元坤南金虎

(1.西南石油大学机电工程学院 四川成都) (2.中原石油勘探局地球物理测井公司 河南濮阳)(3.大港油田井下作业处 天津)

智能井井下仪器研究现状及应用前景＊

许 胜1陈贻累1杨元坤2南金虎3

(1.西南石油大学机电工程学院 四川成都) (2.中原石油勘探局地球物理测井公司 河南濮阳)(3.大港油田井下作业处 天津)

结合智能完井系统的工程需要,分析了智能井井下仪器的功能及技术特点。在长期的高温高压环境中保持高的稳定可靠性,是智能井井下仪器的基本特点,也是研发智能井井下仪器应该解决的首要问题。在借鉴学习国外成熟技术的基础之上,开展对高温电子系统设计,高温高压测试技术,恶劣环境下的永置式传感器、电液传动装置等方面的研究,有利于实现智能完井仪器的国产化,加快智能完井仪器的自主研发,对降低成本、推广智能井技术有重要意义。

智能井;永久监测;压力温度;高温电子

0 引 言

智能完井系统通过在产层安装永久监测装置来实现对产层生产状况的实时监测,为油藏管理提供依据。其次,控制系统可将生产调整指令以电信号的方式传输至产层,通过执行机构来实现对产层的遥控配产。为达到监测和控制执行的目的,需要相应的井下仪器来为智能井系统提供“智力”支持[1～4]。井下各种各样复杂环境,例如高温、高压、强腐蚀、电磁干扰等特性,对井下的传感器、执行器件以及井下信息的可靠传输提出了更高的要求。智能完井技术要求井下的组件寿命至少要达到5年以上,可靠性要达到95%以上,因而井下仪器的可靠性和寿命是影响智能井效益的最直接、最重要因素之一。

国内的智能井技术的研究刚刚起步,智能井井下仪器的研究开展较少。目前,国内已经有一些永久井下监测装置具有智能井井下监测仪的雏形,但还没有现成的仪器能够满足智能井系统的井下监测的要求,并且这些装置的长期稳定可靠性还需要考证。在智能井系统中,井下仪器的投资所占不菲,所以根据智能完井工程需要研发一套井下监测仪器具有重要意义。

1 智能井井下仪器简介

1.1 井下仪器组成及功能

仪器的组成分为四个部分:(1)永久安装在各个产层的传感器采集系统,实时监测产层中压力、温度、流量、滑阀位移等信息;(2)地面与产层以及产层与产层之间的数据传输及通讯系统;(3)地面数据接收、存储和分析系统;(4)部分系统所包含的生产指令执行机构。

井下仪器要完成的功能分为两方面:监测和控制执行,其中以监测为主,部分系统中具有控制执行功能。目前,智能井井下仪器所要完成的功能主要是实现对产层流体压力、温度、流量等信息的监测。随着技术的发展,井下采集参数的范围将逐步扩大到流体组分、腐蚀、侵蚀、多相流等[5]。

就监测而言,通过在各产层安装永久传感器,可实时采集井下压力、温度、流量信号等参数,并将信号通过电缆传输至地面。在智能井系统中,需要有控制机构来实现对流量调节阀的精细控制,而部分控制机构的动作是根据地面发送的电信号调整指令来完成的,因此需要相应的装置来完成控制。

1.2 关键技术分析

为满足智能井实时监控的需要,井下仪器必须具备长期的稳定可靠性,这将是智能井井下仪器研究所围绕的核心所在。国外较成熟的智能井井下仪器均能在井下恶劣环境中正常工作5年以上,充分发挥智能完井系统的技术优势,为优化生产提供有力保障[6、7]。

与测井仪器相比,智能井井下仪器有相似之处,如在信号的采集和传输等方面,甚至采集的信号没有测井信号复杂,数据量和数据的传输速率均没有测井仪器高,但却面临比测井仪器更大的技术难题:第一,用于监测的传感器组必须在高温高压环境中能连续稳定工作,因此对传感器的各项性能,特别是长期稳定性、高温高压性能提出了更高的要求;第二,电子元器件在高温环境(125℃以上)中的寿命和可靠性都会急剧下降,长期的高温环境对电子元件和电路提出了严峻的考验。相对而言,测井仪器中的电子电路需要承受的只是瞬时高温,而智能井井下仪器需承受长期高温。因此必须寻求一种有别于传统电子系统的高温电子线路,来保证系统的可靠运行;第三,地面与产层以及产层与产层间的通讯需要设计与现场条件相适应的总线模式,因为产层与产层间的距离是不确定的,主从机之间的通讯距离会有差别,不一定能沿用测井仪器串中的CAN总线等模式,并且总线的实现都需要高温硬件。第四,仪器各部件以及整体的密封封装将更为严格,应避免长期高压渗漏引发的失效。

2 国内外研究现状与动向

2.1 国外研究现状

国外对智能井技术的研究开展较早,大型油服公司与有实力的电子元件制造商强强联手专为智能井系统研制了可靠性高的永久井下测量(Permanent Downhole Monitoring)装置,用以对产层流体的压力和温度做实时监测,可满足不同的温度环境需求。可将其方法总结为两类:一类是光纤传感器+光缆的光纤系统;另一类是压敏传感器+电缆的电子系统。两种方法各有其优势,前者保持有很高的准确性的同时,也能保证稳定性和长期可靠性。但是其昂贵的价格另许多中小油田望而却步,所以光纤系统大多使用在海上高产油气田。电子系统的发展历史长久,价格相对较经济,但是由于生产商数量有限,且研发成本也高,技术只有少数公司掌握,导致电子系统也基本上处于垄断态势。目前电子监测系统国外也有很多较成熟的产品,多由油服或石油公司联合有实力的元器件制造商按需求进行开发。

从传感技术来看,可以分为三类[8]:光纤、石英以及SOI(Silicon-on-insulator)。光纤传感器没有井下电子线路,易于安装、体积小、抗干扰能力强,能保证很好的可靠性和精确度,如Weatherford公司的光学多相流量计,Schlumberger公司研制的持气率光纤传感仪等,但其价格昂贵不易推广。绝缘硅(SOI)技术克服了传统硅器件的温度特性,可以在高温环境中有良好表现,Honeywell公司研制的HTMOS系列高温器件能在高温225℃的环境中正常工作达5年[9],基于SOI技术的力学传感器和高温器件,为用户在一定条件下提供了备选方案,但由于市场有限,器件制造商不愿斥资研发,所以产品并没有形成较大规模,给一般用户的二次开发设计带来了诸多限制。石英传感器是目前智能井监测系统中运用最为普遍的,其良好的性价比和表现性能使之成为智能井永久监测装置的首选,例如Baker Hughes公司的智能井系统Incharge和Inforce就采用了石英压力计来获得产层的压力和温度参数。目前国外各大服务公司都研制开发了较为成熟的石英压力计产品,利用地面的配套的信号处理系统和计算机软件处理,可同时获取精确的压力和温度值。如Welldynamics公司的ROC系列永久监测计,加拿大先锋石油科技公司的PPS28系列永久监测装置,Weatherford公司电子石英计,Omega公司的石英压力计等都属于此类产品[10～12],目前这些产品正在世界范围内现场应用中为智能井系统提供可靠的数据支持。

2.2 国内研究现状

我国在智能井领域的研究还处于起步阶段,技术还不完善,只在井下动态监测技术方面开展了一些研究。在光纤传感器方面,辽河油田开展了稠油热采动态监测技术研究,研制了新型金属绝热技术和波长解调型光纤压力传感器系统,光纤传感头采用光纤-厚壁石英管激光熔接的无胶封装方式,解决了高温环境下的传感器高压密封和光纤保护问题。目前,该传感器已成功地应用于辽河油田曙光采油场油井下的压力实时监测。西安石油大学的乔学光教授在油气井井下高温高压光纤传感检测方面取得了突破,完成的“高温高压分布式光纤光栅传感技术”荣获2007年度国家技术发明奖二等奖;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,能够实时地监测井下压力、温度数据;北京蔚蓝仕科技有限公司申请了“用于智能井的光纤多点温度与压力测量方法及其装置”的专利,通过光缆和地面的解调器,可以实时读取井内不同油层的温度和压力。但截止目前,这些技术还没有得到现场应用的验证[13]。

在电子式永久监测装置方面,西南油气田分公司等多家单位开展了气井永置式井下压力温度监测技术研究[14]。在室内完成了高精度井下压力计、地面数据采集系统等的设计和研究,并分别于2004年4月、5月在蜀南气矿J17井、Z7井上进行了现场试验。在地面可直观、实时地监测井下压力、温度数据,为气井的生产提供了准确有效的数据。

以上这些井下监测装置已初步具备了智能井井下监测仪的雏形,但和真正意义上的智能井井下监测仪还有一定的区别,并不能用于智能井产层流体状态的永久监测,在关键技术上还有待突破和完善。

2.3 工程应用前景

智能井技术代表着数字化油田的发展方向,在过去的5年中,智能井系统的安装以每年27%的速度增长,据不完全统计,截止到2006年已安装或部分安装智能井系统的油气井已超过1000口。随着油气勘探开发目标逐步转向复杂地区、滩海及深海等恶劣环境,我国也展开对智能井技术硬件和软件方面的相关研究。这些均为智能井井下仪器的研究提供了有利条件。智能井井下仪器是实现远程实时监控的先决条件,将有着广泛的工程应用前景。加快自主研发,对降低智能完井成本,推广智能井技术有重要意义。

3 结 论

智能井井下仪器是智能井系统的重要组成部分,是实现“智能”的关键所在。所完成的功能包括了产层流体状态监测以及流量调节阀的执行控制。根据智能完井特点,井下仪器应能在高温高压环境中正常工作至少3～5年是开发设计中要解决的首要问题,其次器件的高温测试,以及仪器整体的高温高压测试也必不可少。

智能井井下仪器的研发需要有足够的投入,国外大型的油服公司均联手有实力的电子器件制造商按需求来进行联合开发,国内可借鉴相同的模式。国内在智能井井下仪器方面的研究相对较少,与国外有一定的差距。为避免今后完全依赖进口的局面,应该加快智能井井下仪器的研究步伐,在高温电子系统设计,高温高压测试技术,恶劣环境下的永置式传感器、电液传动装置等方面开展研究,为研发自主知识产权的智能完井配套仪器打下基础。

[1] M.R.Islam.Advances in Petroleum Reservoir Monitoring Technologies.SPE 68804

[2] Wan-Faisal Paino,Noorilmee H Tengah,Nigel Snaith.Using IintelligentWellTechnology to DefineReservoir Characterization and Reduce Uncertainty.SPE 99533

[3] X.Ramos,A.Anderson,S.A.Sakowski.Using Economic andProductionEvaluationMethodologiesToExpedite Commercialization of Intelligent and Multilateral Wells.SPE 93859

[4] K.Sun,M.R.K onopczynski,A.Ajayi.Using Downhole Real-Time DataToEstimateZonalProduction in a Commingled-Multiple-Zones Intelligent System.SPE 102743

[5] 刘均荣,姚 军,张 凯.智能井技术现状与展望[J].油气地质与采收率,2007,14(6)

[6] Oswaldo M.Moreira.Installation of the World′s First All-Electric Completion System in a Deep water Well.SPE 90472

[7] Tor K.Kragas,Brock A.Williams,Gregory A.Myers.The Optic Oil Field:Deployment and Application of Permanent In-well Fiber Optic Sensing Systems for Production and Reservoir Monitoring.SPE 71529

[8] Weatherford Inc.Permanent Downhole Monitoring.2006

[9] Jay G oetz.High Temperature Electronics for Sensor Interface and Data Acquisition[DB/OL].http://www.honeywell.com/

[10] Hulliburton Inc.ROCTMPermanent Downhole Gauges.2005[11] Pioneer Petrotech Services Inc.PPS27 Permanent Monitoring System.2007

[12] Weatherford Inc.Electronic Quartz Gauge.2009

[13] 钱 杰,沈泽俊,张卫平,等.中国智能完井技术发展的机遇与挑战[J].石油地质与工程,2009,23(2)

[14] 张华礼,谢南星,李少兵,等.气井永置式井下压力温度监测技术及其应用展望[J].钻采工艺,2005,28(1)

PI,2011,25(1):46～48

Considering the engineering requirements of the intelligent complete well system,this paper analyses the functions and technique features of downhole instruments for intelligent well.It′s a basic fact that the downhole instruments should keep long-term stability and reliability.This is also a principal issue to be solved while the downhole instruments are designing.By learning the mature technology from abroad,a research carried out on high temperature electronic system designing,HT-HP testing technology and permanent sensors,and actuator for harsh environment.This research is helpful propitious for realizing the instruments′localization.To accelerate the independent research and development is of great significance to lower the cost and popularize intelligent well system.

Key words:intelligent well,permanent monitoring,pressure and temperature,high temperature electronics

Research status and application prospects of downhole instruments for intelligent well System.

Xu Sheng,Chen Yilei,Yang Yuankun and Nan Jinhu.

P631.8+1

B

1004-9134(2011)01-0046-03

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”子课题“深水井下流量控制关键技术研究”2008ZX05026-001-10

许 胜,男,1986年生,西南石油大学在读硕士,研究方向:智能完井。邮编:610500

2010-08-29编辑:姜 婷)