油水井智能堵水调剖技术现状及发展趋势

2021-01-25李小永李经纬付亚荣郑力会马春晖胡占国刘基田张志明

石油钻采工艺 2021年4期

李小永李经纬付亚荣郑力会马春晖胡占国刘基田张志明

1. 中国石油大学(北京)；2. 中国石油华北油田分公司；3. 中国石油渤海钻探工程院

0 引言

1957年我国首次在玉门油田开展油井封堵水层的研究和试验，拉开了我国油田堵水调剖的大幕，到目前已经历了60多年的发展［1］。分为5个发展阶段：(1)20世纪50年代堵水技术探索试验阶段；(2)20世纪60年代初—70年代机械堵水发展阶段；(3)20世纪80年代化学堵水蓬勃发展阶段；(4)20世纪80年代中期—90年代末期，由油井堵水逐渐发展为以注水井调剖为主、堵水调剖并举阶段；(5)21世纪以来，深部调驱、“2+3”技术、深部液流转向、微球调驱及水平井控水技术得到长足发展［2-5］。从堵水调剖的油藏工程研究、堵水调剖工具、化学药剂研发、物理模拟实验、堵水调剖设计软件、效果评价等方面取得诸多重要成果［2,6］。现有堵水调剖技术在选井选层(油藏工程)、堵水调剖体系研发、工艺参数优化和施工方案制定等方面采用的PI(压力指数)、RE(油藏工程)、RS(RE决策技术基础上扩展融合措施后有效性预测和经济效益判定)等决策技术［7］，还不能完全满足在决策、经济、安全、高效、环保等方面的需求，亟待完善和发展具有革命性的油水井智能调剖堵水技术。我国人工智能技术高速发展，基于大数据和人工智能等前沿技术，诸如：智能采油、智能注水［8］、井眼轨道智能优化、钻速智能优化、智能导向钻井、井下闭环调控、智能监测与决策等［9］相继出现并逐步拓展和完善，但油水井智能调剖堵水技术仍处于探索阶段。智能调剖堵水技术是融合了大数据、人工智能、信息工程、油藏工程、渗流工程、机械工程、井下控制工程学等理论与技术的变革性系统工程。通过智能油藏、智能找水、智能决策、智能调堵、智能监控、智能测试、智能评价等，实现油水井精准调剖堵水，显著提高油藏单井产量和最终采收率。

国外智能堵水调剖的基础理论和关键技术尚处于发展初期，亟待突破。国内矿场应用的所谓智能堵水调剖技术仅属于工业3.0范畴(采用PLC和IT系统的自动化)［10］，智能堵水调剖技术处于探索起步阶段，其研究深度同国外相比存在一定的差距。为此，在分析我国油水井智能堵水调剖技术现状、存在的主要问题的背景下，探讨智能堵水调剖的主攻方向，推动智能堵水调剖基础理论研究，完善和拓展智能堵水调剖技术体系，实现我国智能堵水调剖技术的跨越式发展。

1 智能堵水调剖关键技术研究现状

智能堵水调剖关键技术包括智能油藏、智能决策、智能找水、智能调堵、智能施工、智能监测、智能测试、智能评价等技术，涉及大数据、人工智能、量子传输、超级计算、互联网+、智能设备、新材料、物联网、区域链、5G通讯切片、云计算、虚拟现实等领域。近年来，国内外对智能堵水调剖关键技术进行了一些初步研究，取得了一定的进展。

1.1 智能油藏

智能油藏［11］依靠大数据、云计算、超级计算和人工智能软件刻画储层和流体渗流规律，研究储层中油、气、水的运移规律，阐明驱替特征取向，实现对油藏智能化动态管理和生产预测。加拿大Interface Fluidics开发的油藏纳米级可视化微流体芯片储层分析技术［12］，被誉为“认识非常规油气藏的杀手锏”，实现了具有“复制储层物性和流体参数、展示化学剂(比如：化学调剖堵水药剂)和原油中碳氢化合物相互纳米作用全过程、直接测量注入化学剂在油藏环境下性能”的储层纳米级可视化；实现了从岩石样品或钻井、测试和生产数据中获取的储层物性和流体数据高度可复制；实现了验证纳米化学剂在储层中增产机理岩心驱替微流体芯片测试。俄罗斯Rock Flow Dynamics开发出tNavigator油藏地质建模与油藏模拟一体化研究平台［13］，融合图形加速器(GPU)、平行计算(并行计算技术)、现代启发式算法(智能优化算法)为一体，实现了千万至十亿节点模拟，成功应用于全球200多家油气公司(包括中国石油、中国石化)的快速设计油气藏开发方案和油气藏建模及数值模拟计算研究。近年来，国内外利用卷积神经网络与CNN-PCA(主成分分析)对历史数据进行油藏数值模拟，利用深度训练网络作为初始数据驱动模型预测油藏流体参数［14］。中国海洋石油集团有限公司利用油藏工程、大数据、云计算等形成了油气藏智能优化配产方法与智能辅助历史拟合技术［15］。邹才能等［16］以“工厂化”、大数据、云计算为核心，提出的“人工油藏”理论，在国内5大致密油气、页岩气区开展235井次先导性试验，致密油压采效果比以往常规技术提高2倍，页岩气实现商业开发，展示出良好应用前景。SHAHKARAMI Alireza等［17］以数据为驱动，利用人工智能和机器学习技术，建立了油藏建模的智能代理模型，基础油藏模型模拟结果非常接近，运算时间节省98.9%。综上所述，目前国内外智能油藏构建技术，与工业4.0智能化相比，还有很大的差距，还没有充分利用油藏工程-采油(气)工程多源数据，无法满足智能堵水调剖的要求。

1.2 智能堵水

油田开发后期“控水稳(增)油”的难点是准确找到油井的出水点。智能堵水就是根据实时获取的油井射孔层位的渗流参数，利用大数据和智能超级计算、云计算等手段对油井的出水量、出水来源等多目标参数进行分析和计算，精准确定出水点。王新志等［18］研发的由无线移动数据采集器、智能压力采集器、封隔器等组成智能无线分层测压找水卡堵水工艺，现场7口油井12次找堵水调层，实现了工艺成功率和措施有效率双100%。张俊亮等［19］设计了传感器、控制电路组成的油井自动分层找堵水开关，在现场仅进行1口油井试验并取得成功。近年来，国内诸多学者提出智能分层采油工艺［8］，虽然也有找水的作用，但仍停留在井下压力控制工具和应用PLC无法传输和控制的研究上。总之，目前国内智能堵水还未见有相关研究的报道。

1.3 智能决策

油水井堵水调剖智能决策就是以油藏工程、采油(气)工程数据为基础，以大数据、互联网+、物联网、区域链为支撑［20］，以经典油藏工程融合量子纠缠和量子超距感应为认识源泉［21-22］，以人工智能算法为核心，构建油水井堵水调剖决策系统。陆水青山［7］以油田堵水调剖的成功案例为蓝本，将油藏、油井、水井的动静态指标结合施工参数、施工工艺、效果等评价指标，利用大数据分析手段，构建制定堵水调剖方案的影响因素体系；采用模糊物元优先受益明显的油水井数据作为样本库，分析影响堵水调剖效果的因素，再利用灰色关联分析法建立堵水调剖方案的匹配模型，匹配方案与原方案结果相符。于宏宇等［23］提出了基于大数据的油藏数值模拟关键字封装、动静态参数正则判断技术和双向进化算法的多目标多因素影响的堵水调剖方案智能决策系统。郭亮［24］依次建立储层属性模型、油藏流动数字模型、水平井井筒压降模型、油藏典型模型、现场模型，并用Eclipse验证了模型的可靠性，形成了基于生产动态的水平井优势通道识别方法。

目前国内广泛采用PI、RE、RS决策方法确定堵水调剖方案，属于工业3.0阶段的数字化信息技术［10］，智能决策堵水调剖方案仍处于萌芽阶段。

1.4 智能调堵

智能调堵就是以实时智能采集的油藏工程、采油工程数据为基础，以大数据、互联网+、物联网、区域链为手段，利用智能材料(第四代功能材料)开发出调堵注入水突进、绕流、水窜、水淹等渗流通道的智能识别和选择水流通道的调堵化学药剂。张震［25］针对裂缝型油藏特点，从调堵剂的成胶和封堵机理出发，研发了能记忆油藏温度，对高含水层或区域自动形成微的、弱的、高强度热可逆凝胶调堵剂，并取得了很好的增油降水效果。周隆超［26］面对具有大孔道、裂缝及非均质性严重的油藏，利用第四代功能材料(具有一定环境响应的智能材料)，开发了具有柔性、黏弹性、热敏可逆性、单一性的智能柔性黏弹性调驱体系；并根据调驱体系的特性、调驱机理，提出了油藏含水75%左右为注入时机，预计可提高采收率18.6%~22.6%。赵文锦［27］以多种聚合物为基础功能凝胶材料辅以感温聚合物为原料，利用逐层组装、微流体、离子凝胶化、反相微乳液聚合开发出一系列智能可控的调剖凝胶。目前，国内在智能调堵剂的研究方面的智能化水平很低，仍局限于凝胶型、冻胶型、颗粒型、泡沫型、微生物和其他低成本废弃物深部调剖化学药剂的开发［28］。

1.5 智能施工

智能施工指将互联网+、智能设备、物联网、区域链、5G通讯切片等技术应用于调剖堵水注入设备、配注系统，形成调剖堵水智能施工系统。任永良等［29］根据调剖堵水注聚泵对聚合物溶液机械降解大、容积效率低等问题，改造了注聚泵液力端的吸入阀、排出阀及壳体内部流道等结构，注聚泵改造后流体流动迹线接近层流状态，大大降低了调剖堵水凝胶的黏损率。李杰训等［30］提出了利用大排量输送泵、母液过滤器、低黏度损失流量调节器、母液静态混合器等核心工艺设备，研发一管多站母液外输工艺、一泵多井注入等简化配注工艺，优化形成“集中配制、分散注入”的总体工艺流程。李龙［31］设计并工业化应用了调剖堵水“双向错流、辐射回流、多元可调”配注工艺，单泵单井系统目的液黏损约10%，单泵多井系统目的液黏损约12%。综上，目前国内调剖堵水智能施工中仅仅是考虑了注入流体配注、注入泵对流体的黏损率、注入工艺，并没有智能设备的引入。

1.6 智能监测

智能监测是指用大数据、互联网+、智能设备、物联网、区域链、5G通讯切片等技术，监测和采集调剖堵水注入过程中，注入流体黏度、流态及注入参数，传输到终端进行分析、对比，并依据对比结果进行自动调整。田殿龙等［32］为适应堵水调剖施工现场信息化管理的需要，利用USN(物联网)设计并实现了基于B/S架构的物联网油田堵水调剖远程监测及管理系统，支持LAN(有线)和GRPS(无线)传输，实现了堵水调剖施工工况的实时分析、预警、指标统计、曲线报表自动生成等功能。杨峰等［33］设计了由现场采集数据及传输单元和远程监控服务器组成的油水井措施施工数字化监控系统，实现了实时采集数据、绘制曲线、生成报表、检索历史数据、异常报警、频图像监控、B/S结构数据及视频发布等功能。总体来说，实时施工数据、优化分析、智能调控堵水调剖施工参数是实现智能监测的关键。目前，堵水调剖智能监测处于初期阶段。

1.7 智能测试

智能测试是指利用智能设备、新材料、超级计算、互联网+、量子传输、5G通讯切片等技术，可视化观察、传输堵水调剖药剂在油层中的运移路径、分布的形态、封堵强度、与岩石的吸附状态、剩余油的分布等堵水调剖智能测试系统。

胡松［34］通过测试某油藏应用抗盐聚合物调驱后注水井吸水剖面表明，油藏油层动用比例由62.5%上升至79.7%。徐新霞［35］厘清了三元复合驱吸水剖面反转现象机理，制定了通过调剖、分层和调整聚合物质量浓度等改善方法，55口水井现场应用，改善38口，阶段采收率比方案预计提高了0.8百分点。罗威等［36］用预测的产液剖面，设计了控水增(稳)油的分层调驱量化方法，节约产液剖面测试成本。2010年6月沙特阿美公司［37］注入了250桶稀释的纳米机器人进入到Arab-D地层中，分析出油藏压力、温度、流体类型，存入纳米机器人存储器中，随油井采出液带回地面，下载关键数据并绘制出油藏图。2019年9月加拿大Interface Fluidics公司［12］推出的微流体芯片储层分析技术，实现油藏纳米级可视化。总之，目前国内仍然采用注水井测吸水剖面、采油井测产液剖面观察油藏调剖堵水后注水井、油井的生产运行状态，与国外应用纳米机器人和微流体芯片观察分析油藏参数还有很大的差距。

1.8 智能评价

智能评价是指通过大数据、超级计算、互联网+、物联网、区域链、5G通讯切片、云计算、虚拟现实等技术，评估油藏堵水调剖效果的智能系统。邓鲁强等［38］阐明了调剖增油的理论，建立了调剖增油机理模型，提出了“调剖后水驱增油量”的效果评价方法。王凯［39］细分了调剖注水井、受效油井、油藏的动态开发、水驱曲线、动态监测等评价指标，采用抛物型函数对绥中36-1油田实施调剖的B25井组进行综合评价。因此，国内对堵水调剖效果评价仍采用的是经典油藏理论阐述的评价方法。

2 智能堵水调剖技术发展趋势

智能堵水调剖技术包含多学科的系统工程，是从数字油田到智能油田再到智慧油田中的子集［40］。其中，“智能油藏、智能找水、智能决策”为智能决策系统，“智能调堵、智能施工”为智能执行系统， “智能监测、智能测试、智能评价”为智能反馈系统，智能决策、执行、反馈系统相互学习、融合、反馈，形成贯穿智能堵水调剖技术链的智能化物联网。目前，国内外智能堵水调剖技术仍处于发展初期，关键基础理论与核心技术亟待突破。国外石油集团诸如：加拿大Interface Fluidics 公司、挪威Equinor 公司［12］、沙特阿美公司［37］等在智能油藏、智能监测等方面取得了一定的研究进展，并有较好的现场应用效果，证实了智能堵水调剖技术的可行性和适应性。国内需要组织技术力量突破智能堵水调剖核心基础理论，研发智能精细刻画描述油藏、精准确定油井出水性质和来源、自适应油藏的功能调堵药剂、施工装备及工艺等关键技术，形成完善的具有自主知识产权的智能堵水调剖工程技术体系，为提高油藏最终采收率提供技术支撑。

2.1 智能决策系统

以“格、储、流、藏、动、油”为框架，对剩余油形成的机理、分布模式进行预测和解释，事实上油藏具有波粒二象性［21-22］。张旗［41］认为大数据将使地质学(油藏)从观察学科转变为数据科学，当量子力学理论和量子纠缠技术被引入地质界，地质学(油藏解释)会借助量子纠缠和量子超距感应技术迈上一个新台阶。路保平［42］认为可以将量子理论、纳米机器人等与石油工程(油藏工程、采油工程)融合，形成智能探测油藏、智能油气识别、智能监测、智能流体等技术。孙龙德等［43-44］期望在三次采油、四次采油中利用纳米机器人探测甚至改变油藏特性，从而增加油田地质储量和可采储量，延长油田开发生命周期。邹才能等［45］认为对油藏开展纳米级孔喉结构、油气赋存与流动机制等研究，向“油气分子地质学”发展，形成纳米油气透视观测镜、纳米油气开采机器人等关键技术。

(1)油藏纳米机器人。探测油藏纳米机器人具有化学分子系统和机械系统，其功能包括：油藏井间基质刻画、圈定油藏范围、绘制裂缝和断层图形、识别和确定高渗通道、剩余油识别、识别油藏水的来源和出水点、携带调剖堵水药剂进入油藏深处进行堵水、驱油、监测调剖堵水药剂的渗流路径和参数、采集油藏参数、数据存储与回放、纳米机器人回收和再利用等。

(2)油藏量子超距感应密钥。其功能包括：建立油藏层间和层内不同压力、渗透率等级影响模型，探索微波、冲击波、原油原位性质感应、井下油水分离等。

(3)计算和分析方法。用于油藏智能决策关键设备和核心技术，主要有：超级计算、互联网+、智能设备、物联网、区域链、5G通讯切片、云计算、虚拟现实等。

2.2 智能执行系统

智能执行系统需要实现油藏调剖堵水智能设备、工艺及技术产品产业化。

(1)研制高端注聚泵，含有聚合物的调剖堵水流体通过注聚泵后液黏损低于1%。

(2)研制智能注入工艺，实现调剖堵水流体自动制备、调整的无人值守。

(3)开发油田化学功能材料与流体体系，形成调剖堵水的生态流体、智能流体和特殊流体(高温、超高温、极低温、纳米、超分子、智能功能材料)。流体应具有的功能：纳米级流体尺寸，实现全油藏任意角落波及且具有选择性；赋予超强憎水超强亲油的纳米智能驱油流体自驱动力，实现智能找油驱油；收纳捕集聚并微小剩余油，实现残存油驱替。同时，满足不同油藏环境下对绿色环保智能流体的需要。