智能井井下儀器研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景＊

許 勝陳貽累楊元坤南金虎

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 四川成都) (2.中原石油勘探局地球物理測(cè)井公司 河南濮陽)(3.大港油田井下作業(yè)處 天津)

智能井井下儀器研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景＊

許 勝1陳貽累1楊元坤2南金虎3

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 四川成都) (2.中原石油勘探局地球物理測(cè)井公司 河南濮陽)(3.大港油田井下作業(yè)處 天津)

結(jié)合智能完井系統(tǒng)的工程需要,分析了智能井井下儀器的功能及技術(shù)特點(diǎn)。在長(zhǎng)期的高溫高壓環(huán)境中保持高的穩(wěn)定可靠性,是智能井井下儀器的基本特點(diǎn),也是研發(fā)智能井井下儀器應(yīng)該解決的首要問題。在借鑒學(xué)習(xí)國(guó)外成熟技術(shù)的基礎(chǔ)之上,開展對(duì)高溫電子系統(tǒng)設(shè)計(jì),高溫高壓測(cè)試技術(shù),惡劣環(huán)境下的永置式傳感器、電液傳動(dòng)裝置等方面的研究,有利于實(shí)現(xiàn)智能完井儀器的國(guó)產(chǎn)化,加快智能完井儀器的自主研發(fā),對(duì)降低成本、推廣智能井技術(shù)有重要意義。

智能井;永久監(jiān)測(cè);壓力溫度;高溫電子

0 引 言

智能完井系統(tǒng)通過在產(chǎn)層安裝永久監(jiān)測(cè)裝置來實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)層生產(chǎn)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),為油藏管理提供依據(jù)。其次,控制系統(tǒng)可將生產(chǎn)調(diào)整指令以電信號(hào)的方式傳輸至產(chǎn)層,通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)層的遙控配產(chǎn)。為達(dá)到監(jiān)測(cè)和控制執(zhí)行的目的,需要相應(yīng)的井下儀器來為智能井系統(tǒng)提供“智力”支持[1～4]。井下各種各樣復(fù)雜環(huán)境,例如高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、電磁干擾等特性,對(duì)井下的傳感器、執(zhí)行器件以及井下信息的可靠傳輸提出了更高的要求。智能完井技術(shù)要求井下的組件壽命至少要達(dá)到5年以上,可靠性要達(dá)到95%以上,因而井下儀器的可靠性和壽命是影響智能井效益的最直接、最重要因素之一。

國(guó)內(nèi)的智能井技術(shù)的研究剛剛起步,智能井井下儀器的研究開展較少。目前,國(guó)內(nèi)已經(jīng)有一些永久井下監(jiān)測(cè)裝置具有智能井井下監(jiān)測(cè)儀的雛形,但還沒有現(xiàn)成的儀器能夠滿足智能井系統(tǒng)的井下監(jiān)測(cè)的要求,并且這些裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠性還需要考證。在智能井系統(tǒng)中,井下儀器的投資所占不菲,所以根據(jù)智能完井工程需要研發(fā)一套井下監(jiān)測(cè)儀器具有重要意義。

1 智能井井下儀器簡(jiǎn)介

1.1 井下儀器組成及功能

儀器的組成分為四個(gè)部分:(1)永久安裝在各個(gè)產(chǎn)層的傳感器采集系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)層中壓力、溫度、流量、滑閥位移等信息;(2)地面與產(chǎn)層以及產(chǎn)層與產(chǎn)層之間的數(shù)據(jù)傳輸及通訊系統(tǒng);(3)地面數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)和分析系統(tǒng);(4)部分系統(tǒng)所包含的生產(chǎn)指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

井下儀器要完成的功能分為兩方面:監(jiān)測(cè)和控制執(zhí)行,其中以監(jiān)測(cè)為主,部分系統(tǒng)中具有控制執(zhí)行功能。目前,智能井井下儀器所要完成的功能主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)層流體壓力、溫度、流量等信息的監(jiān)測(cè)。隨著技術(shù)的發(fā)展,井下采集參數(shù)的范圍將逐步擴(kuò)大到流體組分、腐蝕、侵蝕、多相流等[5]。

就監(jiān)測(cè)而言,通過在各產(chǎn)層安裝永久傳感器,可實(shí)時(shí)采集井下壓力、溫度、流量信號(hào)等參數(shù),并將信號(hào)通過電纜傳輸至地面。在智能井系統(tǒng)中,需要有控制機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)流量調(diào)節(jié)閥的精細(xì)控制,而部分控制機(jī)構(gòu)的動(dòng)作是根據(jù)地面發(fā)送的電信號(hào)調(diào)整指令來完成的,因此需要相應(yīng)的裝置來完成控制。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

為滿足智能井實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要,井下儀器必須具備長(zhǎng)期的穩(wěn)定可靠性,這將是智能井井下儀器研究所圍繞的核心所在。國(guó)外較成熟的智能井井下儀器均能在井下惡劣環(huán)境中正常工作5年以上,充分發(fā)揮智能完井系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì),為優(yōu)化生產(chǎn)提供有力保障[6、7]。

與測(cè)井儀器相比,智能井井下儀器有相似之處,如在信號(hào)的采集和傳輸?shù)确矫?甚至采集的信號(hào)沒有測(cè)井信號(hào)復(fù)雜,數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)的傳輸速率均沒有測(cè)井儀器高,但卻面臨比測(cè)井儀器更大的技術(shù)難題:第一,用于監(jiān)測(cè)的傳感器組必須在高溫高壓環(huán)境中能連續(xù)穩(wěn)定工作,因此對(duì)傳感器的各項(xiàng)性能,特別是長(zhǎng)期穩(wěn)定性、高溫高壓性能提出了更高的要求;第二,電子元器件在高溫環(huán)境(125℃以上)中的壽命和可靠性都會(huì)急劇下降,長(zhǎng)期的高溫環(huán)境對(duì)電子元件和電路提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。相對(duì)而言,測(cè)井儀器中的電子電路需要承受的只是瞬時(shí)高溫,而智能井井下儀器需承受長(zhǎng)期高溫。因此必須尋求一種有別于傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的高溫電子線路,來保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行;第三,地面與產(chǎn)層以及產(chǎn)層與產(chǎn)層間的通訊需要設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)條件相適應(yīng)的總線模式,因?yàn)楫a(chǎn)層與產(chǎn)層間的距離是不確定的,主從機(jī)之間的通訊距離會(huì)有差別,不一定能沿用測(cè)井儀器串中的CAN總線等模式,并且總線的實(shí)現(xiàn)都需要高溫硬件。第四,儀器各部件以及整體的密封封裝將更為嚴(yán)格,應(yīng)避免長(zhǎng)期高壓滲漏引發(fā)的失效。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與動(dòng)向

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)智能井技術(shù)的研究開展較早,大型油服公司與有實(shí)力的電子元件制造商強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手專為智能井系統(tǒng)研制了可靠性高的永久井下測(cè)量(Permanent Downhole Monitoring)裝置,用以對(duì)產(chǎn)層流體的壓力和溫度做實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),可滿足不同的溫度環(huán)境需求?？蓪⑵浞椒偨Y(jié)為兩類:一類是光纖傳感器+光纜的光纖系統(tǒng);另一類是壓敏傳感器+電纜的電子系統(tǒng)。兩種方法各有其優(yōu)勢(shì),前者保持有很高的準(zhǔn)確性的同時(shí),也能保證穩(wěn)定性和長(zhǎng)期可靠性。但是其昂貴的價(jià)格另許多中小油田望而卻步,所以光纖系統(tǒng)大多使用在海上高產(chǎn)油氣田。電子系統(tǒng)的發(fā)展歷史長(zhǎng)久,價(jià)格相對(duì)較經(jīng)濟(jì),但是由于生產(chǎn)商數(shù)量有限,且研發(fā)成本也高,技術(shù)只有少數(shù)公司掌握,導(dǎo)致電子系統(tǒng)也基本上處于壟斷態(tài)勢(shì)。目前電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)國(guó)外也有很多較成熟的產(chǎn)品,多由油服或石油公司聯(lián)合有實(shí)力的元器件制造商按需求進(jìn)行開發(fā)。

從傳感技術(shù)來看,可以分為三類[8]:光纖、石英以及SOI(Silicon-on-insulator)。光纖傳感器沒有井下電子線路,易于安裝、體積小、抗干擾能力強(qiáng),能保證很好的可靠性和精確度,如Weatherford公司的光學(xué)多相流量計(jì),Schlumberger公司研制的持氣率光纖傳感儀等,但其價(jià)格昂貴不易推廣。絕緣硅(SOI)技術(shù)克服了傳統(tǒng)硅器件的溫度特性,可以在高溫環(huán)境中有良好表現(xiàn),Honeywell公司研制的HTMOS系列高溫器件能在高溫225℃的環(huán)境中正常工作達(dá)5年[9],基于SOI技術(shù)的力學(xué)傳感器和高溫器件,為用戶在一定條件下提供了備選方案,但由于市場(chǎng)有限,器件制造商不愿斥資研發(fā),所以產(chǎn)品并沒有形成較大規(guī)模,給一般用戶的二次開發(fā)設(shè)計(jì)帶來了諸多限制。石英傳感器是目前智能井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中運(yùn)用最為普遍的,其良好的性價(jià)比和表現(xiàn)性能使之成為智能井永久監(jiān)測(cè)裝置的首選,例如Baker Hughes公司的智能井系統(tǒng)Incharge和Inforce就采用了石英壓力計(jì)來獲得產(chǎn)層的壓力和溫度參數(shù)。目前國(guó)外各大服務(wù)公司都研制開發(fā)了較為成熟的石英壓力計(jì)產(chǎn)品,利用地面的配套的信號(hào)處理系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)軟件處理,可同時(shí)獲取精確的壓力和溫度值。如Welldynamics公司的ROC系列永久監(jiān)測(cè)計(jì),加拿大先鋒石油科技公司的PPS28系列永久監(jiān)測(cè)裝置,Weatherford公司電子石英計(jì),Omega公司的石英壓力計(jì)等都屬于此類產(chǎn)品[10～12],目前這些產(chǎn)品正在世界范圍內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中為智能井系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)在智能井領(lǐng)域的研究還處于起步階段,技術(shù)還不完善,只在井下動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)方面開展了一些研究。在光纖傳感器方面,遼河油田開展了稠油熱采動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究,研制了新型金屬絕熱技術(shù)和波長(zhǎng)解調(diào)型光纖壓力傳感器系統(tǒng),光纖傳感頭采用光纖-厚壁石英管激光熔接的無膠封裝方式,解決了高溫環(huán)境下的傳感器高壓密封和光纖保護(hù)問題。目前,該傳感器已成功地應(yīng)用于遼河油田曙光采油場(chǎng)油井下的壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。西安石油大學(xué)的喬學(xué)光教授在油氣井井下高溫高壓光纖傳感檢測(cè)方面取得了突破,完成的“高溫高壓分布式光纖光柵傳感技術(shù)”榮獲2007年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng);勝利油田等研究機(jī)構(gòu)申請(qǐng)了“永置式井下智能監(jiān)測(cè)裝置”的專利,能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)井下壓力、溫度數(shù)據(jù);北京蔚藍(lán)仕科技有限公司申請(qǐng)了“用于智能井的光纖多點(diǎn)溫度與壓力測(cè)量方法及其裝置”的專利,通過光纜和地面的解調(diào)器,可以實(shí)時(shí)讀取井內(nèi)不同油層的溫度和壓力。但截止目前,這些技術(shù)還沒有得到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的驗(yàn)證[13]。

在電子式永久監(jiān)測(cè)裝置方面,西南油氣田分公司等多家單位開展了氣井永置式井下壓力溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[14]。在室內(nèi)完成了高精度井下壓力計(jì)、地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)和研究,并分別于2004年4月、5月在蜀南氣礦J17井、Z7井上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在地面可直觀、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)井下壓力、溫度數(shù)據(jù),為氣井的生產(chǎn)提供了準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)。

以上這些井下監(jiān)測(cè)裝置已初步具備了智能井井下監(jiān)測(cè)儀的雛形,但和真正意義上的智能井井下監(jiān)測(cè)儀還有一定的區(qū)別,并不能用于智能井產(chǎn)層流體狀態(tài)的永久監(jiān)測(cè),在關(guān)鍵技術(shù)上還有待突破和完善。

2.3 工程應(yīng)用前景

智能井技術(shù)代表著數(shù)字化油田的發(fā)展方向,在過去的5年中,智能井系統(tǒng)的安裝以每年27%的速度增長(zhǎng),據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截止到2006年已安裝或部分安裝智能井系統(tǒng)的油氣井已超過1000口。隨著油氣勘探開發(fā)目標(biāo)逐步轉(zhuǎn)向復(fù)雜地區(qū)、灘海及深海等惡劣環(huán)境,我國(guó)也展開對(duì)智能井技術(shù)硬件和軟件方面的相關(guān)研究。這些均為智能井井下儀器的研究提供了有利條件。智能井井下儀器是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的先決條件,將有著廣泛的工程應(yīng)用前景。加快自主研發(fā),對(duì)降低智能完井成本,推廣智能井技術(shù)有重要意義。

3 結(jié) 論

智能井井下儀器是智能井系統(tǒng)的重要組成部分,是實(shí)現(xiàn)“智能”的關(guān)鍵所在。所完成的功能包括了產(chǎn)層流體狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及流量調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行控制。根據(jù)智能完井特點(diǎn),井下儀器應(yīng)能在高溫高壓環(huán)境中正常工作至少3～5年是開發(fā)設(shè)計(jì)中要解決的首要問題,其次器件的高溫測(cè)試,以及儀器整體的高溫高壓測(cè)試也必不可少。

智能井井下儀器的研發(fā)需要有足夠的投入,國(guó)外大型的油服公司均聯(lián)手有實(shí)力的電子器件制造商按需求來進(jìn)行聯(lián)合開發(fā),國(guó)內(nèi)可借鑒相同的模式。國(guó)內(nèi)在智能井井下儀器方面的研究相對(duì)較少,與國(guó)外有一定的差距。為避免今后完全依賴進(jìn)口的局面,應(yīng)該加快智能井井下儀器的研究步伐,在高溫電子系統(tǒng)設(shè)計(jì),高溫高壓測(cè)試技術(shù),惡劣環(huán)境下的永置式傳感器、電液傳動(dòng)裝置等方面開展研究,為研發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能完井配套儀器打下基礎(chǔ)。

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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

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”子課題“深水井下流量控制關(guān)鍵技術(shù)研究”2008ZX05026-001-10

許 勝,男,1986年生,西南石油大學(xué)在讀碩士,研究方向:智能完井。郵編:610500

2010-08-29編輯:姜 婷)