氣田智能化氣井監(jiān)控系統(tǒng)研究

高玉龍，朱迅，于占海，宋漢化，高仕舉

(中國石油長慶油田蘇里格氣田研究中心 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室， 西安 710018)

過程控制技術(shù)

氣田智能化氣井監(jiān)控系統(tǒng)研究

高玉龍，朱迅，于占海，宋漢化，高仕舉

(中國石油長慶油田蘇里格氣田研究中心 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室， 西安 710018)

蘇里格氣田儲層表現(xiàn)出“低滲透、低壓、低豐度”和極強的非均質(zhì)性特征，氣井生產(chǎn)管理中面臨著氣井壓力下降較快、氣井井數(shù)多、管理工作量大、管理難度大等諸多難題。通過氣井氣藏地質(zhì)與動態(tài)生產(chǎn)情況相結(jié)合，形成“流量控制、套壓控制、時序控制、套壓流量復(fù)合控制”氣井生產(chǎn)模式。智能化氣井監(jiān)控系統(tǒng)集成應(yīng)用了電子巡井技術(shù)、動態(tài)分析技術(shù)、遠程控制技術(shù)、遠程泡排技術(shù)等，實現(xiàn)了氣井按制訂模式、參數(shù)進行生產(chǎn)，有效地提高了儲量動用程度和開發(fā)效果。開展智能化氣井監(jiān)控系統(tǒng)研究，實現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)管理、精細化氣井管理、程序化組織管理，較好地克服了氣田管理中存在的問題，實現(xiàn)了低滲透氣田的科學(xué)有效生產(chǎn)管理。

智能化 氣井 生產(chǎn)管理 采收率

蘇里格氣田氣井壓力下降快，產(chǎn)量遞減幅度大，穩(wěn)產(chǎn)階段短，恢復(fù)程度低，氣井產(chǎn)水甚至積液較為嚴重，迫切需要對氣井采用精細化管理，提高氣井采收率和氣井累計產(chǎn)氣量。通過控制氣井壓降速率，對低產(chǎn)低效井采用間歇生產(chǎn)，對積液井采取排水采氣措施，延長氣井自然穩(wěn)產(chǎn)期，以“一井一法”方式精細化管理氣井[1-5]。由于氣田開發(fā)面積大，井數(shù)眾多，采用人工方式管理難以實現(xiàn)精細管理。因此，如何平衡精細化管理氣井生產(chǎn)與控制用工總量之間的關(guān)系就成為難點問題。為了解決人力資源不足的問題，提高氣井管理效率，該氣田結(jié)合氣井生產(chǎn)管理需求，探索完善井口數(shù)據(jù)監(jiān)測、視頻定時拍照巡檢、井口遠程智能控制、遠程語音報警、井口生產(chǎn)異常診斷、風(fēng)光互補供電、井站數(shù)據(jù)整合監(jiān)控等八項井口數(shù)字化應(yīng)用技術(shù)，實現(xiàn)了氣井管理數(shù)字化[6]。氣井數(shù)字化生產(chǎn)管理，有效地解決了氣井生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的井堵、管線凍堵、緊急關(guān)井等問題。然而缺乏對氣井的氣藏地質(zhì)、動態(tài)分析的關(guān)聯(lián)應(yīng)用，現(xiàn)場管理氣井沒有較好地與氣井儲層及生產(chǎn)動態(tài)情況結(jié)合，無法實現(xiàn)氣井精細化管理。

面對“三低”氣藏而又井數(shù)眾多的氣田，亟需開展智能化氣井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)研究，實現(xiàn)氣田高效生產(chǎn)管理和氣井精細化管理[7]。智能化氣井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合氣井生產(chǎn)動態(tài)分析技術(shù)和氣井數(shù)字化管理技術(shù)，自動形成氣井優(yōu)化運行策略，通過氣井井場設(shè)備對氣井遠程監(jiān)控，實現(xiàn)了控制氣井壓降速率，延長氣井自然穩(wěn)產(chǎn)期，實現(xiàn)“一井一法”氣井生產(chǎn)管理，形成了智能化氣井生產(chǎn)管理。

1 氣井生產(chǎn)管理

蘇里格氣田氣井管理經(jīng)歷了“單一管理—分類管理—精細化管理”的轉(zhuǎn)變。通過加強氣井生產(chǎn)動態(tài)分析，根據(jù)氣井不同生產(chǎn)特征，開展壓力和產(chǎn)量復(fù)合分類，制訂合理的管理措施。針對連續(xù)生產(chǎn)井，嚴格控制產(chǎn)量和壓降速率，延長自然穩(wěn)產(chǎn)期；針對間歇井，采用“長關(guān)短開”、“短關(guān)短開”、“長關(guān)長開”的生產(chǎn)方式，通過優(yōu)化間歇生產(chǎn)制度，提高氣井開井時率和產(chǎn)能貢獻率；積液井采用“注劑泡排+間歇”、“投棒泡排+間歇”和其他新工藝排水措施，及時排出氣井積液[8-9]。

2 智能化氣井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

單井生產(chǎn)智能化，是氣井精細化管理的有效手段，控制氣井以最佳生產(chǎn)方式生產(chǎn)，實現(xiàn)降低人員工作強度、延長氣井壽命、提高氣井采收率的目的[10-11]。

2.1 系統(tǒng)原理

從氣藏動態(tài)入手，結(jié)合工藝優(yōu)化，對同一地質(zhì)區(qū)塊內(nèi)氣井的井型、生產(chǎn)層位、井口壓力、產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量、壓降速率等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，深化氣井生產(chǎn)對比認識，制訂合理工作制度，創(chuàng)建氣井精細化生產(chǎn)管理模型，制訂每口氣井的生產(chǎn)參數(shù)和運行控制模式[12]。具體包括： 梳理流程，建立監(jiān)控流；選擇典型氣井作為研究對象；對氣井井口計量；軟件開發(fā)；建立智能化單井(小站)生產(chǎn)監(jiān)控示范區(qū)；驗證并完善氣井生產(chǎn)監(jiān)控模型。智能化單井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，通過井口RTU對氣井智能化、精細化管理，實現(xiàn)局部(單井)自治，整體協(xié)從。單井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)采出氣量、壓力變化和井靜態(tài)信息等數(shù)據(jù)定期優(yōu)化運算，完善計算模型和運行控制模式，循環(huán)往復(fù)，優(yōu)化運行參數(shù)，保證氣井處于最優(yōu)模式生產(chǎn)，實現(xiàn)智能精細管理氣井。智能化氣井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 智能化氣井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)示意

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

1) 電子巡井技術(shù)。監(jiān)控氣井生產(chǎn)情況和井場生產(chǎn)畫面，實時采集氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，主要包括油壓、套壓、瞬時流量、累計流量、外輸溫度、外輸壓力、電源電壓、緊急切斷閥狀態(tài)等參數(shù)。按設(shè)定報警值，比對實時采集的井場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動分析判斷氣井和井場工況，異常及時報警(界面字體顏色變化)[14]。目前的巡井頻次為1次/5 min[14]。

2) 井場侵入報警技術(shù)。氣井井場闖入報警，將井場安裝的紅外探測器與井場視頻攝像機相結(jié)合，在井場安全警戒區(qū)內(nèi)無外物入侵情況下，攝像頭處于休眠狀態(tài)，當有外物入侵時攝像頭進行自動拍照并將照片傳輸至監(jiān)控中心，提高了氣井井場安全性。

3) 遠程開關(guān)井技術(shù)。通過指令對氣井井口緊急切斷裝置進行控制，實現(xiàn)了對單個氣井間歇生產(chǎn)的遠程開關(guān)需求，實現(xiàn)了批量關(guān)井(干線/集氣站所轄井)。井口緊急切斷裝置能自動實現(xiàn)高低壓自動切斷，提高了氣井生產(chǎn)過程中應(yīng)對突發(fā)事件的能力。

4) 遠程自動加注泡排技術(shù)。在井場RTU或上位機編寫自動加注系統(tǒng)遠程控制模塊，利用太陽能智能泵注、平衡罐自動滴注、遠程自動投放泡排棒等方式進行泡沫排水采氣，智能化控制注劑泵或電磁頭啟停，實現(xiàn)泡排藥劑的自動加注。

5) 自動調(diào)節(jié)井口流量技術(shù)。將井口針閥改為電動執(zhí)行機構(gòu)，采用井口太陽能，氣井RTU根據(jù)井口外輸流量計流量大小，進而調(diào)整閥門開度大小，實現(xiàn)了井口自動調(diào)節(jié)氣井生產(chǎn)氣量，其工作原理如圖2所示。

圖2 氣井生產(chǎn)流量控制系統(tǒng)示意

6) 氣液兩相計量技術(shù)。在氣井井場，利用物理分離或者光譜分析原理，在線計量氣井產(chǎn)液、產(chǎn)氣量，計算氣井氣液比，分析氣井產(chǎn)液量和產(chǎn)氣量規(guī)律。通過氣液兩相計量技術(shù)，制訂氣井合理生產(chǎn)制度，確保氣井生產(chǎn)時合理攜液，有效控制了井筒積液[13]。

2.3 智能化生產(chǎn)模式

蘇里格氣田低滲、低產(chǎn)、低效氣井壓力下降快，產(chǎn)量遞減幅度大，穩(wěn)產(chǎn)階段短，恢復(fù)程度低，為保證氣井進入流程，在生產(chǎn)經(jīng)過一段時間后便改為間歇生產(chǎn)。氣藏的開發(fā)和開采是衰竭式開采，因而，隨著天然氣的不斷采出，氣井壓力將逐漸降低。在氣藏開采的中、后期能量消耗較多，氣藏處于低壓開采階段，此時氣井的井口壓力較低，而一般輸氣干線的壓力往往較高(4.0～6.4MPa)，所以當氣井的井口壓力接近輸壓或者低于輸壓而使氣井被迫停產(chǎn)或被水淹沒，將造成較多還有一定生產(chǎn)能力的氣井過早停產(chǎn)，大幅降低了氣藏的采收率，使氣井能量不能充分利用。因此，采取以下措施控制井口壓力是必要的：

1) 流量控制。根據(jù)氣井生產(chǎn)管理系統(tǒng)的優(yōu)選方法，通過某類產(chǎn)能計算出某井限制流量并在一定范圍內(nèi)生產(chǎn)，有利于提高該井采收率。對某類井采用限制流量的生產(chǎn)方式進行生產(chǎn)，給出流量上下限值或參考流量，智能化單井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)井口針閥開度，實現(xiàn)了控制氣井流量生產(chǎn)。

2) 時序控制間歇井。部分間歇井壓力下降較快、流量較小，因而對其進行一定的時序控制來達到最佳的生產(chǎn)條件。設(shè)置氣井時序控制的起止日期以及生產(chǎn)周期，由氣井RTU按時序控制氣井外輸電磁閥開關(guān)，實現(xiàn)氣井按設(shè)定周期生產(chǎn)[15]。

3) 套壓控制。由于間歇井大部分套壓較低，當套壓低于一定值時，氣井生產(chǎn)將受到較大影響，因而對部分低產(chǎn)、低壓井實施套壓壓力智能控制。設(shè)置氣井最低或最高套壓值，由氣井RTU按套壓實時數(shù)據(jù)控制氣井外輸電磁閥開關(guān)，使氣井在設(shè)定套壓值范圍內(nèi)生產(chǎn)。

4) 流量套壓控制。在實際生產(chǎn)過程中，部分間歇井套壓較低，但是流量非常穩(wěn)定，從而給流量套壓復(fù)合智能控制提供了很好的條件。在套壓流量復(fù)合智能控制中，設(shè)定氣井智能控制條件，日流量小于一定值時，電磁閥執(zhí)行關(guān)閉動作；套壓高于某值時，電磁閥執(zhí)行開啟動作。

3 應(yīng)用情況

從2008年開始，經(jīng)過6年的探索與改進，智能化氣井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)在蘇里格氣田726口井上推廣運行，運行表明： 該系統(tǒng)實用性能好，可靠性高。

1) 系統(tǒng)運行穩(wěn)定。2013年對726口井運行智能化氣井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，對氣井調(diào)節(jié)井口流量、間歇生產(chǎn)、積液井自動泡排等進行嚴格控制，井口操作有效率達93%以上。

2) 提高工作效率。以每天有200口井為例，按照原有的人工操作開關(guān)井、泡排、調(diào)節(jié)流量，每口井執(zhí)行操作為5 min，至少需要2名工作人員，工作8 h的重復(fù)操作；使用智能化氣井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，只需1人審核井口操作運行情況，工作效率提高了約20倍。

3) 減少井口操作工作量。采用井口自動泡排、調(diào)節(jié)流量和遠程開關(guān)井等技術(shù)，極大地減少了井口工作量。以前每100口井需3輛車6人，30井次開關(guān)井、泡排、調(diào)節(jié)流量等井口操作?，F(xiàn)在只需2～3人檢查設(shè)備或補充泡排劑(棒)，減少了80%以上的工作量。經(jīng)過試驗前后統(tǒng)計對比，節(jié)約車輛和人員費用每口井1萬元以上。

4) 減少氣井壓降速率，提高氣井產(chǎn)氣量。對采用智能化氣井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)前后200口氣井產(chǎn)氣量進行統(tǒng)計分析，核算每口氣井增產(chǎn)氣量為1×104m3。

4 結(jié) 論

該技術(shù)已在蘇里格氣田逐步推廣應(yīng)用，通過科研和生產(chǎn)密切結(jié)合，快速有效地指導(dǎo)了氣井生產(chǎn)管理工作，加快了智能化氣田建設(shè)的步伐，取得了顯著的效果。

1) 現(xiàn)場實踐表明，氣井“流量控制、套壓控制、時序控制、套壓和流量復(fù)合控制”生產(chǎn)模式符合蘇里格地區(qū)氣井生產(chǎn)的工作需求，提高了氣井各項生產(chǎn)指標。

2) 智能化單井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)采出氣量、壓力變化和井靜態(tài)信息等數(shù)據(jù)定期優(yōu)化運算，完善計算模型和運行控制模式，循環(huán)往復(fù)，優(yōu)化運行參數(shù)，保證了氣井處于最優(yōu)模式生產(chǎn)，實現(xiàn)了智能精細管理氣井。

3) 通過智能化氣井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，控制了氣井壓降速率，對低產(chǎn)低效井采用間歇生產(chǎn)，對積液井采取排水采氣措施，延長氣井自然穩(wěn)產(chǎn)期，實現(xiàn)了“一井一法”方式精細化管理氣井。

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Study on Intelligent Monitor System of Gas Well in Gas Field

Gao Yulong， Zhu Xun， Yu Zhanhai， Song Hanhua， Gao Shiju

(Changqing Sulige Gas Field Research Center CNPC & Low Permeability Oil and Gas Field Exploration and Development of National Engineering Laboratory， Xi’an， 710018， china)

Sulige gas well reservoir has characteristics of low permeation， low pressure and low abundance and strong anisotropy. The gas well production managements are encountered with problems of quick pressure dropping， too much gas wells， too high management workload and difficult managements. Through combination of gas well gas pool geology and dynamic production， the gas well production mode of flow control， casing pressure control， sequential control， casing pressure and flow combined control is formed. The intelligent gas well monitoring system integrates application of electronic inspection， gas well dynamic analysis technology， remote control technology， remote foam drainage technology， and so on. The intelligent monitoring system of gas well achieves production by setting models and parameters， and improves the producing degree of reserves and development effect effectively. Through carrying out intelligent gas well monitoring system study， digital production management， delicate gas well management and programming management are realized. Existing problems in gas field management are overcome much better. Scientific and effective production management for low permeability gas field is realized.

intelligent； gas well； production management； recovery yield

國家科技專項(編號： 2011ZX05015-001)資助。

高玉龍(1961—)，男，畢業(yè)于西安交通大學(xué)電子應(yīng)用專業(yè)，從事氣田數(shù)字化管理。

TP277

B

1007-7324(2015)01-0025-04

稿件收到日期： 2014-08-05，修改稿收到日期： 2014-11-26。