黃 船, 曾小軍, 何錦華

(中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司試修公司)

自1997年8月世界首次應(yīng)用智能完井技術(shù)以來(lái)，經(jīng)過(guò)二十幾年的發(fā)展，該技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)的完井技術(shù)逐漸受到油田的重視，在世界范圍內(nèi)取得廣泛應(yīng)用[1]。Baker Oil Tools和Schlumberger聯(lián)合開發(fā)的InCharge智能完井系統(tǒng),被稱為石油工業(yè)的第一套高級(jí)智能完井系統(tǒng)。Halliburton公司的Smart Well智能完井技術(shù)在蓬萊油田首次應(yīng)用，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控每層的注水量和開關(guān)每層的智能滑套ICV，實(shí)現(xiàn)分層注水[2]；WellDynamics動(dòng)態(tài)公司推出的智能井系統(tǒng)在超過(guò)200口井上安裝運(yùn)行。挪威Norsk Hydro ASA公司于2002年8月第一次在單井中安裝了工業(yè)用多光纖壓力溫度計(jì)。

國(guó)內(nèi)油氣田勘探開發(fā)逐漸進(jìn)入深部油氣藏，開發(fā)環(huán)境日益復(fù)雜，各油田紛紛嘗試對(duì)井筒多層段、多分支油氣井實(shí)現(xiàn)地面遙測(cè)遙控，減少油田開發(fā)中的不確定性因素，提高完井水平質(zhì)量和油氣田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益，使油氣井管理更科學(xué)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)開發(fā)的目的[3-4]。川渝、塔里木為解決高溫、高壓、高腐蝕超深井溫壓監(jiān)測(cè)難題，改變傳統(tǒng)繩纜測(cè)井的方法，先后引進(jìn)國(guó)外技術(shù)在各自區(qū)域開展了光纖式永久溫壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的先導(dǎo)試驗(yàn)[5]；西部鉆探針對(duì)傳統(tǒng)試油測(cè)試工藝在低孔低滲儲(chǔ)層開發(fā)測(cè)試中存在傷害地層和不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)油層的缺點(diǎn)，研制了智能井下可控開關(guān)工具，采用RFID射頻通信技術(shù)控制井下開關(guān)工具，實(shí)現(xiàn)一趟管柱分層測(cè)試目的；川慶鉆探為解決深井、超深井測(cè)試期間地層數(shù)據(jù)錄取周期長(zhǎng)的問(wèn)題，研發(fā)了井下數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)，傳輸深度已達(dá)到5 000 m，當(dāng)前正向6 000 m攻關(guān)；西部鉆探和川慶鉆探均開發(fā)了高壓遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)，并投入到工業(yè)應(yīng)用中(見表1)。

表1 川渝、塔里木、新疆地區(qū)近年智能試油與完井技術(shù)應(yīng)用實(shí)例情況表

“智能裝備制造”、“無(wú)人值守”是未來(lái)制造業(yè)的發(fā)展方向，石油、石化行業(yè)也必將經(jīng)由此發(fā)展道路[6]。本文介紹了地面遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制、井下數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)刃录夹g(shù)近年來(lái)在川渝氣田的實(shí)踐與應(yīng)用，借此探討智能試油技術(shù)在我國(guó)油氣田勘探開發(fā)未來(lái)發(fā)展道路。

一、地面高壓遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制技術(shù)

川渝三高氣井地面測(cè)試流程主要用于控制試油期間井下流體返排至地面的流量和壓力。流程一般分為高壓區(qū)、中壓區(qū)、低壓區(qū)，各區(qū)域設(shè)備中包含大量的平板閘閥、節(jié)流閥、球閥等控制元件。高壓區(qū)主要包括捕屑器、除砂器、轉(zhuǎn)向管匯、油嘴管匯等，中壓區(qū)主要包括熱交換器等，低壓區(qū)主要包括分離器、燃燒器等。

隨著國(guó)內(nèi)常規(guī)氣勘探向超深部氣藏邁進(jìn)，一些氣區(qū)測(cè)試期間呈現(xiàn)出產(chǎn)量大，井口流動(dòng)壓力高、井口關(guān)井壓力高的特點(diǎn)，如川西北龍004-X1產(chǎn)量111.65×104m3/d，硫化氫含量12.99 g/m3，井口關(guān)井壓力高達(dá)107.85 MPa；塔里木油田克深132井測(cè)試期間井口最高流動(dòng)壓力達(dá)到107.124 MPa,對(duì)地面測(cè)試裝備安全保障提出了更高要求。

(1)設(shè)備操作盡量高度自動(dòng)化，降低操作人員在高壓區(qū)域暴露時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度。

(2)通過(guò)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制提高地面測(cè)試作業(yè)效率和閥門操作精度，減少誤操作風(fēng)險(xiǎn)，科學(xué)排液測(cè)試。

(3)解決流程中監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)各自獨(dú)立、操作界面不統(tǒng)一的問(wèn)題，通過(guò)集成實(shí)現(xiàn)單系統(tǒng)集中化控制，提高工作效率和準(zhǔn)確性。

川慶鉆探在已形成的地面測(cè)試高壓遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將單套流程閥門自動(dòng)化覆蓋率從最初的10%提高到90%，從油嘴、節(jié)流管匯、轉(zhuǎn)向管匯高壓區(qū)延伸至后端中低壓區(qū)，單井試油測(cè)試減少了人工操作閥門數(shù)百次，大幅提高了閥門控制精度，閥門開閉時(shí)間分別為70 MPa：33 s、105 MPa：38 s、140 MPa：47 s，控制距離100 m，PLC控制柜及計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制正常，反應(yīng)靈敏，恒壓模式下自動(dòng)調(diào)節(jié)靈活，批量化控制準(zhǔn)確，超壓緊急關(guān)斷響應(yīng)及時(shí)。該成果在川渝、塔里木地區(qū)推廣應(yīng)用15井次以上，有效降低操作人員在高壓含硫區(qū)域工作面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了地面測(cè)試作業(yè)的效率與準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了高溫高壓含硫氣井安全高效測(cè)試，使我國(guó)的超高壓、高溫、含硫氣井試油測(cè)試技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，并向集中化、智能化技術(shù)邁出了一大步，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

二、井下數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸技術(shù)

在試油測(cè)試作業(yè)中，傳統(tǒng)方式采用存儲(chǔ)式電子壓力計(jì)獲取井底壓力、溫度數(shù)據(jù)，需要將壓力計(jì)隨測(cè)試管柱下至井底預(yù)定位置，測(cè)試結(jié)束后起出壓力計(jì)，最終獲取井下數(shù)據(jù)。這種方法不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井底壓力、溫度變化情況，施工過(guò)程中井底真實(shí)情況不能隨時(shí)反饋到地面，無(wú)法對(duì)施工效果及時(shí)評(píng)價(jià)，影響下步工序的決策與部署。

川慶鉆探研發(fā)的基于超低頻電磁波井下全井無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了全井無(wú)線傳輸，從根本上改變了地面和井下依靠有線傳輸?shù)募夹g(shù)現(xiàn)狀。井下無(wú)線發(fā)射器單級(jí)傳輸距離遠(yuǎn)大于目前的聲波傳輸或短距離電磁波，對(duì)于深井、超深井也僅需1～2個(gè)中繼器即可實(shí)現(xiàn)全井無(wú)線傳輸，工程意義遠(yuǎn)大于目前的聲波傳輸或短距離電磁波，見表2。

表2 井下無(wú)線傳輸技術(shù)發(fā)展進(jìn)程

傳輸系統(tǒng)由井下無(wú)線發(fā)射器、井下無(wú)線中繼器、地面接收和發(fā)射系統(tǒng)組成，無(wú)線發(fā)射器和中繼器具有與測(cè)試工具匹配的全通徑特點(diǎn)，能滿足酸化改造中通道的要求。采用無(wú)線式半雙工通信，可以將井下傳感器的相關(guān)信息傳輸?shù)降孛?，同時(shí)具備將地面的控制指令傳輸?shù)骄孪到y(tǒng)的預(yù)設(shè)功能，該技術(shù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射器將電子壓力計(jì)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁波信號(hào)，利用大地-套管-油管介質(zhì)直接發(fā)送到地面，地面安裝的接收天線將接收到的電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳輸?shù)降孛娼邮蘸桶l(fā)射系統(tǒng)。地面接收和發(fā)射系統(tǒng)通過(guò)天線向無(wú)線發(fā)射器發(fā)出指令，無(wú)線發(fā)射器將收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳遞給電子壓力計(jì)，對(duì)電子壓力計(jì)的工作程序進(jìn)行更改，實(shí)現(xiàn)雙向通訊。

該技術(shù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證單個(gè)中繼器傳輸距離可達(dá)到2 000 m，雙中繼器可基本實(shí)現(xiàn)6 000 m內(nèi)的傳輸，工作溫度150℃，工作壓力105 MPa，已現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定傳輸距離5 700 m，傳輸速率由初期1組/4 min提升至1組/1 min?？衫毛@取的諸如井下射孔、開關(guān)井、酸化停泵井底壓降、測(cè)試井底流動(dòng)壓力等的數(shù)據(jù)及時(shí)對(duì)測(cè)試、酸化效果和管柱工作狀況做出科學(xué)判斷，精確部署后期工序，提高測(cè)試作業(yè)時(shí)效，確保取全、取準(zhǔn)地層測(cè)試資料，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)井下智能工具實(shí)現(xiàn)“遙控”搭建了高效快捷的指令傳輸通道。

三、圖像智能識(shí)別安全控制技術(shù)

中石油川慶鉆探公司與電子科技大學(xué)聯(lián)合探索人工智能、大數(shù)據(jù)等新興信息技術(shù)在試油測(cè)試中的應(yīng)用場(chǎng)景，解決生產(chǎn)作業(yè)中安全監(jiān)測(cè)難題，采用人工智能、深度學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)攝像頭拍攝的視頻圖像序列進(jìn)行定位、識(shí)別和跟蹤，并在此基礎(chǔ)上分析和判斷目標(biāo)的行為，形成了圖像智能識(shí)別安全控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)主動(dòng)預(yù)警，功能包括：

(1)重點(diǎn)區(qū)域人員檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)對(duì)井場(chǎng)作業(yè)范圍業(yè)劃定的重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)有人員出現(xiàn)時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)、實(shí)時(shí)告警。

(2)閥門管線漏液、閥門管線漏氣等刺漏檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)對(duì)井場(chǎng)作業(yè)范圍業(yè)劃定的閥門管線漏液、漏氣等刺漏現(xiàn)象檢測(cè)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)小流量檢測(cè)，實(shí)時(shí)檢測(cè)、實(shí)時(shí)告警。

(3)燃燒池火焰及火焰高度檢測(cè)。對(duì)燃燒池放噴火焰進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，一方面檢測(cè)燃燒池狀態(tài)，判斷是否存在火焰，另一方面測(cè)試火焰高度。系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)時(shí)檢測(cè)火焰，實(shí)時(shí)測(cè)量火焰高度，并提供無(wú)火告警、火焰高度報(bào)警、多處火源告警等功能。

(4)所有測(cè)量數(shù)據(jù)上傳，系統(tǒng)應(yīng)提供將所在井場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取的視頻、數(shù)據(jù)上傳至基地的功能，并可提供實(shí)時(shí)展示功能。

通過(guò)以上系統(tǒng)的實(shí)施部署，并預(yù)留接口與其他系統(tǒng)，如自動(dòng)控制系統(tǒng)相對(duì)接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制等功能；實(shí)現(xiàn)人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等新型信息技術(shù)在石油鉆井作業(yè)中的應(yīng)用探索，逐步改造傳統(tǒng)試油測(cè)試裝備，提高石油裝備的自動(dòng)化、智能化程度，最終可實(shí)現(xiàn)“無(wú)人”職守。SN008-H22井應(yīng)用實(shí)例:

1.火焰檢測(cè)

通過(guò)構(gòu)建的火焰檢測(cè)模型，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到點(diǎn)火室是否有火和無(wú)火的狀態(tài)。

2.火焰高度測(cè)量

系統(tǒng)在檢測(cè)到火焰的情況下，可進(jìn)一步準(zhǔn)確測(cè)量火焰高度，并實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)出當(dāng)前火焰高度的最小值、最大值、平均值；系統(tǒng)在實(shí)時(shí)測(cè)量火焰高度的同時(shí)，還具有適應(yīng)不同環(huán)境的能力(如樹遮擋，有大煙環(huán)境),以及多處著火告警，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到多處著火，系統(tǒng)將告警。

3.管線閥門刺漏檢測(cè)

為測(cè)試管線閥門刺漏檢測(cè)的有效性，尤其是在小刺漏環(huán)境下的檢測(cè)能力，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)搭建環(huán)境，可有效檢測(cè)出刺漏現(xiàn)象，并實(shí)時(shí)告警。

4.區(qū)域人員檢測(cè)

針對(duì)井場(chǎng)指定區(qū)域出現(xiàn)人，系統(tǒng)可提供實(shí)時(shí)告警功能。

該項(xiàng)技術(shù)在川渝常規(guī)和非常規(guī)油氣井地面測(cè)試中推廣應(yīng)用20余井次，大大減少了安全管理中的人工投入，同時(shí)提高了預(yù)警的精確性和主動(dòng)性，整個(gè)預(yù)警系統(tǒng)預(yù)留了自動(dòng)控制接口，有望未來(lái)與遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)融合，最終實(shí)現(xiàn)地面試油測(cè)試智能化操作。

四、結(jié)論與建議

(1)無(wú)論是地面還是井下試油與完井，其智能化發(fā)展的終極目標(biāo)都是實(shí)現(xiàn)“遙測(cè)遙控”，地面相對(duì)于井下面臨的工況較簡(jiǎn)單，當(dāng)前已基本實(shí)現(xiàn)“遙控遙測(cè)”，但是地面測(cè)控的點(diǎn)多面廣，監(jiān)測(cè)范圍包括壓力、溫度、設(shè)備、人員、環(huán)境，目前還未完全實(shí)現(xiàn)主動(dòng)預(yù)警、預(yù)測(cè)分析、集中控制，因此未來(lái)建議在自動(dòng)化控制高覆蓋率的基礎(chǔ)上，將各個(gè)不同目標(biāo)和功能的控制系統(tǒng)集成，并建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輔助分析系統(tǒng)，為試油期間實(shí)現(xiàn)智能化操作提供更為充分的條件。

(2)井下工具的“遙控”和“遙測(cè)”受井深、溫度、壓力的影響很大，依靠有線傳輸終究存在制約。目前構(gòu)建的無(wú)線傳輸信息通道已初步成型，井下數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸距離接近6 000 m。建議以此為基礎(chǔ)開展井下智能型工具的“遙控”技術(shù)研究，突破當(dāng)前復(fù)雜深井試油主要依靠壓控式井下工具的局面。

(3)高尖端的電子電器元件是井下(尤其是超深超高溫井)儀器的核心部件，存在“卡脖子”的現(xiàn)象，目前市場(chǎng)上投入應(yīng)用的電子壓力計(jì)絕大部分依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)電子壓力計(jì)耐溫等級(jí)最高150℃，且精度、存儲(chǔ)量、穩(wěn)定性遠(yuǎn)落后于進(jìn)口產(chǎn)品，井下儀器在高溫、超高溫條件下的穩(wěn)定性已成為技術(shù)“瓶頸”，有待投入科研力量對(duì)此進(jìn)行專項(xiàng)研究。

(4)國(guó)內(nèi)智能試油技術(shù)雖已取得了較大進(jìn)步，但各項(xiàng)成果較為分散，缺少頂層設(shè)計(jì)和統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，需要盡快建立標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。此外，已擁有的技術(shù)成果推廣應(yīng)用范圍有待擴(kuò)大，如井下數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸技術(shù)發(fā)展不僅要攻克“深度”，還應(yīng)擴(kuò)大應(yīng)用范圍。川慶鉆探目前正在探索通過(guò)該技術(shù)在4 000 m以淺的頁(yè)巖氣生產(chǎn)井實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，依托勘探開發(fā)工程來(lái)不斷拓展技術(shù)應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)跨躍式發(fā)展。