龐東曉, 盧 齊， 張 斌， 黃 坤

1中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2中國石油西南油氣田分公司勘探事業(yè)部

0 引言

油氣井測試技術(shù)作為最終解決一個構(gòu)造或圈閉是否存在具有油氣資源開發(fā)價值，以及如何進(jìn)行高效開發(fā)的技術(shù)手段[1]，具有重要意義。近年來，中石油川慶鉆探公司已初步形成了“三高”、“三低”特色測試技術(shù)及140 MPa、200 ℃成套裝備，在川西北雙魚石、塔里木庫車山前、柴達(dá)木英雄嶺等構(gòu)造上獲得成功應(yīng)用[2- 4]，助推了我國深部油氣藏的勘探與開發(fā)。但在自動化技術(shù)應(yīng)用方面，仍面臨設(shè)備智能化程度低、人員操作風(fēng)險高，井下工藝適用范圍受限，信息獲取不及時等問題。川渝地區(qū)地質(zhì)工程條件復(fù)雜、勘探開發(fā)難度大，降低開發(fā)成本和提升采收率面臨挑戰(zhàn)，常規(guī)試油完井工藝難以應(yīng)對，因此，需要發(fā)展自動化、信息化試油與完井技術(shù)提高作業(yè)水平，推動油田數(shù)字化建設(shè)。

1 試油測試自動化技術(shù)現(xiàn)狀

油氣井測試是一項系統(tǒng)工程，包含了從地面到井下的大量裝備和工具，自動化技術(shù)目前主要聚焦在地面流程裝備和井下工具兩個方面。

1.1 地面流程自動化技術(shù)

在常規(guī)節(jié)流降壓閘門、管路系統(tǒng)基礎(chǔ)上，目前川渝地區(qū)地面流程還部署了諸多特種裝備，如為應(yīng)對深井超深井關(guān)井壓力、流動壓力高和測試產(chǎn)量大的熱交換器、三相分離器、緩沖罐等以及為應(yīng)對頁巖氣井分層改造、體積壓裂帶來的高含砂返排液問題的除砂器、捕屑器等重型設(shè)備，這些設(shè)備均需要數(shù)名現(xiàn)場作業(yè)人員進(jìn)入高壓區(qū)域手動控制及維護(hù)人工操作，勞動強(qiáng)度大，人工成本高，難以適應(yīng)提質(zhì)增效要求。因此，有待通過地面設(shè)備自動化和智能輔助升級，降低作業(yè)風(fēng)險及勞動成本，提高作業(yè)效率。結(jié)合川渝地區(qū)生產(chǎn)實際，目前地面流程還有以下三個方面的問題亟待克服。

(1)地面流程自動化覆蓋率低，目前只有部分高壓區(qū)域設(shè)備實現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動控制。

現(xiàn)有的試油測試地面流程采用以電動執(zhí)行器+閥門作為獨立控制單元，通過PLC、計算機(jī)軟件、傳感器等組成的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，基本實現(xiàn)了對流程管匯閘板閥的開關(guān)、節(jié)流閥調(diào)節(jié)的自動控制。然而流程中的主要設(shè)備如除砂器、捕屑器、熱交換器、分離器等都尚未納入到現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)中，未能實現(xiàn)自動控制。

(2)監(jiān)測系統(tǒng)缺少主動預(yù)警機(jī)制，存在人工判斷不及時、漏判、誤判的風(fēng)險。

為保障地面流程作業(yè)人員及設(shè)備安全，現(xiàn)已在地面流程系統(tǒng)中部署了多個監(jiān)控裝置，建立了中央視頻監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)置專人崗位在施工過程中對流程高壓區(qū)、放噴口、排污口等關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行實時監(jiān)控及預(yù)警。由于井場環(huán)境、自然光線強(qiáng)度、作業(yè)人員判斷能力等因素影響，導(dǎo)致強(qiáng)光下管線微小泄漏、放噴池火焰逸出難以及時準(zhǔn)確判斷。此外依靠人工監(jiān)控，高壓區(qū)人員闖入、設(shè)備超壓及時響應(yīng)難度較大。

(3)缺乏智能輔助手段。目前地面流程的流道選擇、閥門開度、工況判別依然由作業(yè)人員決策。統(tǒng)計分析2016～2019年69井次川渝地區(qū)川慶鉆探試油測試地面流程現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)存在人員操作失誤以及對壓力突變情況觀察、決策滯后造成閥門錯誤開關(guān)，節(jié)流閥過度開合，油嘴、孔板更換不及時，排液不連續(xù)等問題，影響放噴排液的連續(xù)性，甚至影響產(chǎn)能測試結(jié)果。

1.2 地層測試工具自動化技術(shù)

井下測試工具方面，隨鉆井深度不斷增加，改造壓力不斷提高，可提供給APR測試工具的操作壓力窗口越來越狹窄，甚至無法設(shè)定操作壓力。此外，液控工具操作方式繁瑣，井下復(fù)雜風(fēng)險大，不利于試油測試領(lǐng)域的提質(zhì)增效。近年來隨著電池技術(shù)及無線技術(shù)的發(fā)展，遙控試油測試工具得到飛速發(fā)展，其中典型代表即是哈里伯頓公司的RezConnect試油測試工具系統(tǒng)，該系統(tǒng)的核心是DynaLink?遙測系統(tǒng)，其利用聲波傳輸建立了井下—地面的雙向通訊系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上形成了基于電液控制的Prephase測試閥、Armada采樣系統(tǒng)、CHAMP-ion封隔器等，有效提升了試油測試井下安全和可靠性，提升了作業(yè)效率。國內(nèi)在此項技術(shù)的研究較為分散，雖開展了永置式井下監(jiān)測技術(shù)[5]、智能井下工具[6]、分層測試工具[7]等方面的研究，但缺少更高層面的頂層設(shè)計和統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，且受制于井深、井筒條件、電池技術(shù)等局限，承壓耐溫等級尚不能完全滿足復(fù)雜深井測試作業(yè)的需求，相關(guān)技術(shù)還亟待提高。

在信息獲取方面，目前我國主要采用存儲式電子壓力計獲取井底壓力、溫度數(shù)據(jù)[8]，尚不能實時監(jiān)測井底動態(tài)變化，很難實現(xiàn)實時決策。近年來，川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院率先開展基于甚低頻電磁波井下無線傳輸技術(shù)研究[9]，研制了全井無線直讀系統(tǒng)，傳輸距離達(dá)到5 000 m，工作溫度達(dá)150 ℃，工作壓力可達(dá)140 MPa，傳輸速率1組/4 min，包含溫度、壓力數(shù)據(jù)，基本實現(xiàn)了測試期間井下壓力溫度的實時獲取(見圖1)。

圖1 電磁波井下無線傳輸技術(shù)原理

2 試油測試自動化關(guān)鍵技術(shù)

從保障作業(yè)安全、提高生產(chǎn)效率、降低作業(yè)成本三個根本點出發(fā)，通過開展地面流程自動控制系統(tǒng)研究、無線直讀技術(shù)研究、電驅(qū)動井下工具研制，構(gòu)建打通數(shù)字信息化高速通道的“最后1公里”，使試油測試從井下、地面到?jīng)Q策中心全面實現(xiàn)信息實時共享、實時評價、實時決策；大幅提高作業(yè)時效性、可靠性和安全性。

2.1 地面流程方面

地面流程自動化需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題主要是三個方面，即全區(qū)域地面流程遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)(見圖2)、地面流程輔助操作系統(tǒng)和基于人工智能的試油測試無人值守系統(tǒng)(見圖3)。

圖2 地面流程自動控制系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 基于智能圖像識別的地面流程無人值守系統(tǒng)

全區(qū)域地面流程自動控制是形成地面流程自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)，通過建立可拓展的高效通信的工控網(wǎng)絡(luò)，將集中自動控制系統(tǒng)覆蓋除砂器、熱交換器、分離器、閘閥等全部地面流程及設(shè)備。

地面流程輔助操作系統(tǒng)是形成地面流程自動控制技術(shù)的過渡階段，其主要目的是提高試油測試地面流程操作安全性、避免誤操作。從技術(shù)上而言，其主要作用是將試油測試SOP數(shù)字化，包括人員操作規(guī)范、安全規(guī)程等要素，在遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)上，整合不同設(shè)備數(shù)據(jù)，實現(xiàn)共享數(shù)據(jù)鏈，最終實現(xiàn)試油測試控制數(shù)字化。

在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，對于難以量化測量的數(shù)據(jù)，如放噴口氣體含量、人員活動和微小泄漏等，開展人工智能圖像識別技術(shù)應(yīng)用。在以上數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用模糊聚類分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別等技術(shù)，形成高可靠性的試油測試工況識別技術(shù)?；诖?，形成的人工智能判斷系統(tǒng)，結(jié)合遠(yuǎn)程專家支持，最終可形成地面流程無人值守系統(tǒng)。

2.2 地層測試自動化關(guān)鍵技術(shù)

實現(xiàn)地層測試自動化需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題主要是三個方面：深井井下高速傳輸技術(shù)、井下就近測量分析技術(shù)以及智能電動試油完井一體化工具。

在復(fù)雜的井筒環(huán)境下，無論聲波傳輸還是電磁波傳輸，存在的共同問題就是數(shù)據(jù)傳輸速率較低，無法滿足實時分析及決策的要求，因此，存儲式井下電子壓力計依然是目前獲取井下壓力溫度的主要手段。為此，需要進(jìn)一步發(fā)展深井傳輸技術(shù)，提升復(fù)雜井筒條件下長距離信號傳輸?shù)乃俣燃靶剩⒌孛妗纂p向高速通訊通道，為實現(xiàn)井下實時監(jiān)測及控制奠定基礎(chǔ)。

研究高效井筒傳輸技術(shù)，研制井底在線取樣及分析工具，實現(xiàn)對硫化氫、二氧化碳、天然氣全烴值、氯根含量等關(guān)鍵地層流體參數(shù)，以及巖石應(yīng)力、近井帶裂縫展布、孔隙發(fā)育情況等關(guān)鍵地層物性參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測和實時上傳，能有效解決了傳統(tǒng)取樣工具必須等測試結(jié)束后隨管柱起出才能回收分析的不足，提高作業(yè)效率。

深井地層測試工具要求結(jié)構(gòu)簡單、功能集成度高、性能可靠。因此，依托無線傳輸、高溫電池、井下電動控制等關(guān)鍵技術(shù)研制智能試油完井工具，利用無線信號控制電機(jī)操作閥門開關(guān)，從而實現(xiàn)循環(huán)、測試、關(guān)井、丟手等不同工藝，降低井下復(fù)雜，提高作業(yè)效率[10]。還可以實現(xiàn)電機(jī)控制下的自動丟手與回接，將試油短期大數(shù)據(jù)量傳輸與完井長期監(jiān)測進(jìn)一步融合，實現(xiàn)試油工藝與完井工藝的有機(jī)結(jié)合，有效避免儲層傷害，提高作業(yè)效率。

3 智能試油完井技術(shù)發(fā)展方向

3.1 基于增強(qiáng)現(xiàn)實的地面流程快速部署及安全預(yù)警技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(Augmented Reality，簡稱AR)，也被稱為擴(kuò)增現(xiàn)實，是一種促使真實世界信息和虛擬世界信息內(nèi)容之間綜合技術(shù)。試油作業(yè)地面流程設(shè)備多，不同高壓設(shè)備和壓力容器校驗程序和時間也不相同。利用增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)建立設(shè)備三維空間標(biāo)簽與設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫鏈接，即可實現(xiàn)設(shè)備信息實時查詢和檢查；其次，通過計算機(jī)將施工現(xiàn)場地形、地勢、設(shè)備、井口位置等關(guān)鍵信息處理成可視化三維圖像，即可進(jìn)行最優(yōu)化部署設(shè)計和模擬安裝，縮短安裝時間，降低作業(yè)人員勞動強(qiáng)度；同時，施工期間作業(yè)人員通過佩戴特定設(shè)備，連接地面流程控制中心，即可實現(xiàn)對流程氣體泄漏、高壓區(qū)域人員闖入的實時監(jiān)控和安全預(yù)警，減少作業(yè)人員數(shù)量，節(jié)約人力成本；此外，還可搭建虛擬維修平臺，對員工進(jìn)行設(shè)備工具的維保培訓(xùn)，能夠降低培訓(xùn)成本，縮短培訓(xùn)周期。

3.2 井下數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

在試油完井作業(yè)中，井下壓力溫度傳感器采樣頻率高，數(shù)據(jù)量大，通常一個施工周期會有上百萬個數(shù)據(jù)，加之增產(chǎn)措施，放噴試采的壓力、溫度突變等都可能引起噪音，噪音會掩蓋真實的油藏響應(yīng)，影響試井解釋的準(zhǔn)確性。受限于無線傳輸帶寬及計算機(jī)資源限制，實時解釋幾乎不可能。因此,保證精度同時精簡數(shù)據(jù)是一項非常重要的任務(wù)。隨著芯片技術(shù)的高速發(fā)展，高性能低功耗的嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理芯片[11](NPU)為井下計算機(jī)的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。依托井下計算機(jī)對各種傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行就近分析處理，實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)體積優(yōu)化[12]、工況自動分析判別、關(guān)鍵敏感數(shù)據(jù)自動記錄技術(shù)。

3.3 基于深井抗干擾高速無線傳輸技術(shù)建立數(shù)字井筒

將傳感器技術(shù)、無線傳輸技術(shù)結(jié)合為一體，以多中繼器無線傳輸架構(gòu)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步優(yōu)化傳輸方法，提高傳輸速率，搭建井下雙向數(shù)字信號[13- 14](監(jiān)測數(shù)據(jù)、控制信號等多路數(shù)據(jù))高速傳輸井筒信息平臺，實現(xiàn)試油測試期間實時掌握和控制井底情況，動態(tài)調(diào)整測試作業(yè)程序，提高測試數(shù)據(jù)錄取質(zhì)量，提高試油測試作業(yè)時效；及時發(fā)現(xiàn)井下異常情況，提高對試油測試井下安全風(fēng)險的管控。

3.4 基于大數(shù)據(jù)及人工智能的試油專家決策系統(tǒng)

基于自然語言識別技術(shù)對目前大量、零散的試油工程、試井解釋數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類整理，建立統(tǒng)一的試油完井一體化數(shù)據(jù)管理樣本庫，實現(xiàn)工況智能識別及風(fēng)險預(yù)警；依托數(shù)據(jù)挖掘和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，形成智能試油設(shè)計技術(shù)，通過勘探前期幾口預(yù)探井?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合樣本庫內(nèi)數(shù)據(jù)智能分析，系統(tǒng)自動給出最優(yōu)試油設(shè)計方案，提示施工風(fēng)險，建議管柱組合以及酸化改造方案等，為設(shè)計人員提供全面周詳?shù)脑O(shè)計建議和指導(dǎo)；利用三維可視化建模技術(shù)，優(yōu)化軟件算法，建立地層—井筒系統(tǒng)的動態(tài)流入流出交互式情景仿真，為現(xiàn)場工程師和決策人員提供直觀認(rèn)識和指導(dǎo)，以便及時調(diào)整合理的測試制度。最后將智能試油設(shè)計技術(shù)、施工在線監(jiān)測技術(shù)、試井解釋技術(shù)集成，形成試油專家決策系統(tǒng)[15]，真正實現(xiàn)智能設(shè)計、智能監(jiān)控、智能響應(yīng)的智能試油完井技術(shù)。

4 結(jié)論

(1)智能試油技術(shù)的發(fā)展方向在于將自動化監(jiān)測與控制技術(shù)與井下無線通信等技術(shù)緊密結(jié)，將人工智能與可視化技術(shù)集成應(yīng)用，向內(nèi)容顯示全面化、智能化和數(shù)據(jù)管理高效化的方向發(fā)展，形成以智能技術(shù)處理和數(shù)據(jù)高效管理為中心的深層次數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，達(dá)到充分利用到信息的目的，減少了數(shù)據(jù)重復(fù)收集和錄入的成本，拓寬了信息傳輸途徑。

(2)通過井筒數(shù)字化技術(shù)建立基于計算機(jī)支持的高度可視化信息環(huán)境，以網(wǎng)絡(luò)通信來實現(xiàn)動態(tài)井筒信息的多方面?zhèn)鬏敚瑥亩谠囉屯昃I(lǐng)域中實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、可視化和智能化，最終實現(xiàn)試油完井施工作業(yè)低成本、優(yōu)質(zhì)、高效和安全的目標(biāo)。