李枝林，韓 雄，龐東曉，許期聰，岳 明，陳麗萍，劉 欣，干建華

1中國石油川慶鉆探公司鉆采工程技術(shù)研究院 2國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心 3中國石油川慶鉆探公司頁巖氣項目經(jīng)理部 4中國石油天然氣股份公司西南油氣田分公司勘探事業(yè)部

0 引言

頁巖氣井生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測可為頁巖氣開發(fā)措施的制定提供科學(xué)依據(jù),是保障頁巖氣效益開發(fā)的有效手段之一。目前我國頁巖氣井的生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)主要通過生產(chǎn)測井和試井作業(yè)等獲取,即在井口通過電纜把監(jiān)測儀器下到產(chǎn)層,錄取一段時間的生產(chǎn)動態(tài)信息,通過電纜把數(shù)據(jù)傳到地面,待作業(yè)結(jié)束后,再將監(jiān)測儀器隨電纜一起取出井筒。其存在以下不足之處:第一,包括測井車、防噴設(shè)備等在內(nèi)的井口裝備復(fù)雜,操作難度大,且風(fēng)險高，同時還影響頁巖氣井正常生產(chǎn);第二,頁巖氣井多采用水平井開發(fā)，由于井斜較大,監(jiān)測儀器隨電纜下入的深度受限,難以到達產(chǎn)層位置,獲取數(shù)據(jù)與真實產(chǎn)層數(shù)據(jù)有差異;第三,生產(chǎn)測井或試井作業(yè)為間斷性開展，如半年一次,而且每次作業(yè)時間有限，如5 d左右,獲取數(shù)據(jù)為靜態(tài)的、不連續(xù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量少，不能了解井下動態(tài)全貌;第四,隨著頁巖氣大量開發(fā)，未來頁巖氣井越來越多,數(shù)以千計的頁巖氣井,生產(chǎn)測井工作量巨大,難以口口井兼顧[1-8]。因此，亟需開發(fā)一套可在產(chǎn)層位置長期持續(xù)監(jiān)測、智能的生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體框架

掌握頁巖氣井下生產(chǎn)動態(tài)，其實質(zhì)是對氣井在生產(chǎn)過程中井下壓力、溫度、產(chǎn)量、產(chǎn)出流體理化性質(zhì)以及工程參數(shù)的獲取。為滿足數(shù)字/智慧油氣田建設(shè)需要，克服傳統(tǒng)生產(chǎn)測井或鋼絲下壓力計試井的缺點，實現(xiàn)對油氣井全生命周期井下生產(chǎn)動態(tài)的全程掌握，設(shè)計一種頁巖氣生產(chǎn)動態(tài)井下無線監(jiān)測系統(tǒng)。其采用“井下數(shù)據(jù)無線采集”+“井口物聯(lián)網(wǎng)終端”+“基地數(shù)據(jù)中心”三位一體的模式；監(jiān)測數(shù)據(jù)包含井下溫度、壓力、流量、含水率等數(shù)據(jù)；實現(xiàn)井下異常報警、單井生產(chǎn)制度優(yōu)化及油氣藏動態(tài)管理。如圖1所示，井下數(shù)據(jù)無線采集工具安裝在油管上，隨油管下入到頁巖氣產(chǎn)層，采集工具內(nèi)部的傳感器獲取頁巖氣生產(chǎn)過程的近產(chǎn)層動態(tài)信息，然后再由采集工具上的信號發(fā)射模塊以電磁波的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛妗?/p>

圖1 頁巖氣井下動態(tài)監(jiān)測技術(shù)框架圖

井口物聯(lián)網(wǎng)終端首先接收井下信號并解調(diào)出數(shù)據(jù)，然后通過物聯(lián)網(wǎng)回傳到基地數(shù)據(jù)中心，支撐工程師開展油氣藏模型實時、快速、精細優(yōu)化，從而制定最佳的生產(chǎn)制度，延長氣井生命周期，提高采收率。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井下信號傳輸

頁巖氣井井下電磁波傳輸涉及“油管—套管—井筒液體—地層”等復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境。首先信號發(fā)射位置的金屬套管屏閉效應(yīng)會導(dǎo)致電磁波發(fā)射效率大幅降低[9-11]，采用“油管—發(fā)射器—套管”構(gòu)成似穩(wěn)恒震蕩復(fù)合天線，信號電流在套管上產(chǎn)生極化現(xiàn)象，從而實現(xiàn)信號穿透套管在管外向地層輻射，見圖2。

圖2 電磁極化信號穿透套管示意圖

另外從井下到地面不同深度地層的阻抗非均勻性(10～108Ω·m)，會使得電磁波信號在不同地層界面?zhèn)鬏敃r發(fā)生反射和散射，衰減嚴重，如圖3所示。

圖3 信號在不同地層界面散射衰減模擬圖

模擬了泥頁巖、灰?guī)r石和碳酸酸鹽之間的界面信號衰減率在10～15%左右，通過建立阻抗反饋信號發(fā)射機制，監(jiān)測發(fā)射端的電流來評估地層綜合阻抗，動態(tài)調(diào)整發(fā)射功率，保證信號傳輸距離內(nèi)穩(wěn)定可靠。

2.2 地面信號接收

頁巖氣井場由于周邊有較多用電設(shè)備，地面電磁噪聲來源多、頻譜復(fù)雜[12-14]，強度可達井下上傳信號的1 000倍，信噪比1∶1 000。通過實時錄取井場背景噪聲頻譜特性，在頻域中搜索工頻諧波的干擾成分，利用參數(shù)估計方法重構(gòu)電磁噪聲時域信號，如圖4所示，基于時域特征值實現(xiàn)對噪聲“點對點”的精準過濾，過濾后信噪比從1∶1 000提升到1∶1以上，實現(xiàn)了在井場復(fù)雜電磁噪聲環(huán)境下可對井下傳輸上來的信號有效識別。

圖4 地面信號濾波獲取模式示意圖

3 系統(tǒng)參數(shù)

威遠地區(qū)頁巖氣生產(chǎn)井多數(shù)井的A點在井深3 500 m以內(nèi)，地層壓力小于70 MPa，地層溫度小于150 ℃，單井氣產(chǎn)量在15×104m3/d以內(nèi)，產(chǎn)水量在150 m3/d以內(nèi)，單井連續(xù)生產(chǎn)時間一般在3年左右。根據(jù)生產(chǎn)井情況，設(shè)計了頁巖氣生產(chǎn)動態(tài)井下無線監(jiān)測系統(tǒng)的控制參數(shù)，如表1所示。井筒套管外徑139.7 mm、套管內(nèi)徑114.3 mm、油管外徑60.32 mm、油管內(nèi)徑50.66 mm，為了監(jiān)測工具能正常下入井筒且不影響油氣正常生產(chǎn)，工具內(nèi)徑采用全通徑設(shè)計，一方面工具能夠滿足井下監(jiān)測環(huán)境條件，另一方面監(jiān)測工具能夠進入水平段一段距離，直接獲取產(chǎn)層的生產(chǎn)動態(tài)信息。監(jiān)測工具的尺寸結(jié)構(gòu)，如圖5、表2所示，同時，地面解調(diào)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)終端采用太陽能供電設(shè)計，增強環(huán)境適應(yīng)性。

表2 發(fā)射器工具尺寸表

圖5 井下發(fā)射器、地面信號接收天線及物聯(lián)網(wǎng)終端實物圖

表1 系統(tǒng)參數(shù)

由于監(jiān)測周期一般在3年以上，系統(tǒng)可靠性挑戰(zhàn)大，主要表現(xiàn)為井下電子元器件、傳感器老化；氣井生產(chǎn)管柱長期持續(xù)振動可能導(dǎo)致井下工具儀器松動；井下高壓、地層水(Cl-含量20 000 mg/L)腐蝕介質(zhì)，井下工具密封保證長時間可靠難度大。為了提高可靠性，按軍工標準GJB 4057—2000《軍用電子設(shè)備印制電路板設(shè)計要求》優(yōu)選電子元器件和實施電路封裝，電路板耐溫等級高于環(huán)境溫度一個等級，同時關(guān)鍵元器件多路備份；井下天線零部件優(yōu)選抗腐蝕合金718，主要密封件優(yōu)選HNBR橡膠，在密封形式上設(shè)計多重組合密封[15]，開展了整機抗震試驗評估。

4 現(xiàn)場試驗

威遠頁巖氣田是國家級頁巖氣示范區(qū)，目前已開發(fā)近十年。當前很多井進入生產(chǎn)中后期，為提高單井產(chǎn)能，今后重點工作之一是優(yōu)化合理的單井生產(chǎn)制度，延長單井壽命；另外優(yōu)化布局新井，提高整個氣藏的開發(fā)效益。而核心是對單井和整個氣藏的后期生命周期井下生產(chǎn)動態(tài)的全程掌握，為此在威204H36-6井和威202H22-7井開展現(xiàn)場試驗。

4.1 威204H36-6井

自上而下管串結(jié)構(gòu)：油補距+油管掛+?60.3 mm油管(N80E)+扶正器+?60.3 mm油管(N80E)+扶正器+信號發(fā)射器(2 250 m左右)+扶正器+?60.3 mm油管(N80E)+扶正器+?60.3 mm油管(N80E)+破裂盤+篩管+引鞋,長度為2 870 m左右;工具下入深度2 250 m，位于直井段。

自2021年3月27日以來，頁巖氣井下動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在威204H36-6井實時監(jiān)測井下溫度、壓力數(shù)據(jù)，截至目前連續(xù)監(jiān)測1年，期間根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)共開展3次控壓調(diào)整井口生產(chǎn)制度，如圖6所示，明顯減緩了地層能量衰減速度，延長了氣井生命周期，根據(jù)氣藏模型預(yù)測，可提高采收率2%～3%。

圖6 威204H36-6井控壓調(diào)產(chǎn)曲線

4.2 威202H22-7井

自上而下管串結(jié)構(gòu)：油補距+油管掛+?60.3 mm油管(N80E)+扶正器+?60.3 mm油管(N80E)+扶正器+信號發(fā)射器(2 750 m左右)+扶正器+?60.3 mm油管(N80E)+扶正器+?60.3 mm油管(N80E)+破裂盤+篩管+引鞋，長度為3 200 m左右;工具下入深度2 750 m，探入水平段420 m。

自2022年1月以來，頁巖氣井下動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在威202H22-7井實時監(jiān)測井下溫度、壓力、含水率數(shù)據(jù)，在連續(xù)監(jiān)測2個多月后發(fā)現(xiàn)水平段含水率突然上升，甚至高達100%。經(jīng)過現(xiàn)場核實，為鄰井威22H21-7井大型壓裂施工所致，本井被壓竄，大量壓井液進入井筒，從側(cè)面證實動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)成功識別壓裂壓竄?，F(xiàn)場根據(jù)井下含水率監(jiān)測情況，制定了排水采氣作業(yè)方案，調(diào)整井口采氣速度，以排出井下壓裂液，防止氣井被淹死,見圖7。

圖7 威202H22-7井被鄰井壓竄預(yù)警與排液指導(dǎo)

5 結(jié)論

(1)通過搭建“井下數(shù)據(jù)采集”—“井筒信號無線遠傳”—“信號地面接收解碼”—“物聯(lián)網(wǎng)遠程連接”的技術(shù)架構(gòu)，突破頁巖氣生產(chǎn)井筒環(huán)境下電磁波信號發(fā)射、傳輸和地面接收難題，實現(xiàn)“井下—地面”信息實時溝通，使頁巖氣井下生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測具有實時性、便捷性及智能性。

(2)監(jiān)測系統(tǒng)可實時獲取儲層段井筒內(nèi)的壓力、溫度、流量、含水率等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)水淹、管柱損壞等井下異常動態(tài)的報警，為生產(chǎn)動態(tài)實時分析、調(diào)整井口生產(chǎn)制度、優(yōu)化作業(yè)工序等提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐，指導(dǎo)頁巖氣井合理開采，以提高儲層采收率。

(3)后期將持續(xù)對系統(tǒng)進行升級迭代，由“單點監(jiān)測”升級為“分布式監(jiān)測”，有利于全面掌握井下各段精細產(chǎn)出情況。有望在未來大區(qū)塊多氣井同時管理時，實現(xiàn)智慧型頁巖氣田管理模式。