隋先富,邱 浩,張 甫,周 超,王雋妍

(中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京 100028)

0 引 言

由于初期投資低、人員作業(yè)需求少、減少了人員在惡劣海況下的作業(yè)風(fēng)險等優(yōu)點(diǎn),近年來,無人平臺技術(shù)在海上油田開發(fā)中的應(yīng)用逐漸引起了業(yè)界的關(guān)注[1、 2]。然而,由于無人值守平臺通常沒有修井機(jī),沒有生活配套設(shè)施,給后期的修井作業(yè)、生產(chǎn)維護(hù)也帶來了很多問題。另外,設(shè)備可靠性、數(shù)據(jù)安全、通信技術(shù)等也是海上油田開發(fā)應(yīng)用仍面臨的一些技術(shù)挑戰(zhàn)。本文旨在全面分析海上油田開發(fā)無人平臺技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,總結(jié)應(yīng)用的主要技術(shù)及特點(diǎn),分析存在的問題并提出對策。本研究將為海上油田開發(fā)無人平臺技術(shù)的進(jìn)一步研究與應(yīng)用提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 海上油田無人平臺技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來,無人平臺技術(shù)在海上油田開發(fā)領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)展,許多國家和地區(qū)的石油公司都在積極研究和應(yīng)用無人平臺技術(shù),并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。技術(shù)主要涉及人工舉升工藝、智能完井、修井工藝、無人監(jiān)測與維護(hù)、自動化生產(chǎn)過程、遠(yuǎn)程操作等方面。

1.1 人工舉升技術(shù)

1. 雙電潛泵技術(shù)

美國斯倫貝謝公司在2005年推出了雙電潛泵智能化采油系統(tǒng)[3]。它是在一口油井中安裝2套電潛泵,并且安裝了壓力、溫度、振動等多個傳感元件,采用變頻器調(diào)速。井下傳感器的信號通過光纜傳輸?shù)降孛?經(jīng)過智能化系統(tǒng)控制變頻器調(diào)整電潛泵的產(chǎn)量。其主要目的是延長電潛泵在油井中的工作壽命,減少安裝費(fèi)用。并且,根據(jù)井況變化調(diào)節(jié)電潛泵的產(chǎn)量,充分開發(fā)油藏的產(chǎn)能?？紤]到在整個采油期間油藏條件的變化,2臺電潛泵具有不同的結(jié)構(gòu),組合設(shè)計和安裝時考慮到了2臺泵的轉(zhuǎn)換操作。安裝有24h實時監(jiān)控裝置(溫度、壓力和振動等參數(shù))和優(yōu)化現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)的儀表。由于雙電潛泵顯著增加了檢泵周期,減少了修井需求,因此,在無人平臺開發(fā)的油田中得到了廣泛應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 雙電潛泵管柱圖

2. 鋼絲投撈電潛泵技術(shù)

鋼絲投撈電泵系統(tǒng)主體部分分為電泵機(jī)組和外筒兩部分[4]。在完井或大修作業(yè)時,外筒利用修井機(jī)下入,電泵機(jī)組通過鋼絲作業(yè)下入。管柱基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。鋼絲投撈電泵系統(tǒng)為油管內(nèi)容納潛油電泵機(jī)械結(jié)構(gòu),濕接頭外筒與大直徑油管外的電纜相連接,濕接頭內(nèi)筒連接在電泵機(jī)組最下部。鋼絲作業(yè)投送電泵機(jī)組到位時,濕接頭內(nèi)筒和外筒插接相連,地面的電力通過大直徑油管外的電纜傳輸至電泵機(jī)組,進(jìn)而實現(xiàn)井液的傳遞。為了保證鋼絲投撈電泵系統(tǒng)在井下正常工作,還設(shè)計了懸掛系統(tǒng),實現(xiàn)濕接頭內(nèi)筒的懸掛與密封;設(shè)計了伸縮補(bǔ)償系統(tǒng),屏蔽電泵運(yùn)轉(zhuǎn)振動對濕接頭的影響。濕接頭系統(tǒng)包括觸發(fā)機(jī)構(gòu),保證100%插入,防止誤操作。由于該技術(shù)無法加裝分離器,鋼絲投撈電泵一般要求含氣量小于30%;受鋼絲下入限制,作業(yè)時要求井斜角不超過75°。另外,生產(chǎn)過程中還應(yīng)嚴(yán)格控制出砂。

圖2 鋼絲投撈電泵示意圖

3. 電纜投撈電潛泵技術(shù)

纜式投撈電泵技術(shù)可以用電纜或鋼絲將電泵機(jī)組順著油管內(nèi)下入[5],通過電潛泵機(jī)組和生產(chǎn)油管上的濕接頭內(nèi)筒及外筒與電纜互連,傳輸?shù)孛娴碾娏χ岭姖摫脵C(jī)組,實現(xiàn)井筒液體的傳遞,如圖3所示。由于其特殊結(jié)構(gòu),電纜投撈技術(shù)一般適應(yīng)產(chǎn)液量不超過300m3/d,泵掛深度不超過1500m,吸入口氣液比不超過10%。

圖3 電纜投撈管柱圖

4. 連續(xù)油管投撈電泵技術(shù)

與常規(guī)的油管攜帶電潛泵不同,連續(xù)油管投撈[6]技術(shù)采用連續(xù)油管,攜帶電泵下入或者起出,節(jié)省了逐根鏈接油管作業(yè)的工序;電纜內(nèi)嵌在連續(xù)油管內(nèi),降低了電纜損壞風(fēng)險,提升了作業(yè)效率,如圖4所示。目前,該技術(shù)已經(jīng)在綏中36-1油田成功進(jìn)行了試驗。連續(xù)油管投撈技術(shù)下泵深度不宜超過2000m,泵入口溫度不超過80℃,溫度過高對管材要求較高,會大幅提高作業(yè)成本。

圖4 連續(xù)油管投撈管柱圖

1.2 智能完井技術(shù)

完整的智能完井系統(tǒng)包括井下流量控制單元、生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)傳輸單元,以及地面數(shù)據(jù)采集、處理及生產(chǎn)優(yōu)化管理單元4部分。通過井下安裝油氣生產(chǎn)信息的永置性傳感器,實時采集傳輸井下壓力、溫度、流量等參數(shù),基于數(shù)據(jù)分析形成油藏管理決策信息,并反饋到井下對生產(chǎn)動態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實時控制的生產(chǎn)系統(tǒng),如圖5所示。

圖5 智能完井管柱示意圖

1. 智能分采技術(shù)

壓控式智能分采[7]工藝管柱結(jié)構(gòu)如圖6所示,包括上部生產(chǎn)管柱和丟手分層管柱。其中,生產(chǎn)管柱為常規(guī)潛油電泵合采管柱,丟手分層管柱從上至下依次連接丟手工具、定位密封裝置、多級壓控配產(chǎn)器、多級插入密封裝置和導(dǎo)向絲堵。每一層位分別安裝1套壓控配產(chǎn)器,層位數(shù)決定著所需下入壓控配產(chǎn)器的數(shù)量。壓控配產(chǎn)器作為核心部件,具有獨(dú)立的采油通道和酸化通道,可實現(xiàn)地面遠(yuǎn)程壓力波遙控分層采油和定點(diǎn)注酸。丟手工具可根據(jù)實際井況(如井深和井斜)選擇不同類型丟手方式,包括機(jī)械丟手和液壓丟手。機(jī)械丟手通過旋轉(zhuǎn)管柱方式實現(xiàn)丟手,液壓丟手可通過投球加壓或井口液壓式實現(xiàn)丟手。不同層位間的封隔與密封通過定位密封裝置和插入密封裝置實現(xiàn)。導(dǎo)向絲堵安裝于丟手分層管柱的最底端,起導(dǎo)向作用。

圖6 智能分采管柱示意圖

2. 注水井一體化測調(diào)技術(shù)

在電纜永置智能測調(diào)分層注水技術(shù)[8～17]中,井下工藝管柱主要由智能測調(diào)工作筒、過電纜插入密封、井下鋼管電纜、過電纜定位密封、安全閥、滑套等組成,地面設(shè)備主要由地面控制器及控制計算機(jī)組成,如圖7所示。在空心集成分層注水技術(shù)等渤海油田常規(guī)分層注水技術(shù)中,工作筒與配水器各自獨(dú)立,調(diào)配時需通過鋼絲作業(yè)逐級投放、打撈配水器,并更換水嘴。電纜永置智能測調(diào)分層注水技術(shù)將工作筒與配水器合二為一,并將溫度、壓力、流量等測試單元集成于工作筒中,隨管柱一同下入井內(nèi),通過鋼管電纜與地面控制器相連;地面控制器再通過無線或電纜等方式與平臺中控室的控制計算機(jī)相連。采用電纜永置智能測調(diào)技術(shù)進(jìn)行測調(diào)時,僅需通過控制計算機(jī)發(fā)送所需命令,地面控制器便會進(jìn)行相應(yīng)的編碼、解碼,并通過井下鋼管電纜將信號傳至井下智能測調(diào)工作筒;智能測調(diào)工作筒接到命令后進(jìn)行相應(yīng)動作并反向返回數(shù)據(jù)信息,經(jīng)由地面控制器解碼后反饋至控制計算機(jī),實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能測調(diào)。

1.3 修井技術(shù)

1. 可搬遷修井機(jī)作業(yè)技術(shù)[18]

搬遷修井機(jī)作業(yè)方式在我國海上油氣田已經(jīng)有較好的應(yīng)用。各區(qū)塊鉆修機(jī)的驅(qū)動形式、滑軌跨距、作業(yè)能力等存在諸多不同。搬遷修井機(jī)修井需將待作業(yè)平臺與修井機(jī)資源匹配,修井機(jī)具的作業(yè)能力須滿足目標(biāo)井作業(yè)要求。另一方面,待搬遷修井機(jī)須與目標(biāo)平臺的動力系統(tǒng)一致,滑軌跨距盡可能與目標(biāo)平臺相同。否則,需改造修井機(jī)底座,工作量大,且會增加額外費(fèi)用,還有可能由于不滿足平臺穩(wěn)性校核而無法搬遷。

2. 液壓修井機(jī)作業(yè)技術(shù)

液壓修井機(jī)是一種可以搬遷式修井設(shè)備。早在1960年,液壓舉升裝置就在北美用于修井作業(yè)。目前,國內(nèi)湛江、上海以及海南均有作業(yè)案例。修井作業(yè)時,液壓舉升裝置主體部分在平臺上作業(yè),泥漿罐、泥漿泵、灌注泵等輔助系統(tǒng)布置在旁邊的支持船上。液壓修井機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝靈活的特點(diǎn),是無人平臺修井作業(yè)方式的一項重要手段。其主要缺點(diǎn)在于受天氣海況影響大,作業(yè)時效低,通常適用于6級風(fēng)以下的工況。

1.4 遠(yuǎn)程操作、監(jiān)測技術(shù)

遠(yuǎn)程操作技術(shù)通過先進(jìn)的通信技術(shù)和控制系統(tǒng),實現(xiàn)海上油田設(shè)備和作業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作,減少現(xiàn)場作業(yè)人員,降低人員安全風(fēng)險。例如,墾利6-1油田通過電潛泵、油嘴和安全閥等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控[19],通過配置智能采油系統(tǒng)對電泵井和注水井的實時工況進(jìn)行在線監(jiān)測,利用電氣設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)對電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)整合傳輸、集中顯示、監(jiān)測預(yù)警等。遠(yuǎn)程操作中心可以實現(xiàn)對海上油田的集中監(jiān)控和管理,提高作業(yè)效率和安全性。

1.5 無人監(jiān)測與維護(hù)技術(shù)

無人監(jiān)測與維護(hù)技術(shù)通過無人機(jī)、無人潛水器、智能機(jī)器人等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程巡檢、監(jiān)測和維護(hù),降低人員在惡劣海洋環(huán)境中的作業(yè)風(fēng)險,提高作業(yè)效率。尤其是無人巡檢機(jī)器人技術(shù)目前已經(jīng)非常成熟[20～25],在很多行業(yè)領(lǐng)域有了規(guī)模化應(yīng)用,未來這些無人設(shè)備將在海上油田的設(shè)備巡檢、環(huán)境監(jiān)測等方面發(fā)揮重要作用。

1.6 其他技術(shù)

海上油田開發(fā)是一項涉及多專業(yè)多學(xué)科的系統(tǒng)工程。除了前文提到的技術(shù),其他諸如無人平臺登臨技術(shù)、計量技術(shù)、通信技術(shù)、防腐技術(shù)、批量修井綜合評價技術(shù)、海管置換技術(shù)等,都是保障無人平臺高效開發(fā)重要組成部分[26～39]。

2 海上油田無人平臺技術(shù)發(fā)展趨勢

2.1 無人平臺集成與協(xié)同作業(yè)

隨著無人平臺技術(shù)的發(fā)展,未來將實現(xiàn)多種無人設(shè)備(如無人潛水器、無人船、無人機(jī)等)的集成與協(xié)同作業(yè),提高海上油田開發(fā)的效率和安全性。這種集成將充分發(fā)揮各類無人設(shè)備的優(yōu)勢,實現(xiàn)海上油田開發(fā)過程中的多任務(wù)處理和自主決策。

2.2 智能完井和人工智能技術(shù)的應(yīng)用

測壓、測試、調(diào)配、井下計量、井下工具控制是油氣井生產(chǎn)過程中的常見問題,因此,經(jīng)常需要人員登平臺作業(yè),尤其是動管柱作業(yè)還需要動用鉆井船。這些工作會帶來巨額的維護(hù)費(fèi)用。越來越多的智能完井工具的應(yīng)用將大大降低這些作業(yè)需求,進(jìn)而減少作業(yè)成本。

人工智能技術(shù)也將在無人平臺的海上油田開發(fā)中發(fā)揮更加重要的作用。引入大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù),可以實現(xiàn)海上油田開發(fā)過程中的數(shù)據(jù)智能分析和處理,提高生產(chǎn)效率和降低故障率。

2.3 無人值守海上油田生產(chǎn)系統(tǒng)

未來,無人平臺技術(shù)有望實現(xiàn)對海上油田生產(chǎn)系統(tǒng)的全程無人值守。通過完善遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動化控制和智能優(yōu)化算法等技術(shù),可以大幅降低海上油田開發(fā)的成本和安全風(fēng)險。

2.4 綠色環(huán)保技術(shù)的融合

隨著環(huán)保要求的提高,未來無人平臺技術(shù)將與綠色環(huán)保技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)海上油田開發(fā)過程中的低碳排放和環(huán)境友好。例如,采用清潔能源驅(qū)動的無人設(shè)備,減少海上油田開發(fā)對海洋環(huán)境的影響。

3 結(jié)論與建議

(1) 本文系統(tǒng)總結(jié)概括了當(dāng)前無人平臺開發(fā)過程中的主要技術(shù)及其特點(diǎn),為其他海上油田無人平臺開發(fā)提供了借鑒。

(2) 由于平臺無人駐守,如何減少平臺作業(yè)維護(hù)工作量是油田開發(fā)管理人員需要面對的關(guān)鍵問題。采用先進(jìn)技術(shù)減少修井工作量、減少油氣井人員作業(yè)需求是當(dāng)前需要考慮的關(guān)鍵問題,智能完井技術(shù)、人工智能管理技術(shù)、先進(jìn)的人工舉升技術(shù)和修井技術(shù)都是有益的參考。