油藏動態(tài)實(shí)時監(jiān)測與調(diào)控

張 凱,姚 軍,劉均榮,吳明錄,閆 霞

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島266555)

油藏動態(tài)實(shí)時監(jiān)測與調(diào)控

張 凱,姚 軍,劉均榮,吳明錄,閆 霞

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島266555)

油藏動態(tài)實(shí)時監(jiān)測與調(diào)控是智能化油田管理的核心內(nèi)容之一。該技術(shù)以節(jié)約生產(chǎn)成本、最大化油田經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo),將油藏實(shí)時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析解釋、油藏數(shù)值模擬、方案實(shí)時優(yōu)化與生產(chǎn)調(diào)控等多項(xiàng)技術(shù)集成一體,為制定油田生產(chǎn)預(yù)警、開發(fā)方案調(diào)整、增產(chǎn)增注等措施提供技術(shù)支撐與保障,具有廣闊的應(yīng)用前景。介紹了動態(tài)監(jiān)測與控制系統(tǒng)組成和現(xiàn)場應(yīng)用案例。

動態(tài)監(jiān)測;智能化管理;實(shí)時控制;應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,世界對石油的需求不斷增長,為了在節(jié)約生產(chǎn)成本的前提下盡可能多地采出地下原油,要求各大石油公司加強(qiáng)油田開發(fā)的監(jiān)測與管理,根據(jù)實(shí)際開發(fā)狀況,進(jìn)行有針對性的調(diào)控與處理,實(shí)現(xiàn)效益的最大化,油藏動態(tài)實(shí)時監(jiān)測與控制技術(shù)正是基于這樣的理念提出來的。

1 油藏動態(tài)監(jiān)測與控制技術(shù)概述

a) 該技術(shù)構(gòu)建了一個實(shí)時注采管理的框架,利用放置在井下的永久性傳感器,實(shí)時采集井下設(shè)備的工況以及生產(chǎn)層段的壓力、溫度、流量、含水等參數(shù),通過通信電纜/光纜將采集的信號傳輸?shù)降孛?對其數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、分析及處理,結(jié)合油藏數(shù)值模擬技術(shù)與最優(yōu)化調(diào)控理論,形成適用于當(dāng)前油田開發(fā)狀況下的調(diào)控方案與決策信息,再采用自動控制或者人工調(diào)控的方式將相應(yīng)的信息反饋至生產(chǎn)系統(tǒng),調(diào)控油水井生產(chǎn),提高油田的采收率[1-5]。

b) 該技術(shù)能夠?qū)⒂退畬娱g隔離、流量控制、機(jī)械采油、長時間監(jiān)測、出砂控制等多項(xiàng)功能安全可靠地結(jié)合起來,由地面實(shí)時地對單井多層段油氣生產(chǎn)或多分支井中單分支井眼的油氣生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)測和控制,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn),降低生產(chǎn)成本,改善油藏開發(fā)效果的目標(biāo)。

c) 該技術(shù)不僅適用于陸地油田生產(chǎn)開發(fā),在沙漠和海洋地區(qū)更是有著較好的應(yīng)用前景。

2 動態(tài)監(jiān)測與控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

油藏動態(tài)實(shí)時監(jiān)測與控制系統(tǒng)(如圖1～2)一般包括4個部分。

圖1 油藏動態(tài)實(shí)時監(jiān)測與控制系統(tǒng)

圖2 油藏動態(tài)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)示意

a) 井下信息監(jiān)測系統(tǒng) 主要由永久安裝在井下的、間隔分布于整個井筒中的井下溫度、壓力、流量、位移、時間等傳感器組構(gòu)成。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展,普通傳感器逐步被光纖傳感器替代。井下光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐高溫、精度高、靈敏度高、漂移小、壽命長、可靠性高等特性,在復(fù)雜的井下環(huán)境中具有更大的應(yīng)用優(yōu)勢。

在油氣井井下壓力/溫度監(jiān)測中經(jīng)常采用的光纖傳感器有光纖干涉型(M-Z、F-P)、拉曼散射型、側(cè)研磨光纖型、光纖布喇格光柵型等4種類型,其中,光纖布喇格光柵傳感器(FBGS)是近10 a來發(fā)展起來的新一代光纖傳感器,其測量信號不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗、探測器老化等因素的影響,在1根光纖中能夠串接多個、甚至數(shù)百個布喇格光柵進(jìn)行大范圍、大容量、遠(yuǎn)程分布式測量,適合大型工程多種參數(shù)的長期安全監(jiān)測,是實(shí)現(xiàn)井下壓力、溫度、流量等多參數(shù)、多點(diǎn)位實(shí)時監(jiān)測的最理想選擇[6]。

b) 井下生產(chǎn)控制系統(tǒng)(如圖3) 主要通過井下節(jié)流技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對層段或分支流量的控制,由井下封隔器、可遠(yuǎn)程調(diào)控油嘴、節(jié)流器、井下控制滑閥和安全閥等組成。系統(tǒng)可以采用液壓控制、電動控制或者液壓/電動控制,目前在石油工業(yè)安裝的大部分是液壓驅(qū)動流量控制裝置,該裝置作用力能達(dá)到300 kN,可在井下雙向驅(qū)動任何流量控制裝置,由于作用力大,在井筒結(jié)垢、腐蝕、摩阻增加的情況下更可靠。

c) 井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 井下數(shù)據(jù)的通信方式主要有電纜和光纖2種。將井下工具與地面計算機(jī)連接起來,可以實(shí)現(xiàn)在一條傳輸媒介上進(jìn)行多種數(shù)據(jù)信息的傳遞,最大限度地、有效地利用資源,即使是在井下有電潛泵的情況下,信號也不會受到影響。

圖3 井下生產(chǎn)控制系統(tǒng)構(gòu)成[7]

d) 地面系統(tǒng)(如圖4) 包括高性能計算機(jī)和分析數(shù)據(jù)用軟件,用于實(shí)時數(shù)據(jù)存儲、分析和處理,結(jié)合油藏工程方法、油藏數(shù)值模擬與預(yù)測方法、優(yōu)化方法等理論,得到有效可行的調(diào)控方案,再通過地面控制系統(tǒng)將信息實(shí)時反饋至井下,優(yōu)化生產(chǎn)。

圖4 地面及井下子系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 特點(diǎn)和優(yōu)勢

油藏動態(tài)實(shí)時監(jiān)測與控制技術(shù)將多項(xiàng)功能集成一體,與常規(guī)生產(chǎn)管理技術(shù)相比,技術(shù)優(yōu)勢突出。

a) 遠(yuǎn)程調(diào)控管理[8-9]通過地面系統(tǒng)能夠?qū)崟r管理井下各井、各個層位流入控制閥的大小,有選擇地開關(guān)某一油層,實(shí)現(xiàn)在不經(jīng)過措施調(diào)控對井身結(jié)構(gòu)的重配。由于實(shí)時監(jiān)測與控制系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程調(diào)控功能,特別適用于調(diào)整井和修井費(fèi)用高的環(huán)境,包括海下油井、深水油井、沙漠油井、遠(yuǎn)距離無人操作的油井等。

b) 動態(tài)實(shí)時監(jiān)測[10]對井下資料的長時間檢測具有較強(qiáng)的連續(xù)性和較高的測試精度。通過地面數(shù)據(jù)庫將測試數(shù)據(jù)(包括地震測試、壓力、溫度、流量、含水、粘度、組分等)進(jìn)行存儲,能夠用于長時間試井解釋及油藏動態(tài)模擬等技術(shù),減小不穩(wěn)定試井分析中的模糊性和不確定性,獲得更準(zhǔn)確的油藏模型,得到更多的關(guān)鍵信息。

c) 節(jié)約成本提高油田最終采收率[8-9,11]可以通過減少大量的井筒維修工作量,優(yōu)選采油方式和工作制度達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)成本的目的?？筛鶕?jù)開發(fā)過程中的實(shí)際情況,采用多層油藏按序生產(chǎn)、多層合采、開采隔層中的油環(huán)、恢復(fù)驅(qū)替過程、流動剖面控制、多分支井生產(chǎn)、井下測試、自動氣舉等多種生產(chǎn)方式,控制水或氣的錐進(jìn)現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)提高油田最終采收率。

由于具有上述特點(diǎn)與優(yōu)勢,國外許多技術(shù)服務(wù)公司和油公司如WellDynamics公司、Schlumberger公司、Baker Oil Tools公司、Weatherford公司、Halliburton公司、Roxar公司、Sensa公司等,都投入了大量資金進(jìn)行該技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。目前, WellDynamics公司、Schlumberger和 Baker Oil Tools公司的研究處于領(lǐng)先地位。

3 優(yōu)化調(diào)控理論

在監(jiān)測的基礎(chǔ)上,實(shí)時將最優(yōu)方案反饋至生產(chǎn)系統(tǒng),維護(hù)油藏開發(fā)處于最優(yōu)的狀態(tài),就需要完善油藏生產(chǎn)的優(yōu)化理論。常規(guī)方案的制定是通過油藏模擬來實(shí)現(xiàn)多次運(yùn)算,對不同開發(fā)方案的效果進(jìn)行預(yù)測和對比,找出相對更優(yōu)的調(diào)控方式。但在方案對比、預(yù)測和選擇的過程中,由于人為因素太多,所以基于實(shí)時監(jiān)測的基礎(chǔ)上,將油藏模擬與優(yōu)化控制理論相結(jié)合,提出了實(shí)時調(diào)控的優(yōu)化理論,用以獲取不同開發(fā)階段油藏的最優(yōu)開發(fā)方案,結(jié)合油藏動態(tài)監(jiān)測與控制系統(tǒng),方便快捷地對需要的油水井進(jìn)行調(diào)控。

自2005年以來,多家石油公司和高校開始開展生產(chǎn)優(yōu)化方面的研究,該項(xiàng)研究以油藏開發(fā)效益最大化為目標(biāo),通過優(yōu)化方法與油藏數(shù)值模擬相結(jié)合(如圖5),找出油水井的最優(yōu)調(diào)控模式,實(shí)現(xiàn)方案的動態(tài)調(diào)整,以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 油藏監(jiān)測與優(yōu)化調(diào)控

優(yōu)化調(diào)控理論的方法主要分為3類。

a) 經(jīng)驗(yàn)公式與優(yōu)化理論相結(jié)合的方法[12-15]該方法著眼于生產(chǎn)的短期優(yōu)化,利用便利的經(jīng)驗(yàn)公式實(shí)時、快速地獲取優(yōu)化后的開發(fā)方案,如油氣井開發(fā)指標(biāo)、新井井位、措施井措施優(yōu)選等。其優(yōu)點(diǎn)在于優(yōu)化結(jié)果具有一定的普遍性,高效快捷。但缺點(diǎn)也很明顯,即針對性差,不能考慮地層的非均質(zhì)特性和進(jìn)行細(xì)分層系優(yōu)化控制。

b) 梯度算法[16-19]工程問題優(yōu)化方法主要是以遺傳算法和模擬退火算法為代表的全局搜索算法和以最速下降法和牛頓迭代算法為代表的梯度算法。由于油藏生產(chǎn)動態(tài)實(shí)時優(yōu)化問題是一個大規(guī)模的最優(yōu)控制問題,必須以保障計算速度為前提,因此研究學(xué)者多采用梯度算法,將最優(yōu)化理論伴隨算法與油藏數(shù)值模擬相結(jié)合對生產(chǎn)優(yōu)化進(jìn)行研究,通過計算各井注采指標(biāo)的梯度和多次迭代計算,找出最優(yōu)調(diào)控方案,應(yīng)用于油田開發(fā)的動態(tài)調(diào)控,改善整體開發(fā)效果。但該方法計算復(fù)雜,仍有待于進(jìn)一步的簡化及研究。

c) 隨機(jī)動態(tài)預(yù)測算法[20-21]因?yàn)樘荻人惴ㄝ^為復(fù)雜,所以工程技術(shù)人員采用隨機(jī)優(yōu)化算法進(jìn)行簡化計算,如集合卡爾曼濾波、SPSA等方法,該算法相對梯度算法來說較為簡便,但速度問題仍是一個較大的難題。

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn),隨著現(xiàn)場自動化程度的提高,相應(yīng)的理論研究也隨之開展,通過理論與實(shí)際的結(jié)合,能夠有效地解決油田開發(fā)中遇到的問題,目前這些理論已在全世界多個油田開始試用,取得了很好的效果。

4 現(xiàn)場應(yīng)用案例

SACROC油田[22]位于美國西得克薩斯州境內(nèi)Permian盆地的西北邊緣,是北美第7大陸地油田。該油田Canyon Reef油層非均質(zhì)性強(qiáng),存在大量巖溶、孔洞和微裂縫,使得孔隙度和滲透率在橫向和垂向上均不連續(xù)。2005年,SACROC油田的注CO2強(qiáng)化采油項(xiàng)目對5口井進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測與控制先導(dǎo)性試驗(yàn),目的是驗(yàn)證井下流量控制閥能否限制或隔離產(chǎn)自采油井高滲透層的CO2,并調(diào)控注入的CO2在地層中的分布,以減少CO2在注入井和采油井之間的不必要循環(huán)和層間干擾,提高波及效率,增加采油量和提高最終采收率。

在高氣油比的3口采油井(SU X-12、SU X-13和SU X-8井)中安裝了實(shí)時監(jiān)測與調(diào)控系統(tǒng),對SU X-12井單個隔離層段進(jìn)行流動測試,將測試結(jié)果與歷史注入剖面測量結(jié)果比較,采用優(yōu)化調(diào)控理論進(jìn)行預(yù)測分析,確定了該井CO2已突破的層段,需要將其徹底關(guān)閉。通過地面遠(yuǎn)程操作,關(guān)閉了SU X-12井突破層段的井下控制閥。關(guān)閉突破層前的總采油量為5.247 m3/d,采氣量為5.38×104m3/d,CO2含量為93%。采取措施后,CO2采出量大幅度減少,有效地阻止了CO2的突破,采油量基本保持恒定,取得了較好的效果。該井網(wǎng)水/氣交替注入井周圍其他3口采油井(SU X-6、SU Z-7和SU A-5井)的采油量經(jīng)歷小幅度下降后逐步上升。采油量增加的原因就是通過阻止CO2向SU X-12井突破,提高了注入井的平面波及效率,改善了井網(wǎng)單元的整體開發(fā)效果。

5 結(jié)論與展望

1) 油藏動態(tài)實(shí)時監(jiān)測適合在復(fù)雜的井下環(huán)境中長期工作,光纖監(jiān)測技術(shù)由于光纖固有的優(yōu)勢,已逐步取代了傳統(tǒng)的電子式監(jiān)測,具有較好的應(yīng)用前景。

2) 多傳感器、多參數(shù)監(jiān)測將成為未來油藏動態(tài)監(jiān)測的主要發(fā)展方向。

3) 井下控制方式目前仍主要采用液壓控制方式,但電動控制方式的優(yōu)勢已逐步展現(xiàn),電動、液壓/電動控制方式也開始被油田廣泛使用。

4) 優(yōu)化調(diào)控理論已取得了一定的進(jìn)展,梯度算法是研究的熱點(diǎn),但距離實(shí)際推廣應(yīng)用仍存在許多問題,如計算速度、結(jié)果的精度等,有待進(jìn)一步地深入研究。

5) 油藏動態(tài)實(shí)時監(jiān)測與控制技術(shù)在一定程度上表明了油田的發(fā)展趨勢,但就國內(nèi)而言,目前無論是監(jiān)控設(shè)備,還是理論技術(shù),均處于一個較為滯后的階段,雖有多家公司與院所已開展了相關(guān)方面的研究,但距國外仍有不小的差距,有待進(jìn)一步提高并結(jié)合油田實(shí)際進(jìn)行廣泛的應(yīng)用研究。

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Dynamic Real-time Monitoring and Control of Reservoirs

ZHAN G Kai,YAO Jun,LIU Jun-rong,WU Ming-lu,YAN Xia
(College ofPetroleum Engineering,China University ofPetroleum(Huadong),Qingdao266555,China)

The first boom of research and application on enhanced oil recovery promotes the progress and development of EOR technologies in the 1980s.And then in the 21st century,intelligent oil field management has already launched a second boom of research and application on enhanced oil recovery technology.Dynamic real-time monitoring and control of reservoirs is just the one of the core elements of intelligent field management.The technology aiming at production cost savings and economic benefit maximization integrates several advanced technologies such as real-time reservoir monitoring,data analysis and interpretation,reservoir numerical simulation, real-time plan optimization and production control programs etc.It provides a strong technical support and guarantee for production early warning,development plan adjustment,stimulations and other measures design,and has broad application prospects.

dynamic monitoring;intelligent management;real-time control;application

1001-3482(2010)04-0004-05

TE938.2

A

2009-10-26

國家科技重大專項(xiàng)資助(2008ZX05024-004);中國石油大學(xué)(華東)自主創(chuàng)新科研計劃項(xiàng)目資助(09CX05007A);國家建設(shè)高水平大學(xué)公派留學(xué)生項(xiàng)目資助(2007104039)

張 凱(1980-),男,四川蓬安人,講師,博士,從事采油工藝及油氣田開發(fā)理論與優(yōu)化控制工程方面的研究,E-mail:reservoirs@163.com。