頁巖氣生產動態井下無線監測系統研制與應用

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研究院 2國家能源高含硫氣藏開采研發中心 3中國石油川慶鉆探公司頁巖氣項目經理部 4中國石油天然氣股份公司西南油氣田分公司勘探事業部

0 引言

頁巖氣井生產動態監測可為頁巖氣開發措施的制定提供科學依據,是保障頁巖氣效益開發的有效手段之一。目前我國頁巖氣井的生產動態數據主要通過生產測井和試井作業等獲取,即在井口通過電纜把監測儀器下到產層,錄取一段時間的生產動態信息,通過電纜把數據傳到地面,待作業結束后,再將監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、防噴設備等在內的井口裝備復雜,操作難度大,且風險高，同時還影響頁巖氣井正常生產;第二,頁巖氣井多采用水平井開發，由于井斜較大,監測儀器隨電纜下入的深度受限,難以到達產層位置,獲取數據與真實產層數據有差異;第三,生產測井或試井作業為間斷性開展，如半年一次,而且每次作業時間有限，如5 d左右,獲取數據為靜態的、不連續數據，數據量少，不能了解井下動態全貌;第四,隨著頁巖氣大量開發，未來頁巖氣井越來越多,數以千計的頁巖氣井,生產測井工作量巨大,難以口口井兼顧[1-8]。因此，亟需開發一套可在產層位置長期持續監測、智能的生產動態監測系統。

1 系統總體框架

掌握頁巖氣井下生產動態，其實質是對氣井在生產過程中井下壓力、溫度、產量、產出流體理化性質以及工程參數的獲取。為滿足數字/智慧油氣田建設需要，克服傳統生產測井或鋼絲下壓力計試井的缺點，實現對油氣井全生命周期井下生產動態的全程掌握，設計一種頁巖氣生產動態井下無線監測系統。其采用“井下數據無線采集”+“井口物聯網終端”+“基地數據中心”三位一體的模式；監測數據包含井下溫度、壓力、流量、含水率等數據；實現井下異常報警、單井生產制度優化及油氣藏動態管理。如圖1所示，井下數據無線采集工具安裝在油管上，隨油管下入到頁巖氣產層，采集工具內部的傳感器獲取頁巖氣生產過程的近產層動態信息，然后再由采集工具上的信號發射模塊以電磁波的方式將數據傳輸到地面。

圖1 頁巖氣井下動態監測技術框架圖

井口物聯網終端首先接收井下信號并解調出數據，然后通過物聯網回傳到基地數據中心，支撐工程師開展油氣藏模型實時、快速、精細優化，從而制定最佳的生產制度，延長氣井生命周期，提高采收率。

2 關鍵技術

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”等復雜介質環境。首先信號發射位置的金屬套管屏閉效應會導致電磁波發射效率大幅降低[9-11]，采用“油管—發射器—套管”構成似穩恒震蕩復合天線，信號電流在套管上產生極化現象，從而實現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傳輸時發生反射和散射，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、灰巖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射機制，監測發射端的電流來評估地層綜合阻抗，動態調整發射功率，保證信號傳輸距離內穩定可靠。

2.2 地面信號接收

頁巖氣井場由于周邊有較多用電設備，地面電磁噪聲來源多、頻譜復雜[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，利用參數估計方法重構電磁噪聲時域信號，如圖4所示，基于時域特征值實現對噪聲“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，實現了在井場復雜電磁噪聲環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 系統參數

威遠地區頁巖氣生產井多數井的A點在井深3 500 m以內，地層壓力小于70 MPa，地層溫度小于150 ℃，單井氣產量在15×104m3/d以內，產水量在150 m3/d以內，單井連續生產時間一般在3年左右。根據生產井情況，設計了頁巖氣生產動態井下無線監測系統的控制參數，如表1所示。井筒套管外徑139.7 mm、套管內徑114.3 mm、油管外徑60.32 mm、油管內徑50.66 mm，為了監測工具能正常下入井筒且不影響油氣正常生產，工具內徑采用全通徑設計，一方面工具能夠滿足井下監測環境條件，另一方面監測工具能夠進入水平段一段距離，直接獲取產層的生產動態信息。監測工具的尺寸結構，如圖5、表2所示，同時，地面解調設備和物聯網終端采用太陽能供電設計，增強環境適應性。

表2 發射器工具尺寸表

圖5 井下發射器、地面信號接收天線及物聯網終端實物圖

表1 系統參數

由于監測周期一般在3年以上，系統可靠性挑戰大，主要表現為井下電子元器件、傳感器老化；氣井生產管柱長期持續振動可能導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，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《軍用電子設備印制電路板設計要求》優選電子元器件和實施電路封裝，電路板耐溫等級高于環境溫度一個等級，同時關鍵元器件多路備份；井下天線零部件優選抗腐蝕合金718，主要密封件優選HNBR橡膠，在密封形式上設計多重組合密封[15]，開展了整機抗震試驗評估。

4 現場試驗

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

4.1 威204H36-6井

自上而下管串結構：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，頁巖氣井下動態監測系統在威204H36-6井實時監測井下溫度、壓力數據，截至目前連續監測1年，期間根據監測數據共開展3次控壓調整井口生產制度，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，根據氣藏模型預測，可提高采收率2%～3%。

圖6 威204H36-6井控壓調產曲線

4.2 威202H22-7井

自上而下管串結構：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，頁巖氣井下動態監測系統在威202H22-7井實時監測井下溫度、壓力、含水率數據，在連續監測2個多月后發現水平段含水率突然上升，甚至高達100%。經過現場核實，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，從側面證實動態監測系統成功識別壓裂壓竄。現場根據井下含水率監測情況，制定了排水采氣作業方案，調整井口采氣速度，以排出井下壓裂液，防止氣井被淹死,見圖7。

圖7 威202H22-7井被鄰井壓竄預警與排液指導

5 結論

(1)通過搭建“井下數據采集”—“井筒信號無線遠傳”—“信號地面接收解碼”—“物聯網遠程連接”的技術架構，突破頁巖氣生產井筒環境下電磁波信號發射、傳輸和地面接收難題，實現“井下—地面”信息實時溝通，使頁巖氣井下生產動態監測具有實時性、便捷性及智能性。

(2)監測系統可實時獲取儲層段井筒內的壓力、溫度、流量、含水率等生產數據，可實現水淹、管柱損壞等井下異常動態的報警，為生產動態實時分析、調整井口生產制度、優化作業工序等提供科學數據支撐，指導頁巖氣井合理開采，以提高儲層采收率。

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