海上油田無人平臺技術現狀與發展趨勢

隋先富,邱 浩,張 甫,周 超,王雋妍

(中海油研究總院有限責任公司,北京 100028)

0 引 言

由于初期投資低、人員作業需求少、減少了人員在惡劣海況下的作業風險等優點,近年來,無人平臺技術在海上油田開發中的應用逐漸引起了業界的關注[1、 2]。然而,由于無人值守平臺通常沒有修井機,沒有生活配套設施,給后期的修井作業、生產維護也帶來了很多問題。另外,設備可靠性、數據安全、通信技術等也是海上油田開發應用仍面臨的一些技術挑戰。本文旨在全面分析海上油田開發無人平臺技術的發展現狀,總結應用的主要技術及特點,分析存在的問題并提出對策。本研究將為海上油田開發無人平臺技術的進一步研究與應用提供理論依據和實踐指導。

1 海上油田無人平臺技術發展現狀

近年來,無人平臺技術在海上油田開發領域取得了顯著的進展,許多國家和地區的石油公司都在積極研究和應用無人平臺技術,并取得了顯著的經濟效益和社會效益。技術主要涉及人工舉升工藝、智能完井、修井工藝、無人監測與維護、自動化生產過程、遠程操作等方面。

1.1 人工舉升技術

1. 雙電潛泵技術

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[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,采用變頻器調速。井下傳感器的信號通過光纜傳輸到地面,經過智能化系統控制變頻器調整電潛泵的產量。其主要目的是延長電潛泵在油井中的工作壽命,減少安裝費用。并且,根據井況變化調節電潛泵的產量,充分開發油藏的產能。考慮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構,組合設計和安裝時考慮到了2臺泵的轉換操作。安裝有24h實時監控裝置(溫度、壓力和振動等參數)和優化現場技術服務的儀表。由于雙電潛泵顯著增加了檢泵周期,減少了修井需求,因此,在無人平臺開發的油田中得到了廣泛應用。其結構示意圖如圖1所示。

圖1 雙電潛泵管柱圖

2. 鋼絲投撈電潛泵技術

鋼絲投撈電泵系統主體部分分為電泵機組和外筒兩部分[4]。在完井或大修作業時,外筒利用修井機下入,電泵機組通過鋼絲作業下入。管柱基本結構如圖2所示。鋼絲投撈電泵系統為油管內容納潛油電泵機械結構,濕接頭外筒與大直徑油管外的電纜相連接,濕接頭內筒連接在電泵機組最下部。鋼絲作業投送電泵機組到位時,濕接頭內筒和外筒插接相連,地面的電力通過大直徑油管外的電纜傳輸至電泵機組,進而實現井液的傳遞。為了保證鋼絲投撈電泵系統在井下正常工作,還設計了懸掛系統,實現濕接頭內筒的懸掛與密封;設計了伸縮補償系統,屏蔽電泵運轉振動對濕接頭的影響。濕接頭系統包括觸發機構,保證100%插入,防止誤操作。由于該技術無法加裝分離器,鋼絲投撈電泵一般要求含氣量小于30%;受鋼絲下入限制,作業時要求井斜角不超過75°。另外,生產過程中還應嚴格控制出砂。

圖2 鋼絲投撈電泵示意圖

3. 電纜投撈電潛泵技術

纜式投撈電泵技術可以用電纜或鋼絲將電泵機組順著油管內下入[5],通過電潛泵機組和生產油管上的濕接頭內筒及外筒與電纜互連,傳輸地面的電力至電潛泵機組,實現井筒液體的傳遞,如圖3所示。由于其特殊結構,電纜投撈技術一般適應產液量不超過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. 連續油管投撈電泵技術

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

圖4 連續油管投撈管柱圖

1.2 智能完井技術

完整的智能完井系統包括井下流量控制單元、生產動態監測單元、數據傳輸單元,以及地面數據采集、處理及生產優化管理單元4部分。通過井下安裝油氣生產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,基于數據分析形成油藏管理決策信息,并反饋到井下對生產動態進行遠程實時控制的生產系統,如圖5所示。

圖5 智能完井管柱示意圖

1. 智能分采技術

壓控式智能分采[7]工藝管柱結構如圖6所示,包括上部生產管柱和丟手分層管柱。其中,生產管柱為常規潛油電泵合采管柱,丟手分層管柱從上至下依次連接丟手工具、定位密封裝置、多級壓控配產器、多級插入密封裝置和導向絲堵。每一層位分別安裝1套壓控配產器,層位數決定著所需下入壓控配產器的數量。壓控配產器作為核心部件,具有獨立的采油通道和酸化通道,可實現地面遠程壓力波遙控分層采油和定點注酸。丟手工具可根據實際井況(如井深和井斜)選擇不同類型丟手方式,包括機械丟手和液壓丟手。機械丟手通過旋轉管柱方式實現丟手,液壓丟手可通過投球加壓或井口液壓式實現丟手。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。導向絲堵安裝于丟手分層管柱的最底端,起導向作用。

圖6 智能分采管柱示意圖

2. 注水井一體化測調技術

在電纜永置智能測調分層注水技術[8～17]中,井下工藝管柱主要由智能測調工作筒、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,地面設備主要由地面控制器及控制計算機組成,如圖7所示。在空心集成分層注水技術等渤海油田常規分層注水技術中,工作筒與配水器各自獨立,調配時需通過鋼絲作業逐級投放、打撈配水器,并更換水嘴。電纜永置智能測調分層注水技術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,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相連。采用電纜永置智能測調技術進行測調時,僅需通過控制計算機發送所需命令,地面控制器便會進行相應的編碼、解碼,并通過井下鋼管電纜將信號傳至井下智能測調工作筒;智能測調工作筒接到命令后進行相應動作并反向返回數據信息,經由地面控制器解碼后反饋至控制計算機,實現遠程智能測調。

1.3 修井技術

1. 可搬遷修井機作業技術[18]

搬遷修井機作業方式在我國海上油氣田已經有較好的應用。各區塊鉆修機的驅動形式、滑軌跨距、作業能力等存在諸多不同。搬遷修井機修井需將待作業平臺與修井機資源匹配,修井機具的作業能力須滿足目標井作業要求。另一方面,待搬遷修井機須與目標平臺的動力系統一致,滑軌跨距盡可能與目標平臺相同。否則,需改造修井機底座,工作量大,且會增加額外費用,還有可能由于不滿足平臺穩性校核而無法搬遷。

2. 液壓修井機作業技術

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

1.4 遠程操作、監測技術

遠程操作技術通過先進的通信技術和控制系統,實現海上油田設備和作業的遠程監控和操作,減少現場作業人員,降低人員安全風險。例如,墾利6-1油田通過電潛泵、油嘴和安全閥等設備進行遠程操控[19],通過配置智能采油系統對電泵井和注水井的實時工況進行在線監測,利用電氣設備在線監測系統對電氣設備的數據整合傳輸、集中顯示、監測預警等。遠程操作中心可以實現對海上油田的集中監控和管理,提高作業效率和安全性。

1.5 無人監測與維護技術

無人監測與維護技術通過無人機、無人潛水器、智能機器人等設備進行遠程巡檢、監測和維護,降低人員在惡劣海洋環境中的作業風險,提高作業效率。尤其是無人巡檢機器人技術目前已經非常成熟[20～25],在很多行業領域有了規模化應用,未來這些無人設備將在海上油田的設備巡檢、環境監測等方面發揮重要作用。

1.6 其他技術

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

2 海上油田無人平臺技術發展趨勢

2.1 無人平臺集成與協同作業

隨著無人平臺技術的發展,未來將實現多種無人設備(如無人潛水器、無人船、無人機等)的集成與協同作業,提高海上油田開發的效率和安全性。這種集成將充分發揮各類無人設備的優勢,實現海上油田開發過程中的多任務處理和自主決策。

2.2 智能完井和人工智能技術的應用

測壓、測試、調配、井下計量、井下工具控制是油氣井生產過程中的常見問題,因此,經常需要人員登平臺作業,尤其是動管柱作業還需要動用鉆井船。這些工作會帶來巨額的維護費用。越來越多的智能完井工具的應用將大大降低這些作業需求,進而減少作業成本。

人工智能技術也將在無人平臺的海上油田開發中發揮更加重要的作用。引入大數據、機器學習等技術,可以實現海上油田開發過程中的數據智能分析和處理,提高生產效率和降低故障率。

2.3 無人值守海上油田生產系統

未來,無人平臺技術有望實現對海上油田生產系統的全程無人值守。通過完善遠程監控、自動化控制和智能優化算法等技術,可以大幅降低海上油田開發的成本和安全風險。

2.4 綠色環保技術的融合

隨著環保要求的提高,未來無人平臺技術將與綠色環保技術相結合,實現海上油田開發過程中的低碳排放和環境友好。例如,采用清潔能源驅動的無人設備,減少海上油田開發對海洋環境的影響。

3 結論與建議

(1) 本文系統總結概括了當前無人平臺開發過程中的主要技術及其特點,為其他海上油田無人平臺開發提供了借鑒。

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