油气井联网智能开采井身结构设计及研究

□ 文/戚丽丽 王展旭

为提高开发页岩、致密或低渗透油气藏微纳孔隙介质储层的采收率，基于“井联网”智能增产技术，设计油气井身结构，研究智能开采工艺技术。通过研究油气“井联网”条件下的智能开采井身结构，设计了井下实时计量、监测和调控油气产层温度、压力、产量和声波的光纤传感器安置方法和井身结构，以实现井下油气产层生产数据的实时传输。在此基础上，研究智能开采工艺生产技术，用3D数字仿真再现这种生产工艺，实现虚拟增强现实数字可视化。认为用油气“井联网”智能开采技术，能够动态监测井间剩余油，达到智能增产和提高采收率的目的。

井联网；智能开采；智能井身结构；数字可视化

作为页岩油气三大增产技术之一的智能开采技术，包括智能井身结构的光纤传感器安置完井设计、生产动态远程实时测控和井间剩余油智能实时动态数值模拟这三项技术。

1997年，北海油田实现了世界上第一口智能完井系统（SCRAMS）。1999年，美国贝克休斯石油公司完成了液压智能井系统（InForce TM）商业化生产，并于2000年下半年将其全电子智能井系统（InCharge FM）推向市场。目前，各类电力智能井系统、电力-液压智能井系统及光纤-液压智能井系统已经广泛地成功应用，为提高油藏采收率提供了一条崭新的途径。

中国智能完井技术研究起步较晚。近年来，中国石油的辽河、长庆、吐哈油田和中国石化胜利油田及中国海油都积极开展智能完井系统研究，在井下间隔分布安装温度、压力和流量等传感器，实现智能完井技术方案。

2012年，本文课题组在参与美国鹰潭页岩油的区块开发和丹佛Niobrar页岩油气田区块水平井加密调整期间，与美国德克萨斯大学石油工程学院和德州理工大学的教授一起，在共同探讨研究油气井智能开采技术的同时，提出“井联网”智能远程监控井间剩余油的动态数值模拟技术，通过智能井身结构设计，将该技术初步应用于丹佛页岩油某区块的水平井加密调整方案优化研究获得成功。回国后，在深化相关研究成果的基础上，于2016年10月申报“一种油气井联网研究井间剩余油方法及智能开采井身结构设计”发明专利（申请号201610862040.6），目前该专利处于公示状态。

基于“井联网”的智能开采工艺和井身结构设计

（一）油气井联网智能开采技术的生产动态数据实时采集和分析系统

微纳孔隙结构的页岩油气储层，具有“低孔、低渗、无自然产能”的开发特征，需要通过水平井和压裂工艺进行增产后投入开采，稳产和提高采收率技术是可持续高效开发页岩油气藏的关键。为实现可持续高效开发页岩油气藏的目的，对井下产层生产动态数据的调控、传输和分析提出了智能开采的要求。

美国丹佛页岩油的智能开采，威德福石油公司设计了一个生产数据计量控制向井下转移的智能井系统，通过互联网技术实现广域地区的井间生产动态分析和网络管理。通过利用放置在井下的永久性光纤传感器，实时采集产层的井下压力、温度和流量参数,通过通信线缆将采集的信号传输到地面,利用软件平台对采集的数据进行挖掘、分析和学习,同时结合油藏数值模拟技术和优化技术,形成油藏经营管理的决策信息,并通过控制系统实时反馈到井下对油层进行远程生产遥控。智能井系统的主要构成和用途如图1所示。

图1 智能井系统的生产动态数据采集分析系统

图2 井联网智能开采井身结构设计图

（二）智能开采井身结构设计

为实现油藏广域地区的生产动态实时分析和智能远程调控，需要将生产动态数据采集传感器安装在井下产层处，实现油气井联网网络管理，即“井联网”。通过在井下安装温度、流量、压力和声波传感器，井口采油树安装无线网络路由器和数据压缩打包传输设备，将井下传感器采集到的产层流量、温度、压力和声波等数据，进行数据压缩打包后传递到指定的数据解压和分析场所，以实现“井联网”后的油气井网络化智能管理和远程监控，实现油气藏智能数字化管理。

智能开采井身结构包括井下和井口两个部分，井下井身结构设计见图2。在油气井完井作业时，各类传感器按照完井设计位置，需用专用卡扣安装固定在技术套（油）管外。智能井工作时，将利用4个传感器分别实现对井下声波、温度、压力和油气产量数据进行实时采集、传输、监测和远程测控。所采集的数据通过油（套）管外光纤传感器传输到井口，井口压缩打包后，通过无线网络路由器将数据传输到指定的分析中心。

图3 丹佛页岩油块水平井加密调整采油完井系统的滑套装置设计图

图4 水平井智能开采工艺仿真模拟3D数字可视化

另外，实现控制井下产层井眼流量的装置是智能滑套系统。该滑套系统是安装在油管上的2个简单的外套筒，滑套工作的基本机械原理是，上部的电动套筒滑过流体流动区域以实现节流，而下部由弹簧驱动的套筒保护底部的盘根。

该型外套筒结构设计的特点：只需要两套密封垫，并且在整个移动过程中密封垫被完全地保护；可移动的部件边沿由碳化钨材料制成，能够承受长期的磨损；可移动套筒中安装有一组滚珠，以减少移动过程中的摩擦阻力。

图3是课题组在2012年为丹佛某页岩油区块水平井加密调整所做的采油完井系统滑套装置工作原理设计图。有了智能滑套和光纤流量传感器，既能实现产量数据的实时传输和分析，也能远程控制产层的流量大小，调控井间剩余油前缘动态的变化，防止暴突式指进现象，以实现提高采收率的智能开采目的。

井口采油树需要技术改造，加装对井下生产数据的接收、压缩打包和无线路由传输设备，设备的动力由太阳能电池板提供。这样可以将采集到的井下产层生产数据，通过井口采油树将数据压缩打包后发送到指定的数据分析中心，实现油气井的智能化数字管理。

智能开采工艺3D数字仿真可视化

为了展现油气井联网的智能开采工艺，用3D数字化虚拟增强现实技术，仿真模拟一口页岩油气水平井智能开采工艺过程，进行3D可视化仿真再现研究。

通过计算机3D数字化仿真（图4）模拟，研究结果认为智能开采工艺能够实现油气井井下生产数据的实时采集、传输、分析和远程监控，同时也对数值模拟提出了生产动态模拟和实时调控的技术研究要求。

结论与认识

基于井联网的智能开采技术，研究智能完井系统，为实现井下产层数据的实时采集、传输、接受和分析，通过设计井下永久光纤传感器的分布和安装及智能滑套流量控制设备，用增产虚拟现实技术研究了智能开采工艺，并且用3D数字可视化再现该工艺的生产过程。研究结果如下：

实现井联网智能开采技术的基础是智能完井系统，即把地面井口生产数据的采集转移到井下，实现对井下产层生产数据实时采集和分析。

压裂改造后的页岩油气微纳孔隙介质储层，需要智能完井系统，进行开发研究评价井间剩余油。

通过研究基于井联网的智能开采技术，能够实现远程调控井下产层的流量，进行智能化管理经营油藏，可以实现大幅度地提高油气藏采收率。因此，研究页岩油气三大增产技术之一的智能开采技术，对今后我国页岩油气开发的稳产和提高采收率具有现实意义。

To improve the recovery ef ficiency of developing shale and tight or low permeability petroleum reservoir micro / nano-porous media, based on“well networking” intelligent production technology, oil and gas well body structural designs, and by studying of smart drilling technology. By studying the intelligent design of the oil and gas well structure under condition of“well networking”, an optical f ber sensor placement method can be designed to measure, monitor, and control the temperature, pressure, output, and acoustic waves under the shaft, to fulf ll real-time transmission of the gas production data in the well. On this basis, study on mining technology and production technology , using 3D digital simulation reproducing such production technology, virtual augmented reality digital visualization. Intelligently designed oil and gas "well networking" mining technology could be used to dynamically monitor the residual oil in wells, to increase production control and increasing oil recovery.

well networking; intelligent design; intelligent well structure; digital visualization

作者单位： 青岛科技大学