智能采油井身结构设计与生产动态监测技术.docx

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智能采油井身结构设计与生产动态监测技术

智能采油井身结构设计与生产动态监测技术

摘要：

一口油井在经过钻井、测井和完井等复杂的作业后，接下来面临的难题就是实现高质量的、稳定的采油作业。

在采油过程中，通过对井下产油层温度、压力和流量三相数据的采集，经地面智能专家系统软件分析、处理，驱动井下滑套装置调节产油层的流量，这被称为采油“智能完井系统”（ICS）。

智能完井系统是带有井下传感器，并能实时采集有关数据的遥测与控制系统.可允许操作人员从地面实时地对单井多层段油、气生产或对多分支井中单分支井眼的油、气生产进行监测和控制，最大限度地减少油气井生产期间的修井次数，保持有效的开采速度，获得较高的油气采收率，降低油气生产成本.该系统可以通过控制油层的流动特性来恢复油层能量，延迟地层水侵入采油层段，增加油、气产量.该系统特别适用于调整井和修理费用高或复杂环境下的油井，如海上油井、深水油井、多分支井、水平延仲井、直井、远距离操作的油井等。

关键词：

采油智能完井系统；试井；电子压力计；滑套

1引言

1.1系统简介

“智能完井系统”（ICS）是近年来国外在采油领域新兴的一项技术，并得到迅速的推广。

目前该技术己经发展到相当先进的水平，它使用电子式一体化集成传感器或光纤传感器，来完成井下数据采集，通过地面智能专家系统软件的分析、处理，驱动井下水力式操作阀或滑套实现油井各油层段的生产控制。

迄今为止，国外己成功应用于油气工业的永置式井下传感器系统包括:

压力、温度计;分布式感温系统（DTS）;单相及多相流量计;地震检波器（站）。

在国内该技术现阶段仅停留在对井下产油层压力、温度和流量等数据的采集、处理和分析层面。

现阶段，油田在开采中经常不得不面对这样一个问题，油井尚未达到应有的开采程度就大量出水，从而被迫将油井关闭;或者为了继续开采石油，只有动用修井设备，进行找水、堵水等费时费力的修井作业。

采油完井系统的应用，通过对井下多个油层的压力、温度和流量等参数的监控，可以随时了解井下各产油层的情况，关闭那些己不出油而仅仅出水的层段，保证产油的层段继续出油，有效地减少了层间干扰，延长了油井的使用寿命。

例如，中石油在印尼的一口两个产油层出水，通过对监测数据的分析确定上产油层出水，而下产油层为优质油层，通过对油井的远程监控，驱动可移动滑套装置关闭上产油层，全部打开下产油层生产。

当监测到上产油层油液重新积聚时，打开上产油层滑套，恢复上产油层生产。

这样就可以实现多分枝油井中每一分枝的最优产能选配，优化多层段油、气从主干井眼产出的比例。

1.2实现意义

采油完井系统的应用，可以实现一口井多层段油、气生产的监测和控制，甚至区域内多油井的远程、集中的遥控生产;将减少油井生产期间频繁地起拔油管作业，最大限度地节省油井的采油维修工作量，在获得较高的油层油气集收率的同时，保护了油层。

1.3国内外应用前景

采油完井技术是将微电了技术、传感器技术、自动控制技术与石油工业完井技术有机结合的结果，是近年来国际石油完井技术中最值得关注的一项高新技术。

日前国际上智能完井的应用占到10%～15%，并在以30%的速度增长。

目前，国内各方己逐步重视此项技术的应用价值，中石油集团公司提出的石油重大装备技术国产化“十二五”日标，目的是使石油勘探开发达到20世纪90年代末的国际水平，采油完井系统作为井下油水分离设备提出，其中电子压力计等被列入重点发展的石油机械设备、工具。

现阶段中石油正在做引进国外该领域技术、设备的工作，准备在新疆的彩南油田建立一个油田示范区，为今后在全国范围内推广该技术。

2国内外发展现状

2.1国外发展的情况

从上世纪50年代以来，国外就开始从能记录井下最高压力的一只简单的玻登管压力计着手，开始了井下试井设备的研发。

采用压力计测量井下压力、温度，井下的累计工作时间己达到360h～480h，工作温度达到1500℃～3700℃;采用连续式或集流式流量计完成井下流量的测量。

近二十年来，随着电了技术、计算机技术、智能传感器的飞速发展，国外己经从简单的压力传感器发展到一体化集成的电子式传感器以及光纤传感器;井下滑套装置的应用，标志着试井进入到智能完井试井时代。

在90年代后期至本世纪初，BakerHughes,Schlumberger,ABB,Roxor等几家国际化的大公司都在测量和井下控制相结合，以及元件一体化的完井系统设备的开发方面作了大量的卓有成效的工作。

2.2国内技术现状

在国内，清华大学与华北油田合作研制SG-工、SG-II型试井工具，能够实现对井下产油层的压力、温度等参数的监控，从而获得地层和流体的各种特性参数，可以分析出地层油气的储藏量、储藏分布以及其他一些有助于油气开发的重要信息。

该系统在华北油田、渤海油田取得较好的应用效果。

但SG-工、SG-II型等试井工具目前尚不具备滑套控制井眼开关的功能。

3研制系统的方案设计

通过对目前国内外同类技术的调研，用于井下多个油层的压力、温度和流量等参数的监控以及采油流量控制的采油完井滑套系统，根据系统的安装形式、探测器测试位置以及传输方式的不同，可选用的设计方案有以下二种:

外挂存储式完井系统、交互式完井系统和电缆悬挂直读式完井系统。

在下将以安装在5.5英寸油管的完井系统为例分别对三种方案进行论证和分析对比，确定最终研制方案。

3.1外挂存储式完井系统

1计算机系统;2地而数据处理器;3卷扬机;4滑套驱动装置;5单芯电缆;6地层;7油管;8井下测试阀:

9油层:

10滑套装置:

11封隔器:

12操作工具和探测器

图1外抖存储式完井系统的工作示意图

外挂存储式完井系统工作示意图如图1所示。

完井系统工具载体连同井下测试工具串，由钻杆或油杆携带入井下待测层段，实现较长时间的井下操作。

图1中，井下操作工具和探测器（序号12）结构及组成:

工具载体、井下测试阀、高精度探测器、非接触式油气井测试信号变送器、定位装置，见图2。

1单芯电缆;2定位装置;3,8非接触式油气井测试信号变送器;4电池组;5高精度探测器;6井下测试阀;7工具载体

图2操作工具和探测器结构及组成

3.1.1工作流程

图2中操作工具载体和探测器，由钻杆或油管携带下入油井待测层段，在封隔器座封后，实现较长时间的井下体眠/工作。

在打开油井前后的任意时刻，下入电缆设备串并在井下实现定位、对接。

操作工具载体上的高精度电了压力计可从测试阀下方探测到任意时刻待测地层的压力、温度等数据信号，将它们存储在大容量的存储单元，并通过操作工具载体上的非接触式油气井测试信号变送器，耦合到电缆设备串上，再将信号传送到地面信号处理器，最终由计算机系统对这些数据做出评价，并驱动井下滑套装置完成流量的控制。

3.1.2技术性能指标

1.工具载体：

外径:

136.5mm;内径:

50mm;工作压力:

70MPa。

2.电了压力、温度传感器压力精度:

全量程的士0.1%;温度分辨率:

0.10℃。

3.非接触式油气井测试信号变送器工作温度:

125℃;工作电流:

48mA;工作压力70MPa。

4.电池容量:

5Ah;电池电压15VDC。

3.2交互式完井系统

地而数据处理器;2单芯电缆;3工具载体;4非接触式信号发射器;5电子线路;6电缆悬挂汽读式探测器;7电子压力计;8电池组;9接收器

图3交互式完井系统组成的工作示意图

如图3所示，交互式完井系统是在外挂存储式完井系统的基础上增加可以实时读取数据的电缆悬挂直读式完井系统。

这是由于外挂存储式完井系统使用自带电源（一般是高温电池，其容量有限），这样限制了使用时间和周期;另一方面，由于外挂存储式完井系统采集大量的数据信息，占用相当多的存储内存，造成许多无用信息的存储和上传，明显地延长了试井周期;再次，探测器和电子线路很难实现高温环境下长时间工作。

因此外挂存储式完井系统只用于关键点数据的测试中。

例如，在电缆悬挂直读式完井系统测试完毕，测试阀在完井后期关闭，这时采用外挂电了压力计测量环空压力，更能够真实地反映产油层的温度和压力。

3.3电缆悬挂直读式完井系统

电缆悬挂直读式完井系统方案采用直读式信号传输方式，即在完井后的油井中，将装有由“温度、压力传感器及其后处理电路组成的电了压力计，和流量传感器”的操作工具用单芯钢丝电缆放入井下待测试层段，将传感器测试的井下油层的压力、温度和流量等信号转换成电信号，经放大、V/F转换，再由同一根单芯电缆传送到地面数据处理器及地面计算机系统，处理这些测试数据。

系统由电子压力计（含有压力传感器和温度传感器及其系统微电子集成电路）、流量传感器、滑套装置、接口电路及其地面数据处理器和单芯电缆等组成。

综合考察国内外试井、完井工具的技术和应用现状，我们认为交互式完井最终将在国内油田完井测试领域占主导地位。

现阶段，本项目主要完成电缆悬挂直读式完井系统（探测器电缆悬挂式试井系统以及滑套装置）的研究、论证，并对非接触式油气井测试信号变送器的工作原理及其机构、电路设计进行阐述。

4研制系统的关键技术及解决策略

电缆悬挂直读式完井系统的主要技术指标如下:

4.1系统技术指标

a）工作环境:

该系统在油气井测试环境条件下正常工作，它必然受到湿度、高温及高压等环境因素的强烈影响:

温度:

125℃;

压力:

10000psi（68947kPa）;

介质:

微酸性液体

b）电了压力计的精度:

电了压力计测量的压力和温度两个信号，要求有较高的测量精度，指标具体如下:

压力范围:

0～10000psi（68947kPa）;温度范围:

0～125℃;分辨率:

士0.5℃。

c）集流式流量计

测量范围是1000bb1/d～4000bb1/d（相当于6000L/h），粘度的变化范围:

1～60mPa.S。

d）实现单芯电缆的信号传输方式

在油气井测试中，使用的缆绳均为单芯电缆，工作长度平均在5km左右，而要传输的信号中包含有压力、温度和流量三个独立的信号。

4.2系统研制的关键技术

本项日在研制过程中需要解决的几项关键技术:

a）在高温、高压环境下正常工作的传感器、电子元器件及其壳体耐压密封设计;

b）压力、温度和流量等传感器的设计;

c）系统电源供电与测试数据传输及其微电子处理技术;

d）自动控制的开关滑套设备。

4.3系统关键技术的研究

4.3.1电子压力计的设计

由压力传感器和温度传感器及其系统微电子集成电路组成的电子压力计，是整个完井系统的核心部件，其精度与可靠性直接制约着整个完井的结果。

其温度传感器的工作原理见图4所示。

目前经性能指标比对和应用调研，加拿大Enercorp公司的铂电阻Pt100型有较好的井下应用，如图5所示，为铂电阻温度传感器。

该产品采用色度铂镍线，测量范围-70℃～+5000℃（B级）。

图4温度传感器工作原理

图5Enercorp公司Pt100型铂电阻温度传感器

压力传感器是采用溅射工艺制成的溅射薄膜压力传感器，经性能指标比对以及油田应用调研，国内该类型压力传感器仅上海威太克仪表有限公司的产品可实现井下应用。

溅射薄膜电阻式压力传感器，它的应变电阻附着力强，蠕变小，稳定性好，消除了老式粘贴应变片式传感器的弊端。

经调研，目前国外较为普遍地采用成熟的器件集成化封装工艺，将温度、压力传感器及其电路处理部分装入直径35mm的内简中，按高温、高压标准密封制成一体化的电子式传感器。

该探测器组件可以实现敏感元件在125℃时达到千分之。

的综合精度，达到系统实用化的总体精度要求，探测器组件的结构形式如图6所示。

图6探测器组件结构示意图

该探测器组件的原理:

探测器组件采用溅射工艺将薄膜压力传感器做成应变电阻电桥，同时将测温热电阻封装于内;在其前端设有导压孔，可以将高压油（气）导入而作用到弹性薄膜上，并输出测试信号至传感器电路。

工作流程:

当外界压力液体（气体）进入进油孔，通过筛网的过