先进的储层控制系统实现了数字化海上作业和分析

By Kevin Robertson，Elias Garcia

数字化海上作业和分析依赖于部署井下完井技术，从而产生某种类型的液压作业。实施混合电力数字系统的逐步方法是全面接受所有电力解决方案以及改变整个油田完井基础设施的相关成本的关键。

通过部署能够产生大量数据的井下完井技术，数字化海上作业和分析成为可能。尽管数据对于了解储层特征和油田范围内的相互作用至关重要，但快速响应、管理和控制井下事件的能力对于最大限度地发挥数字化作业的效益至关重要。

智能完井演变

为了实现数字化和先进储层控制系统的好处，了解井筒监测和智能流量控制系统是如何开发的非常重要。下一节中介绍的信息侧重于随着时间的推移导致某些流量控制系统功能开发的特定行业需求。

通过这种方法，我们将解释这些技术中的一些是如何作为满足市场需求的最低可行产品的，以及趋势如何最终将系统演变为我们今天的选择。该时间表强调了智能完井技术的进步和发展，从监测技术及其目的开始，以提供更好的储层理解，最终实现与远程流量控制系统的更紧密集成，见图2。

井眼监测需要

在讨论用于智能完井的井下控制系统之前，必须讨论井下电子、遥测和传感器技术的进展。

电子设备。20世纪80年代，该行业开始在井下完井中使用电子设备。永久井下仪表可以提供实时数据，为储层团队提供长期生产洞察力。永久性井下压力计的最初挑战是传感器漂移和高温下的可靠性。鉴于PCB技术在高温下容易出现振动问题和分层，振动是另一个导致额外困难的因素。

由于此类监测技术，储层团队可以推断出跨层和跨井通信、提高采收率应用中的波及效率，或横向连接处的水突破，等等。在过去几年中，这些监测系统的可靠性和操作效率使服务公司能够突破压力和温度环境的限制，在这些环境中可以部署这些技术。

此外，低功耗是电子设计中需要考虑的最重要参数之一，尤其是在尝试集成永久监测和流量控制系统时。由于井下执行器或泵所控制的负载以及可以部署的控制间隔的深度和数量，功耗可能会影响驱动的流量控制阀的大小。此外，成功实现此类系统所需的功率也可能影响地面设备的尺寸和不动产，这对经济有实际影响，尤其是在海底应用中。

遥测。与井下组件通信有多种众所周知的遥测方案类型。遥测方案与稳健的数据集架构相结合，可以影响系统的总体限制。遥测方案的选择可能会影响系统推进功率和深度边界的能力、通信速度、发送多个数据集的能力，以及最终处理来自流量控制系统的耗电驱动的能力。

传感器。随着业界对电子技术的接受程度不断提高，从井下传感器收集的数据与推断的井下参数相比，为储层团队提供了更准确的见解。事实证明，压力和温度石英传感器技术对高温和高压非常有效，并且非常适合监测多区域完井和多边完井，以及标准完井。随着光纤技术的发展和部署，井下石英技术带来的数据生成突破性进展得到了加强，光纤技术能够在整个井筒内产生更大粒度的温度和声波传感点。

如果没有可靠的数据，就无法充分利用大数据，因此，选择正确的井下传感器或传感器组合，以及正确的电子和遥测方案，尤其是在集成到流量控制系统中时，这一点很重要。通过技术的正确组合，油藏和生产团队可以自信地依赖于每次完井产生的数据，这些数据最终可以输入数字生态系统进行完整的分析和模拟。

需要远程控制

随着对使用监测技术的储层的进一步了解，运营商开始寻找在不同井筒中优化生产或注入的方法。

滑动套筒。最初，钢丝绳移动滑套提供了控制生产或注入的方法。有线电缆部署的离岸成本以及此类系统选择性的低效率是一个挑战。不仅部署钢缆系统的成本很高，而且能够从表面转移到滑动套筒上的力也有限。

第一口智能井。为了应对传统滑套的挑战，最初开发了智能完井技术，以降低通过电缆作业移动滑套的经济和操作风险。对滑套“远程控制”的更多强调让位给了间隔控制阀（ICV）。

第一个电动液压系统提供了巨大的多功能性，但它们价格昂贵，并且存在早期井下电子设备的可靠性和温度缺陷。冗余通常用于克服这些早期系统的可靠性问题。系统利用PCB电子电路进行通信和连接不同区域，并具有完整线路和电子电路冗余，以确保系统能够成功运行10多年。此外，该系统还利用带位置传感器反馈的无限变量ICV进行精确分区控制。

井筒划分。随着提高采收率应用和其他完井设计中井筒划分变得更加标准化，有必要增加分层控制。随着钻井技术的进步和对最大储层接触的重视，操作员希望增加井筒控制，例如，平衡多个井段的生产或注入，或防止交叉流动。就其对整体井筒控制的重要性而言，智能完井提供了一种关键能力，可以影响流入和流出储层的流体，特别是在地质复杂的储层、结构复杂的油井或高级开采方案中。因此，智能井是智能油田的支柱。

区域控制。由于能够远程控制ICV，运营商开始要求更大的区域控制。具体而言，他们注意到，根据需要从表面调节生产或注射的能力可能有助于防止皮肤效应、产水或消除多个区域之间的交叉流动。阀门的流量系数（Cv）描述了阀门的气体或液体流过其流量调节开口的能力。如果需要非常有限的Cv曲线百分比，则无限可变ICV是有利的，但大多数应用可以通过精心设计的ICV流量配平的离散增量位置来满足。ICV的另一个重要方面是其在全开状态下保持全径生产或注入的能力。就区域控制和更大的储层管理影响而言，全井生产或注入可显著影响井筒控制储层事件的潜力。

需要数字油田整合和主动管理

今天，我们看到，数字油田集成和主动储层管理是高温井下电子技术进步的直接结果，也是永久性井下仪表遥测技术总体成功的直接结果。早期远程驱动液压和电液控制系统的成功，结合永久井下仪表遥测，提供了强大的技术，可以加快储层控制系统的响应、可靠性和与其他数字油田技术的接口，同时提供了控制更多区域的机会。

高级储液罐控制系统类型。目前有三大类储层控制系统：1）液压；2） 电动液压；和3）所有电气系统。这些系统可以被视为智能完井的初始蓝图，运营商的基础设施可能决定要部署的系统类型。此外，这些油藏控制系统可细分为外部和内部高级油藏控制系统。以下各节重点介绍了这些控制系统中的每一个，并强调了它们成为先进储层控制系统的能力和局限性。

液压系统。液压油箱控制系统被广泛认为是远程驱动方面最简单的控制系统，迄今为止，它是部署的最常见的控制系统类型。就高级储层控制系统而言，液压控制系统被认为是非固有的，因为它们无法传输井下数据。它们是独立的系统，需要一个辅助和独立的监控系统来获得更高级的见解。

这些系统的控制方案各不相同，但最常见的是N+1控制线配置，其中N是受控区域的数量。总的来说，液压系统有一个固有的缺点，即必须等待控制管路加压，这反过来又会在ICV的活塞区域内产生一个力，从而引起位移。虽然这种固有的设计特征在产生大量活塞力方面是稳健的，但不利的是驱动此类系统所需的时间。根据操作人员的基础设施和悬挂器上的馈通端口数量，操作人员可以利用液压井下控制系统完成作业，且区域控制量最小。为了使这些系统成为外部先进的储层控制系统，必须部署额外的井下监测系统，以提供必要的储层生产或注入反馈。

电动液压系统。第一个电动液压系统结合了井下监测传感器、位置传感器和井下阀门致动器，可通过遥测通信协议从地面选择性接合。这种提前开发的电动液压系统今天已经被鉴定为一种固有的先进储层控制系统。

在当今高温电子产品开发之前，油田中经常会看到冗余，以提高可靠性，特别是当设备预计使用10年或更长时间时。考虑到电子设备在高温下的可靠性在1997年大大低于今天，设计工程师决定增加系统中组件的数量，基本上将两个系统打包为一个：一个主系统和一个备用系统。系统组件的增加导致系统总成本增加，从而阻碍了系统的采用。

为了减少整个系统的部件数量和成本，开发了一种简单的电液外部系统，其中由一组无源电气部件提供高级储层控制。这些电气组件不使用遥测技术，而是使用多路传输方案来连接沿多个井筒区域分布的不同ICV。外部电液控制系统使用两条液压管路进行ICV运动，一条电气管路用于ICV选择性。

所有这三条管线都连接到一个地面控制单元，该单元能够提供选择完井中部署的每一辆ICV所需的液压和电流。更高的电子可靠性从根本上消除了对冗余电子设备的需求，根据项目预算和目标，将冗余作为升级功能予以考虑。与所有液压系统相比，本机电动液压系统的响应速度更快，鉴于它们与包容性监测系统共享遥测数据，本机电液压系统可用于实施高级储层控制工作流程。

所有电气系统都是先进控制系统发展的下一步。这些系统是固有的先进储层系统，因为它们已经具有遥测功能，可在全电力架构中的多个设备之间共享。电机效率和性能的最新发展使该技术能够产生与所有液压系统相当的高作用力。通过一条用于指挥和控制多个区域的电力TEC线路，这些系统可提供压力和温度方面的储层反馈，以及通过遥测其地面设备的集成位置传感、虚拟流量测量和整体系统诊断数据。

部署所有电气技术时需要考虑的一个重要方面是系统保持全井生产或注入流量的能力。虽然引入更快的系统响应很重要，但ICV设计造成的流量限制会影响资产的整体潜力。ICV设计不限制流量，当与全电动基础设施结合时，可提供精确的阀门定位、全径生产/注入以及所有电动系统提供的驱动速度。另一个优势是他们能够与其他类似系统集成。在这种智能完井中，ICV和仪表不仅会相互作用，还可以与电动安全阀和其他全电动完井技术相互作用。部署兼容的全电力系统的最终好处是可以简化脐带电缆，并减少海上应用的总体资本支出。

虽然与固有的先进储层系统相比，在操作上更难部署，但现实情况是，外部系统已经成功部署了20多年。通过适当的设计、流程和规划，外部系统可以成功部署，同时可靠地提供必要的井筒监测和控制，以主动管理储层，见图3。操作员必须考虑井筒和现场基础设施、必要的储层控制程度（主动与被动）和系统成本。

内部高级储层控制系统评估。混合动力电动系统还可以实现主动和近瞬时优化的监控能力。通常，这些系统可以监测和控制至少有三个贯穿件的10个以上区域。另一个重要特征是能够与井下仪表和其他电气外围组件（如位置传感器）集成通信。事实上，通过使用油管和环空压力计设置，这些电液系统可以提供多相虚拟流量计量，以估算分区贡献，如图4所示。

为了进行有效的储层管理和ICV性能评估，需要对准确的分区流量估算进行彻底分析。这些可以通过针对PLT测量、实时井下压力和地面测量使用节点分析模型来实现，以优化油井性能。每次ICV阀内件位置发生变化或油井条件随时间发生变化时，都需要确定油井的分区产量分割。

基于系统选择的数字化

显示了完全集成的电液系统的初步测试和结果，该系统能够为更多的控制区提供遥测、诊断，并与永久井下仪表集成。下一代电液控制系统模块依赖于使用当前的液压ICV技术和ASIC混合电路技术进行通信。仿真表明，该系统可以通过与永久性井下仪表共享的通用遥测协议，提供来自ICV定位的实时反馈。考虑到ICV流量调整设计，并使用油管和环空井下压力和温度数据，可以实施自动化工作流程，以快速准确地调整ICV在电液系统上的定位。

结论

迄今为止，已经对这两种类型的固有系统进行了广泛的测试。在这两种类型中，全电动系统被视为行业的长期解决方案。总的来说，全电力数字化的概念为数字油田可能走向何方提供了乌托邦式的观点，但在实践中，通过实施混合电力数字系统的逐步方法是全面接受所有电力系统的关键。在多个行业中，电气化部件也得到了长期认可。

电液系统的成功和可靠性将对油田所有电气系统的大众接受起到重要作用。虽然未来的完善取决于电力系统，但数字化并不一定要等到这些系统成为主流。电动液压系统是所有电气系统中的一个很好的部分，使操作员有机会利用一些现有基础设施，同时受益于数字油田推动的优化。（小晨编译）