
海上作業與分析數字化依賴的是部署一些能夠產生某種液壓操作的井下完井技術。一種通過實施混合電動數字系統的漸進式方法,是全面接受全電動方案以及與改變整個油田完井基礎設施相關成本的關鍵所在。
通過部署能夠產生大量數據的井下完井技術,可以實現海上作業與分析的數字化。盡管這些數據對于了解油藏特征和油田范圍內各構造之間的相互作用至關重要,但快速響應、管理和控制井下事件的能力對數字化運營的最大化效益則更為重要。
通過整合多個來源的井下數據,以最小的控制線貫穿件,提供對井眼的快速管控,先進的油藏控制系統有助于最大限度地發揮數字化運營的優勢。雖然智能完井的未來確實會嚴重依賴電氣技術而非液壓技術,但如今,利用井下監測系統和強大的數字生態系統,無論采用何種先進的油藏控制系統,石油公司或運營商們都能從利用多層次的數字化中獲得受益。上圖為具有集成遙測與監測架構的電動液壓系統。
數字化油田的整合的必要性
今天,我們看到,數字化油田的整合和主動的油藏管理是井下高溫電子設備進步與發展、以及其在永久性井下測量遙測方面取得整體成功的直接表現。早期遠程驅動的液壓和電動液壓控制系統、以及永久性井下測量遙測技術的成功表現,提供了強大的技術支持,這些技術可加快油藏控制系統的響應,提高系統的可靠性,以及提供與其它數字油田技術的接口,同時還能提供控制更多地層的機會。
先進油藏控制系統的種類。目前油藏控制系統主要有三大類:1)液壓;2)電動液壓;3)全電動系統。這些系統可被視為智能完井的起始藍圖,運營商的基礎設施可以確定所要部署的系統類型。此外,這些油藏控制系統可以細分為外在和內在的先進油藏控制系統。下面對這些控制系統的每一種類型做一個闡述,重點介紹一下它們成為先進油藏控制系統的能力和局限性。
液壓系統。液壓式油藏控制系統被廣泛認為是遠程驅動技術最簡單的一種,迄今為止,它一直是最常見的一種控制系統。就先進的油藏控制系統而言,液壓控制系統被認為是外在的,因為它們無法傳輸井下數據。它們是獨立的系統,需要一個輔助和獨立的監測系統來獲得更深入的領悟。
這些系統的控制方法各不相同,但最常見的是N+1控制線配置,其中N是受控地層的數量??傮w而言,液壓系統有其固有的缺點,也就是必須等待控制管路加壓,這反過來又會在間隔控制閥的活塞截面上發出一個力以促使換擋。雖然這種固有的設計特性在產生巨大的活塞力方面是搶進有力的,但其造成的損害在于驅動此類系統所需的時間。根據運營商的基礎設施和懸掛器處導引口的數量,運營商可以利用液壓式井下控制系統,以最少的地層控制數量實施完井。為了使這些系統成為外在的先進油藏控制系統,必須采用額外的點對點的井下監測系統,以提供必要的油藏生產或注入回饋。
電動液壓系統。第一個電動液壓系統結合了井下監測傳感器,位置傳感器和井下閥門驅動器,井下閥門驅動器可以通過遙測通信協議從地面選擇性地對閥門進行驅動與調節。這種電動液壓系統是超前開發的,這樣的系統今天已被認證為是一種內在的先進油藏控制系統。
在今天的高溫電子器件開發出來之前,油田開發中常會看到采用器件冗余的方法來提高電子設備的可靠性,特別是當希望設備能使用10年或更長時間時??紤]到1997年那時的電子器件在高溫環境下的可靠性明顯低于今天的電子器件,從事設計的工程師們決定通過將兩個系統打包成一個系統來增加系統中組件的數量:一個主系統和一個備用系統。這種系統組件的增加導致了系統的總成本也隨之增加,從而阻礙了系統的采用。
為了減少整個系統的組件數量和成本,開發了一種簡單的電動液壓外在系統,其中先進的油藏控制系統由一組無源的電氣組件提供。這些電氣組件不使用遙測技術,而是采用多路復用的方案來接合分布在多個井筒區域的不同間隔控制閥。外在的電動液壓控制系統使用兩條液壓管路對間隔控制閥的動作進行控制,并且使用一條配電線路對間隔控制閥進行控制。

圖2
所有這三條線路都連接到一個地面控制裝置,當完井作業部署有間隔控制閥時,該裝置能夠提供選擇每一個間隔控制閥所需的液壓和電流。電子設備的高可靠性基本上消除了對冗余電子組件的需求,根據項目預算和目標,將冗余作為升級功能予以考慮。與全液壓系統相比,內在的電動液壓系統受益于更快的響應速度,而且鑒于它們與包容性監測系統共享遙測數據,因此,內在的電動液壓系統可用于實施先進的油藏控制工作流程。
所有的電氣系統都是先進控制系統發展的下一步。這些系統就是內在的先進油藏控制系統,因為它們已經具有了在全電動架構中多個設備之間共享的遙測數據。最近在電動機效率和功率方面的進展已使得該技術能夠產生較大的能力,可以與全液壓系統相媲美。這些系統通過一條單一的電熱轉換管路來指揮和控制多個地層,提供壓力和溫度方面的儲層反饋,以及通過遙測到其地面設備的方式,提供完整的位置傳感、虛擬流量測量和整體的系統診斷數據。
部署全電動技術時需要考慮的一個重要方面是系統保持全孔徑生產或注入流量的能力。雖然引入更快的系統響應很重要,但由于間隔控制閥設計導致的流量限制可能會影響一臺設備的整體潛力。當與全電動設施結合使用時,間隔控制閥的設計不再限制流量,可提供精準的閥門定位、全孔徑生產或注入,以及全電動系統提供的驅動速度等優點。另一個優點是全電動系統能整合到其他類似的系統中。這樣的智能完井系統,間隔控制閥和儀表不僅可以相互作用,還可與電動安全閥和其它全電動完井技術進行互動。部署兼容的全電動系統,最終的好處是它能簡化中樞電纜,可以降低海上應用的整體資本支出。
雖然與內在的先進油藏控制系統相比,外在的系統在操作上更難部署,但現實情況是,外在的油藏控制系統已成功使用了20多年。通過適當級別的設計、工藝和規劃,可以成功部署外部的油藏控制系統,同時也能可靠地提供必要的井眼監測和控制,目的是主動管理油藏,見圖2(油藏控制系統的類型和特點)
。 運營商必須考慮井筒和油田基礎設施、必要的油藏控制等級(主動與被動控制)以及系統的成本。
基于系統選擇的數字化
一個完全集成的電動液壓系統初步的測試和結果顯示,該系統能夠為越來越多的受控地層提供遙測、診斷、以及與永久性井下測量儀的整合。下一代電動液壓控制系統組件依靠目前的液壓間隔控制閥技術和ASIC(Application Specific Integrated Circuit特定應用集成電路)混合電路技術進行通信。模擬顯示,該系統可通過一個與永久性井下測量儀共享的通用遙測協議,提供間隔控制閥定位的實時反饋??紤]到間隔控制閥流量調整設計,以及利用油管和井下環空壓力和溫度數據,可以實現自動化的工作流程,以快速準確的方式調整電動液壓系統間隔控制閥的定位。
迄今為止,已經對這兩種類型的內在系統進行了廣泛的測試。在這兩種類型中,全電動系統被視為是該行業長期的解決方案。一般來說,全電動數字化的概念為數字油田可能走向何方提供了一個烏托邦(空想或不切實際)式的觀點,但在實踐中,通過實施混合電動數字系統,一種漸進式方法是全面接受全電動系統的關鍵。電氣化組件的長期接受度也已在多個行業得到了體現。
電動液壓系統的成功實現和可靠性將會在油田全電動系統的大規模接受與使用中發揮重要作用。雖然完井效益的未來在于電動系統,但數字化不必等到這些系統成為主流時才來推進。電動液壓系統是進入全電動系統的良好途徑,這會使石油公司或運營商有機會利用一些現有的基礎設施,同時受益于數字化油田推進所帶來的完井優化。