龐東曉, 盧 齊， 張 斌， 黃 坤

1中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2中國石油西南油氣田分公司勘探事業(yè)部

0 引言

油氣井測試技術作為最終解決一個構造或圈閉是否存在具有油氣資源開發(fā)價值，以及如何進行高效開發(fā)的技術手段[1]，具有重要意義。近年來，中石油川慶鉆探公司已初步形成了“三高”、“三低”特色測試技術及140 MPa、200 ℃成套裝備，在川西北雙魚石、塔里木庫車山前、柴達木英雄嶺等構造上獲得成功應用[2- 4]，助推了我國深部油氣藏的勘探與開發(fā)。但在自動化技術應用方面，仍面臨設備智能化程度低、人員操作風險高，井下工藝適用范圍受限，信息獲取不及時等問題。川渝地區(qū)地質(zhì)工程條件復雜、勘探開發(fā)難度大，降低開發(fā)成本和提升采收率面臨挑戰(zhàn)，常規(guī)試油完井工藝難以應對，因此，需要發(fā)展自動化、信息化試油與完井技術提高作業(yè)水平，推動油田數(shù)字化建設。

1 試油測試自動化技術現(xiàn)狀

油氣井測試是一項系統(tǒng)工程，包含了從地面到井下的大量裝備和工具，自動化技術目前主要聚焦在地面流程裝備和井下工具兩個方面。

1.1 地面流程自動化技術

在常規(guī)節(jié)流降壓閘門、管路系統(tǒng)基礎上，目前川渝地區(qū)地面流程還部署了諸多特種裝備，如為應對深井超深井關井壓力、流動壓力高和測試產(chǎn)量大的熱交換器、三相分離器、緩沖罐等以及為應對頁巖氣井分層改造、體積壓裂帶來的高含砂返排液問題的除砂器、捕屑器等重型設備，這些設備均需要數(shù)名現(xiàn)場作業(yè)人員進入高壓區(qū)域手動控制及維護人工操作，勞動強度大，人工成本高，難以適應提質(zhì)增效要求。因此，有待通過地面設備自動化和智能輔助升級，降低作業(yè)風險及勞動成本，提高作業(yè)效率。結合川渝地區(qū)生產(chǎn)實際，目前地面流程還有以下三個方面的問題亟待克服。

(1)地面流程自動化覆蓋率低，目前只有部分高壓區(qū)域設備實現(xiàn)了遠程自動控制。

現(xiàn)有的試油測試地面流程采用以電動執(zhí)行器+閥門作為獨立控制單元，通過PLC、計算機軟件、傳感器等組成的工業(yè)通信網(wǎng)絡，基本實現(xiàn)了對流程管匯閘板閥的開關、節(jié)流閥調(diào)節(jié)的自動控制。然而流程中的主要設備如除砂器、捕屑器、熱交換器、分離器等都尚未納入到現(xiàn)有通信網(wǎng)絡中，未能實現(xiàn)自動控制。

(2)監(jiān)測系統(tǒng)缺少主動預警機制，存在人工判斷不及時、漏判、誤判的風險。

為保障地面流程作業(yè)人員及設備安全，現(xiàn)已在地面流程系統(tǒng)中部署了多個監(jiān)控裝置，建立了中央視頻監(jiān)控系統(tǒng)，設置專人崗位在施工過程中對流程高壓區(qū)、放噴口、排污口等關鍵區(qū)域進行實時監(jiān)控及預警。由于井場環(huán)境、自然光線強度、作業(yè)人員判斷能力等因素影響，導致強光下管線微小泄漏、放噴池火焰逸出難以及時準確判斷。此外依靠人工監(jiān)控，高壓區(qū)人員闖入、設備超壓及時響應難度較大。

(3)缺乏智能輔助手段。目前地面流程的流道選擇、閥門開度、工況判別依然由作業(yè)人員決策。統(tǒng)計分析2016～2019年69井次川渝地區(qū)川慶鉆探試油測試地面流程現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)存在人員操作失誤以及對壓力突變情況觀察、決策滯后造成閥門錯誤開關，節(jié)流閥過度開合，油嘴、孔板更換不及時，排液不連續(xù)等問題，影響放噴排液的連續(xù)性，甚至影響產(chǎn)能測試結果。

1.2 地層測試工具自動化技術

井下測試工具方面，隨鉆井深度不斷增加，改造壓力不斷提高，可提供給APR測試工具的操作壓力窗口越來越狹窄，甚至無法設定操作壓力。此外，液控工具操作方式繁瑣，井下復雜風險大，不利于試油測試領域的提質(zhì)增效。近年來隨著電池技術及無線技術的發(fā)展，遙控試油測試工具得到飛速發(fā)展，其中典型代表即是哈里伯頓公司的RezConnect試油測試工具系統(tǒng)，該系統(tǒng)的核心是DynaLink?遙測系統(tǒng)，其利用聲波傳輸建立了井下—地面的雙向通訊系統(tǒng)，在此基礎上形成了基于電液控制的Prephase測試閥、Armada采樣系統(tǒng)、CHAMP-ion封隔器等，有效提升了試油測試井下安全和可靠性，提升了作業(yè)效率。國內(nèi)在此項技術的研究較為分散，雖開展了永置式井下監(jiān)測技術[5]、智能井下工具[6]、分層測試工具[7]等方面的研究，但缺少更高層面的頂層設計和統(tǒng)一技術標準，且受制于井深、井筒條件、電池技術等局限，承壓耐溫等級尚不能完全滿足復雜深井測試作業(yè)的需求，相關技術還亟待提高。

在信息獲取方面，目前我國主要采用存儲式電子壓力計獲取井底壓力、溫度數(shù)據(jù)[8]，尚不能實時監(jiān)測井底動態(tài)變化，很難實現(xiàn)實時決策。近年來，川慶鉆探鉆采工程技術研究院率先開展基于甚低頻電磁波井下無線傳輸技術研究[9]，研制了全井無線直讀系統(tǒng)，傳輸距離達到5 000 m，工作溫度達150 ℃，工作壓力可達140 MPa，傳輸速率1組/4 min，包含溫度、壓力數(shù)據(jù)，基本實現(xiàn)了測試期間井下壓力溫度的實時獲取(見圖1)。

圖1 電磁波井下無線傳輸技術原理

2 試油測試自動化關鍵技術

從保障作業(yè)安全、提高生產(chǎn)效率、降低作業(yè)成本三個根本點出發(fā)，通過開展地面流程自動控制系統(tǒng)研究、無線直讀技術研究、電驅(qū)動井下工具研制，構建打通數(shù)字信息化高速通道的“最后1公里”，使試油測試從井下、地面到?jīng)Q策中心全面實現(xiàn)信息實時共享、實時評價、實時決策；大幅提高作業(yè)時效性、可靠性和安全性。

2.1 地面流程方面

地面流程自動化需要解決的關鍵技術問題主要是三個方面，即全區(qū)域地面流程遠程控制系統(tǒng)(見圖2)、地面流程輔助操作系統(tǒng)和基于人工智能的試油測試無人值守系統(tǒng)(見圖3)。

圖2 地面流程自動控制系統(tǒng)架構

圖3 基于智能圖像識別的地面流程無人值守系統(tǒng)

全區(qū)域地面流程自動控制是形成地面流程自動控制技術的基礎，通過建立可拓展的高效通信的工控網(wǎng)絡，將集中自動控制系統(tǒng)覆蓋除砂器、熱交換器、分離器、閘閥等全部地面流程及設備。

地面流程輔助操作系統(tǒng)是形成地面流程自動控制技術的過渡階段，其主要目的是提高試油測試地面流程操作安全性、避免誤操作。從技術上而言，其主要作用是將試油測試SOP數(shù)字化，包括人員操作規(guī)范、安全規(guī)程等要素，在遠程控制的基礎上，整合不同設備數(shù)據(jù)，實現(xiàn)共享數(shù)據(jù)鏈，最終實現(xiàn)試油測試控制數(shù)字化。

在數(shù)字化的基礎上，對于難以量化測量的數(shù)據(jù)，如放噴口氣體含量、人員活動和微小泄漏等，開展人工智能圖像識別技術應用。在以上數(shù)據(jù)獲取的基礎上，綜合應用模糊聚類分析、神經(jīng)網(wǎng)絡模式識別等技術，形成高可靠性的試油測試工況識別技術?；诖耍纬傻娜斯ぶ悄芘袛嘞到y(tǒng)，結合遠程專家支持，最終可形成地面流程無人值守系統(tǒng)。

2.2 地層測試自動化關鍵技術

實現(xiàn)地層測試自動化需要解決的關鍵技術問題主要是三個方面：深井井下高速傳輸技術、井下就近測量分析技術以及智能電動試油完井一體化工具。

在復雜的井筒環(huán)境下，無論聲波傳輸還是電磁波傳輸，存在的共同問題就是數(shù)據(jù)傳輸速率較低，無法滿足實時分析及決策的要求，因此，存儲式井下電子壓力計依然是目前獲取井下壓力溫度的主要手段。為此，需要進一步發(fā)展深井傳輸技術，提升復雜井筒條件下長距離信號傳輸?shù)乃俣燃靶?，建立地面—井底雙向高速通訊通道，為實現(xiàn)井下實時監(jiān)測及控制奠定基礎。

研究高效井筒傳輸技術，研制井底在線取樣及分析工具，實現(xiàn)對硫化氫、二氧化碳、天然氣全烴值、氯根含量等關鍵地層流體參數(shù)，以及巖石應力、近井帶裂縫展布、孔隙發(fā)育情況等關鍵地層物性參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測和實時上傳，能有效解決了傳統(tǒng)取樣工具必須等測試結束后隨管柱起出才能回收分析的不足，提高作業(yè)效率。

深井地層測試工具要求結構簡單、功能集成度高、性能可靠。因此，依托無線傳輸、高溫電池、井下電動控制等關鍵技術研制智能試油完井工具，利用無線信號控制電機操作閥門開關，從而實現(xiàn)循環(huán)、測試、關井、丟手等不同工藝，降低井下復雜，提高作業(yè)效率[10]。還可以實現(xiàn)電機控制下的自動丟手與回接，將試油短期大數(shù)據(jù)量傳輸與完井長期監(jiān)測進一步融合，實現(xiàn)試油工藝與完井工藝的有機結合，有效避免儲層傷害，提高作業(yè)效率。

3 智能試油完井技術發(fā)展方向

3.1 基于增強現(xiàn)實的地面流程快速部署及安全預警技術

增強現(xiàn)實(Augmented Reality，簡稱AR)，也被稱為擴增現(xiàn)實，是一種促使真實世界信息和虛擬世界信息內(nèi)容之間綜合技術。試油作業(yè)地面流程設備多，不同高壓設備和壓力容器校驗程序和時間也不相同。利用增強現(xiàn)實技術建立設備三維空間標簽與設備信息數(shù)據(jù)庫鏈接，即可實現(xiàn)設備信息實時查詢和檢查；其次，通過計算機將施工現(xiàn)場地形、地勢、設備、井口位置等關鍵信息處理成可視化三維圖像，即可進行最優(yōu)化部署設計和模擬安裝，縮短安裝時間，降低作業(yè)人員勞動強度；同時，施工期間作業(yè)人員通過佩戴特定設備，連接地面流程控制中心，即可實現(xiàn)對流程氣體泄漏、高壓區(qū)域人員闖入的實時監(jiān)控和安全預警，減少作業(yè)人員數(shù)量，節(jié)約人力成本；此外，還可搭建虛擬維修平臺，對員工進行設備工具的維保培訓，能夠降低培訓成本，縮短培訓周期。

3.2 井下數(shù)據(jù)預處理技術

在試油完井作業(yè)中，井下壓力溫度傳感器采樣頻率高，數(shù)據(jù)量大，通常一個施工周期會有上百萬個數(shù)據(jù)，加之增產(chǎn)措施，放噴試采的壓力、溫度突變等都可能引起噪音，噪音會掩蓋真實的油藏響應，影響試井解釋的準確性。受限于無線傳輸帶寬及計算機資源限制，實時解釋幾乎不可能。因此,保證精度同時精簡數(shù)據(jù)是一項非常重要的任務。隨著芯片技術的高速發(fā)展，高性能低功耗的嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡處理芯片[11](NPU)為井下計算機的研發(fā)奠定了基礎。依托井下計算機對各種傳感器獲取的數(shù)據(jù)進行就近分析處理，實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)體積優(yōu)化[12]、工況自動分析判別、關鍵敏感數(shù)據(jù)自動記錄技術。

3.3 基于深井抗干擾高速無線傳輸技術建立數(shù)字井筒

將傳感器技術、無線傳輸技術結合為一體，以多中繼器無線傳輸架構為基礎，進一步優(yōu)化傳輸方法，提高傳輸速率，搭建井下雙向數(shù)字信號[13- 14](監(jiān)測數(shù)據(jù)、控制信號等多路數(shù)據(jù))高速傳輸井筒信息平臺，實現(xiàn)試油測試期間實時掌握和控制井底情況，動態(tài)調(diào)整測試作業(yè)程序，提高測試數(shù)據(jù)錄取質(zhì)量，提高試油測試作業(yè)時效；及時發(fā)現(xiàn)井下異常情況，提高對試油測試井下安全風險的管控。

3.4 基于大數(shù)據(jù)及人工智能的試油專家決策系統(tǒng)

基于自然語言識別技術對目前大量、零散的試油工程、試井解釋數(shù)據(jù)進行歸類整理，建立統(tǒng)一的試油完井一體化數(shù)據(jù)管理樣本庫，實現(xiàn)工況智能識別及風險預警；依托數(shù)據(jù)挖掘和深度學習技術，形成智能試油設計技術，通過勘探前期幾口預探井數(shù)據(jù)，結合樣本庫內(nèi)數(shù)據(jù)智能分析，系統(tǒng)自動給出最優(yōu)試油設計方案，提示施工風險，建議管柱組合以及酸化改造方案等，為設計人員提供全面周詳?shù)脑O計建議和指導；利用三維可視化建模技術，優(yōu)化軟件算法，建立地層—井筒系統(tǒng)的動態(tài)流入流出交互式情景仿真，為現(xiàn)場工程師和決策人員提供直觀認識和指導，以便及時調(diào)整合理的測試制度。最后將智能試油設計技術、施工在線監(jiān)測技術、試井解釋技術集成，形成試油專家決策系統(tǒng)[15]，真正實現(xiàn)智能設計、智能監(jiān)控、智能響應的智能試油完井技術。

4 結論

(1)智能試油技術的發(fā)展方向在于將自動化監(jiān)測與控制技術與井下無線通信等技術緊密結，將人工智能與可視化技術集成應用，向內(nèi)容顯示全面化、智能化和數(shù)據(jù)管理高效化的方向發(fā)展，形成以智能技術處理和數(shù)據(jù)高效管理為中心的深層次數(shù)據(jù)挖掘技術，達到充分利用到信息的目的，減少了數(shù)據(jù)重復收集和錄入的成本，拓寬了信息傳輸途徑。

(2)通過井筒數(shù)字化技術建立基于計算機支持的高度可視化信息環(huán)境，以網(wǎng)絡通信來實現(xiàn)動態(tài)井筒信息的多方面?zhèn)鬏敚瑥亩谠囉屯昃I域中實現(xiàn)網(wǎng)絡化、數(shù)字化、可視化和智能化，最終實現(xiàn)試油完井施工作業(yè)低成本、優(yōu)質(zhì)、高效和安全的目標。