水平井生产模拟实验平台构建及STEM创新型人才培养实践

刘均荣, 罗明良, 陈德春, 王卫阳, 孙致学

(中国石油大学(华东) 石油工程学院, 山东 青岛 266580)

水平井生产模拟实验平台构建及STEM创新型人才培养实践

刘均荣, 罗明良, 陈德春, 王卫阳, 孙致学

(中国石油大学(华东) 石油工程学院, 山东 青岛 266580)

从STEM教育理念出发,结合现场工程应用需求,设计并搭建了水平井生产模拟实验平台。以一注一采水平井生产控制模拟实验为例,介绍了水平井筒生产调控方法。该实验平台可以直观观察油藏和水平井的动态生产过程,加深学生对水驱油藏水平井开采知识和方法的理解；同时为不同层次的学生开展水平井开采自主实验、探究实验提供了基础实验平台。该实验平台锻炼了学生复杂工程问题设计与研究能力,提升了学生的STEM素养,培养了学生理论联系实际的工程意识和创新意识,实现了科研与教学的有机结合。

水平井； 水驱油藏； 模拟实验平台； STEM教育理念

水平井技术自20世纪80年代以来得到了广泛的工业化应用,目前已经成为油气开采的主要井型之一[1-2],在近年来兴起的非常规油气开发和深水油气开发中正扮演着重要角色[3-5]。

水平井生产是一个复杂的系统工程问题,涉及数学、机械、流动、控制等多个学科的知识。STEM(science、technology、engineering、mathematics)教育具有的跨学科性、实践性和情境性等特点,正是高校培养创新性人才的一种重要手段[6-8]。为了使学生能将科学、技术、工程和数学4个方面的相关知识融会贯通,为了更好地培养理工科学生的创新精神和实践能力[9],亟需构建水平井生产模拟实验平台,帮助学生更好地掌握水平井生产技术、探究油气生产科学问题,为学生探索水平井高效开发油藏的方法和理论提供良好的实验条件。这对于培养学生设计与研究能力以及未来职业技能具有重要实践意义。

1 水平井生产模拟实验平台构建与实验设计

1.1 水平井生产模拟实验平台构建

水平井生产模拟实验系统主要由油藏模型3D打印模块、水平井筒模块、可视化物理模型模块、油藏动态监测模块、油水流量计量模块、注入模块、数据采集与控制模块等7部分组成,实验平台流程见图1。

油藏模型3D打印模块和水平井筒模块是该实验平台的核心部分。不同的油藏非均质性及分布、不同的水平井生产控制方式都将影响到最终的油藏开发效果。根据生产中的问题和要求,通过3D打印刻画油藏非均质性及分布、改变水平井生产控制方式、进行不同的注采生产实验,使学生理解、掌握油藏与井筒这两大复杂系统耦合生产特性以及水平井生产控制方法,也为学生自主设计相关创新性实验奠定基础。

可视化物理模块为油藏物理模型和水平井筒模块提供物理连接和密封作用,同时可视化地展示油藏物理模型中流体驱替前缘的分布状态。

油藏动态监测模块将测量的油藏物理模型不同位置处的电位差转化为直观的含水饱和度分布并实时显示,可以与可视化展示的流体驱替前缘分布状态进行定性对比,为水平井生产控制提供依据。

油水流量计量模块实时计量水平井筒产出的油、水体积,为水平井生产分析和生产控制决策提供数据。

注入模块为油藏物理模型提供流体的恒压或恒流量注入。

由上述模块组成的水平井生产模拟实验系统,可以使学生直观地理解油藏与水平井筒的耦合生产原理和过程,分析水驱油藏的生产特性,掌握水平井生产剖面控制的相关技术,拓展水平井高效生产方法,进一步提高学生复杂工程问题设计与研究能力。

图1 水平井生产模拟实验系统流程图

1.1.1 油藏模型3D打印模块

油藏物理模型是开展创新型实验的基础和前提。随着3D打印技术引入教学实验,使得学生的自主设计能力、创新思维能力得到不断提高[10]。学生基于实际的地质模型或自主设计的概念模型,通过计算机仿真建模,采用覆膜石英砂作为材料,就可以实现非均质、大尺寸油藏物理模型的打印成型(见图2),克服了传统填砂模型或者胶结模型制作过程复杂、物理参数难以刻画，以及实验过程中物理模型因内部结构压不实而容易窜流等问题。

图2 应用3D打印技术制作大尺度平板油藏物理模型

1.1.2 水平井筒模块

水平井筒模块是水平井生产剖面控制的关键部件。目前,油田现场采用了先进的井下流量控制装置(inflow control device,ICD)、井下流量控制阀(inflow control valve,ICV)等调节水平井生产剖面。ICD是一种被动控制装置,其尺寸在完井时设置,一旦投入生产后不能再进行调节,这要求在ICD设计和安装之前必须彻底掌握油藏渗透率分布、油气水饱和度分布等相关信息。ICV是一种主动控制装置,完井后根据井下生产状况可通过地面控制系统进行调节,灵活性较ICD大。为了在实验中模拟水平井筒中安装ICD和ICV后的生产剖面控制效果,ICD设计成不可调节的喷嘴式结构(喷嘴直径包括2、3、4、5 mm系列),ICV设计成手动可调的滑套式结构(开口面积包括3、7、12、19 mm2系列)。同时,为了与传统水平井生产效果进行对比,也设计了孔眼均布井段模型和盲眼井段模型。为了保证水平井筒模块与平板油藏物理模型的良好接触,井段模型设计为内部中空(Φ5 mm)、外形长方体(80 mm×20 mm×20 mm)结构。水平井筒模块采用插拔式结构,井段模型两端设置快速接头便于组装。学生可以根据自主设计的水平井筒控制方案,将上述井段模型按照一定方式组装成水平井筒(见图3),实现不同控制装置、不同控制范围、不同控制强度的水平井生产模拟实验。

图3 由3个包含ICD或ICV的井段模型连接组成的水平井筒结构示意图

1.1.3 可视化物理模型模块和油藏动态监测模块

可视化物理模型模块采用耐高压有机玻璃板制作而成,其内部空间尺寸设计为大小可调结构,确保平板油藏物理模型和水平井筒模型在此内部空间中能紧密接触并压紧(见图4)。为了监测油藏物理模型内部流体驱替状况,业界常采用电阻测量法来监测油藏内部饱和度场的变化[11-12]。在可视化物理模型底板和顶板上按照40 mm间隔分别布置了60个饱和度探头,底板和顶板对应位置处的两个饱和度探头组成一个电极对,测量驱替过程中平板油藏物理模型上下面的电位差；计算出电阻值后,根据Arch公式计算出电极对之间的含水饱和度；然后利用Surfer软件进行后处理,采用Kriging插值方法绘制油藏物理模型内部含水饱和度场的分布情况。

图4 安装油藏物理模型和水平井筒模型后的可视化物理模型俯视示意图

1.1.4 油水流量计量模块

油水流量计量模块主要用于生产井段的油水流量自动计量。每套油水自动计量系统由2支油水计量管(见图5)、4个压力传感器、4个电磁阀及1块油水计量二次仪表组成,利用压差原理计算油水流量。油水自动计量模块可实现产出液中油水量的自动计量、数据采集与自动控制,二次仪表可实时显示累积产出的油和水量。

图5 油水流量计量模块

1.1.5 注入模块

由2台HLB-20/20恒流泵组成流体注入模块,以恒定流量通过水平井筒模块向平板油藏模型内部注入矿化水,模拟水驱油藏的水驱过程。恒流泵流量范围为0.1～20 mL/min,工作压力为0～20 MPa,精度<±1%。

1.1.6 数据采集与控制模块

数据采集与控制模块是本实验系统的重要模块,它将饱和度探头采集的电压信号转化成直观的电阻值和含水饱和度分布云图，将压力传感器采集的压力信号转化成为油水瞬时流量值。本实验采用4块16通道切换板卡采集平板油藏物理模型内部60个电阻值,1个PCI-168板卡(8个串口)和1个USB接口的串口服务器(16个串口)用于仪表串口通信,1个KLM4514模拟量采集模块用于采集4个压力传感器的压力值,1个RM441模块和1块2通道切换板卡用于控制油水流量计量模块的电磁阀,1个油水计量表实时显示油水计量管中的油量和水量。计算机与采集硬件之间采用MODBUS通信协议进行数据交换。系统设置的采样间隔为30 s,采用Access数据库和文本文件保存数据,并在计算机上以曲线形式实时显示瞬时产油、瞬时产水、瞬时含水和累积产油量变化,以等值图实时显示油藏模型内部含水饱和度变化。

1.2 水平井生产模拟实验设计

针对石油工程专业和海洋油气工程专业在油气高效开采技术方面对创新型人才的培养需要,基于构建的水平井生产模拟实验平台,学生通过自主设计油藏物理模型、水平井筒模型以及实验流程,开展综合性的、创新性的实验项目。下面以一注一采水驱油藏水平井生产模拟实验为基础,介绍ICD、ICV控制油藏。

1.2.1 ICD控制油藏的水平井生产模拟实验

不同ICD布置方式影响着油藏最终原油采收率和驱替前缘,在油藏描述确定的情况下通过ICD控制实验与结果分析,确定最佳的ICD布置方式；其次可研究油藏描述不确定性对ICD控制效果的影响。

(1) 水平生产井筒或水平注入井筒单端采用ICD控制模拟实验。以已知渗透率分布的平板油藏物理模型为实验对象,水平注入井筒(或水平生产井筒)采用传统的孔眼均布井段模型；在相同注水量下,改变水平生产井筒(或水平注入井筒)中不同尺寸ICD的组合方式以及不同的ICD控制范围,观察饱和度云图和水驱前缘变化,研究生产端(或注入端)采用ICD控制装置对最终原油采收率的影响。

(2) 水平生产井筒和水平注入井筒两端采用ICD控制模拟实验。以已知渗透率分布的平板油藏物理模型为实验对象,在相同注水量下,改变水平注入井筒和水平生产井筒中不同尺寸ICD的组合方式以及不同的ICD控制范围,观察饱和度云图和水驱前缘变化,研究注入端和生产端同时采用ICD控制装置对最终原油采收率的影响。

(3) 油藏描述不确定性对ICD控制生产的影响模拟实验。设计一个渗透率任意分布的非均质平板油藏模型,水平注入井筒采用传统的均匀布孔井段。在相同的注水量和相同的ICD控制长度下,改变水平生产井筒中不同尺寸ICD的组合方式,观察饱和度云图和水驱前缘变化,研究油藏描述不确定性对ICD控制生产的影响。

1.2.2 ICV控制油藏的水平井生产模拟实验

ICV控制是基于井下直接测量数据的反馈式生产控制方法,可以避免油藏描述不确定性带来的影响,常分为Reactive 控制和Proactive 控制(或Defensive 控制) 。Reactive 控制是在井内已经监测到水或气等不希望产出的流体后对各个井段的ICV 进行调控；Proactive 控制是在水或气还没有进入井筒前就对ICV进行调控[13]。在构建的实验平台上,开展不同ICV调控方式对最终原油采收率和驱替前缘影响的实验并进行结果比较,确定最佳的ICV调控模式；也可以研究ICV控制对油藏描述不确定性的适应性。

(1) 水平生产井筒或水平注入井筒单端采用ICV控制模拟实验。水平注入井筒(或水平生产井筒)采用传统的均匀布孔井段,水平生产井筒(或水平注入井筒)采用固定的ICV井段模型组合。在相同的注水量下,分别采用Reactive 控制策略和Proactive 控制策略调节水平生产井筒(或水平注入井筒)中各个ICV开口面积,观察饱和度云图和水驱前缘变化,研究生产端(或注入端)采用不同ICV控制策略对最终原油采收率的影响。

(2) 水平生产井筒和水平注入井筒两端采用ICV控制模拟实验。水平生产井筒和水平注入井筒均采用固定的ICV井段模型组合。在相同的注水量下,分别采用Reactive 控制策略和Proactive 控制策略调节水平生产井筒和水平注入井筒中各个ICV开口面积,观察饱和度云图和水驱前缘变化,研究注入端和生产端采用不同ICV控制策略对最终原油采收率的影响。

(3) ICV控制对油藏描述不确定性的适应性模拟实验。设计一个渗透率任意分布的非均质平板油藏模型,水平注入井筒采用传统的均匀布孔井段,水平生产井筒采用固定的ICV井段模型组合。在相同的注水量下,分别采用Reactive 控制策略和Proactive 控制策略调节水平生产井筒中各个ICV开口面积,观察饱和度云图和水驱前缘变化,研究ICV控制对油藏描述不确定性的适应性。

本文构建的水平井生产模拟实验系统是一个基础的、综合的实验平台,上述实验方案也仅仅是本实验平台提供的一些基础实验方案。学生基于该实验平台,可以进一步自主设计实验内容,例如底水油藏生产过程中的ICV或ICD控制模拟实验、油水井采用传统井筒生产一段时间后再改为ICV或ICD控制生产模拟实验、ICV调控频率(次数)对生产效果的影响模拟实验等。另外,通过引导学生对实验数据进行分析和对比,运用相关知识对实验结果进行解释,针对具体的油气生产(复杂工程)问题提出相应的解决方案。

2 水平井生产模拟实验平台的功能与实践

2.1 实验平台功能

(1) 本实验平台以现场工程应用为背景,将井筒和油藏的复杂的生产过程相耦合,直观、完整地展示井筒生产控制与油藏生产动态之间的相互影响,弥补了现有单个实验项目的不足。学生在油藏物理模型3D打印制作、油藏驱替、井筒生产控制等综合实验训练中,完成多学科知识的融会、实践能力的提升和研究方法的探究。基于这个基础的、综合的实验平台,学生可以根据已掌握的相关知识和自己的兴趣自主选定实验内容、自主设计实验方案和制定实验步骤、自主进行实验并分析结果,发现和探索水驱油藏的开发规律以及控制方法,针对性地提出解决油气生产问题的实施方案。这样既充实了现有教学资源,又满足了创新性实验的需求、夯实了“工程化”教育的基石。

(2) 本实验平台可为不同层次的学生提供综合的实践和实训操作。针对水平井生产过程中存在的问题,本科生在毕业设计和创新训练过程中,结合指导教师给定的研究课题和现有水平井生产模拟实验平台,通过国内外相关文献的调研,完成开题、内容设计、实验操作、结果分析,得出一些规律性的结论；硕士和博士研究生借助于本实验平台可开展创新性的理论与方法研究,将ICD、ICV理论优化的控制过程和控制结果与实验数据进行对比,验证优化算法和优化策略的可操作性和可靠性,针对具体油气生产(复杂工程)问题提出切实可行的解决方案,为更好地指导现场应用提供“智库”支持。这不仅锻炼了学生理论联系工程实际的能力,同时也培养了学生探究新方法、新技术、新理论的科学精神。

(3) 本实验平台还可以为科学研究和科技创新提供探索平台。鼓励学生利用创新思维进行以流动电位为监测手段的油藏驱替前缘监测实验[14-15]、以噪声为监测手段的水平井生产剖面监测实验[16-17]等方面的创新性、探索性实验研究。将现场应用新技术引入实验教学,引领不同层次的学生参与到科学研究与工程应用课题中,紧贴工程教育发展需求,一方面实现科研与教学、理论与现场、工程与实践的紧密结合,另一方面激发学生从事科学研究、探究科技前沿的兴趣和培养学生团队协作的精神,实现教学资源的效益最大化[18]。

2.2 STEM教育实践效果

基于本实验平台开展相关自主设计实验和创新型实验时,学生在科学层面需要设计不同性质的油藏物理模型、分析引起注入水突进的机理及影响因素、探究相应的解决之道；在技术层面需要掌握查阅外文文献、使用3D打印机、油水流量计量装置和含水饱和度测量装置、操作计算机软件、组装整个实验装置和流程等技能；在工程层面需要采用不同的井段模型、设计不同的井筒模型组合、提出工程问题的解决方法；在数学层面则需要分析生产数据的变化规律、研究最佳ICD/ICV布置方式、确定生产优化算法、制定生产优化策略。学生在此平台上既可以针对某个特定问题开展单独学科(相关课程融合模式)的实验,也可以开展综合学科(广域课程融合模式)的实验[19]。

本实验平台建成以来,结合课堂教学内容为海洋油气工程专业3届6个班学生开出了演示性实验,加深了学生对注入水突进现象的认识，让学生了解了通过水平井井筒控制装置抑制水突进和锥进的方法；指导了3名本科生在此实验平台上开展水平井调控提高油藏采收率本科毕业设计和2批次8名本科生开展“大学生创新创业训练计划”项目；4名硕士研究生和2名博士研究生借助于本实验系统进行了生产调控优化方法与理论、油水前缘电位监测与解释、水平井筒水突破监测与解释等方面的理论研究,发表了多篇高水平科研论文[20-22]

在人才培养过程中,有效地将STEM教育理念融入教学、科研工作中。通过本实验平台的构建,促使学生将科学、技术、工程和数学等知识有机地整合在一起,在强化学生工程意识和创新意识、提升学生入职技能的同时,也促进了教师科研和教学综合业务素质的不断提高。

3 结语

水平井生产模拟实验平台的建设,以现场工程应用和需求为背景,将油藏与井筒2个复杂生产系统的生产过程相互耦合,使实验教学在一定程度上紧跟学科发展的前沿技术、贴近油田现场的迫切需求。本实验平台加深了学生对水驱油藏水平井开采知识和方法的理解,为不同层次的学生开展自主实验、探究实验提供了基础的实验平台,有利于培养学生理论联系实际的工程意识和创新意识。多学科实验资源整合和工程化教学科研融合的做法和实践,提升了学生的STEM素养,实现了STEM教育的目的,对于促进复合型、创新型“工程化”人才培养发挥了积极作用。

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Construction of simulation experimental platform for horizontal well production and practice of STEM innovative talent cultivation

Liu Junrong, Luo Mingliang, Chen Dechun, Wang Weiyang, Sun Zhixue

(School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Based on the STEM(science, technology, engineering and mathematics)educational idea and combined with the requirements of the oil field production, a simulation experimental platform for the horizontal well production is explored and constructed. By taking the production control simulation experiment of the horizontal well with the affusion and the exploitation as example, the production control method of the horizontal wellbore is introduced. Through this experimental platform, the students can visually observe the oil reservior and the dynamic production process of the horizontal well, which can deepen their understanding of the knowledge and the methods about the horizontal well exploitation for the water-driving oil reservior. At the same time, it provides the basic experimental platform for the students at different levels to carry out independent experiments of horizontal wells and exploration experiments. This experimental platform helps train the students’ ability to solve complicated engineering problems, enhance their STEM quality, and cultivate their engineering awareness and innovative awareness of combining theory with practice, realizing the organic combination of research and teaching.

horizontal well; water-driving oil reservior; simulation experimental platform; STEM educational idea

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.020

2017-02-18

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2013AA09A215)；中国石油大学(华东)教学实验技术改革项目( SY-B201401)；中国石油大学(华东)人才培养模式改革重大项目(JY-A201401)

刘均荣(1975—),男,四川合江,博士,副教授,主要从事油气田开发工程教学与研究工作.E-mail：junrliu@upc.edu.cn

TE243； G484

A

1002-4956(2017)08-0078-06