智能完井关键技术进展及应用

谷 磊

(中国石化石油工程技术研究院，北京 100101)

0 引 言

智能完井技术是能够动态监测井下储层状态、实时控制开采、优化井下生产的系统技术，通常由信息传感采集、生产控制、数据传输和地面反馈控制等系统组成。智能完井在复杂结构井、油气藏复杂井和海上油气井优化生产、控制开采和提高采收率等方面具有显著优势。能够解决大斜度井分层开采技术难题，预防生产层和混采层之间出现窜流，控制气、水推进等问题。智能完井具有诸多优点，但系统复杂、投入成本高，主要用于大斜度井、水平井、多分支井、海上深水井、高产井等，结构原理如图1所示[1-4]。

流量控制、数据采集传输是智能完井的关键技术。流量控制作为执行机构，能够实现产层隔离和储层进液量控制，如地层隔离阀、液控滑套控制阀。

图1 智能完井原理

地层隔离阀在上部井段作业及起下管柱期间隔离地层并建立保护屏障，使储层免受井内液体污染；液控滑套能够控制其内部机构调节滑套的开度，实现对油层产量的调控。数据采集传输实现了井下温度、压力、流量等信息的采集，为流量控制提供了数据信息。流量控制、数据采集系统依靠线缆供电实现信号传输。随着智能完井技术研究的不断深入，隔离阀、液控滑套等流量控制元件以及光纤传输等技术取得了技术突破，无线电控和低成本、高精度数据传输已成为发展趋势，部分技术已投入商业应用，显著降低了成本并推动了智能完井技术的应用和发展[5-7]。

1 隔离阀技术

隔离阀是海上油田完井作业过程中的常用工具，隔离阀能够实现井筒与地层的隔离，在完井、修井过程中防止井筒内的液体向地层漏失。国外较早开展了隔离阀研究，按结构分为板阀结构、球阀结构和滑套结构，目前隔离阀的主要问题是打开、关闭受到限制，需要单独下入工具操作，增加了作业成本和风险。基于现场需求，隔离阀朝着具有多次开关和智能控制的方向发展[8-9]。

1.1 电控隔离阀

哈里伯顿公司推出的电控隔离阀(eMotion-LV)实现了智能控制和不限次数打开、关闭，在海上油田完成了成功应用。eMotion-LV隔离阀由球阀单元和控制单元两部分构成(见图2)。球阀单元为旋转球阀结构，承压达到10 000 psi(1 psi=6.89 kPa)；控制单元由压力、温度传感器、控制电路及电池等部件组成，控制单元与球阀液压端口连接，实现与地面的通信并提供球阀运动的驱动力。隔离阀入井前设定压力、井温和时间等多个参数指令，入井后根据井下环境和指令实现自动控制。达到设定触发值时，控制单元会自动发送指令并驱动球阀打开或关闭[10]。该过程能够重复进行，从而实现多次打开关闭。隔离阀触发条件可单独设定，也可组合构建复杂的触发指令。如eMotion-LV隔离阀检测到压力低于2 000 psi时，设置为关闭，控制系统具有较高的可靠性，能够将自身指令与发生波动的静压力或储层压力等外部因素进行区分，避免意外激活隔离阀的风险。eMotion-LV隔离阀同时具有远程控制功能，可由地面施加压力信号，实现控制阀的远程打开和关闭。

图2 eMotion-LV电控地层隔离阀

隔离阀具有以下技术优势： 实现了多次打开和关闭，避免了管串及电缆下入，降低了作业费用和风险；运行时间较长，可达到10个月，可用于临时废弃作业或作为流量控制；根据现场需要提供井控方案；能够用于全井眼尺寸并实现双向密封，隔离阀关闭后可进行管串试压、封隔器水力坐封等作业。

2017—2019年，eMotion-LV在北海油田进行了多次应用。其中，作为浅层屏障采用顶部和底部两个eMotion-LV隔离阀实现了防喷器拆卸和海底采油树安装，底部隔离阀部署在生产封隔器下方的完井管柱最低部位，初始为开启状态，可实现完井作业，根据需要实现关闭，隔离阀关闭后能够对油管进行压力测试，并对封隔器进行坐封；顶部隔离阀位于油管悬挂器下方，初始为开启状态，该隔离阀关闭后可作为第二个测试屏障，这样不需要防喷器就可以安装并测试井口装置。与常规作业相比，eMotion-LV隔离阀减少作业时间超过30 h，并且极大地降低了操作风险。eMotion-LV参数指标如表1所示。

表1 eMotion-LV参数指标

1.2 RIV隔离阀

射频识别技术(radio frequency identification， RFID)，又称电子标签或无线射频识别，利用射频信号，通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递。信息存储在射频识别标签内，当标签经过或接近读写器，标签内部信息被读取。威德福基于RFID技术实现了隔离阀的智能控制和多次打开、关闭，推出了RIV(无线电干扰)隔离阀。通过向井筒中投入具有打开或关闭指令的RFID标签并循环至隔离阀位置，由隔离阀RFID控制单元读取信息并执行操作。RIV隔离阀在巴西Santos盆地的深水井完井作业中得到了应用，显著减少了阀体打开时间，效益显著。

RIV隔离阀包括瓣阀单元和控制单元两部分，瓣阀为双向屏障，关闭后管串能够承压并实现封隔器坐封。RIV隔离阀在入井过程中处于打开状态，需要关闭时向井筒中投入写有关闭指令的RFID标签，标签经过隔离阀时，指令信息被读取，实现隔离阀关闭，隔离阀具有重新打开的功能。控制单元由两个模块组成，第一个模块识别标签关闭阀瓣，第二个模块通过压力循环实现阀门再次打开。正常情况下，阀瓣以打开状态入井，阀瓣关闭时需要投入具有关闭信息的RFID标签，激活第一个控制模块，向瓣阀施加作用力实现关闭。瓣阀关闭后可进行完井作业。瓣阀再次打开时，需要投入具有打开指令的RFID标签，激活第二个控制模块，依靠内部液控机构使瓣阀向下转动并复位到初始位置，实现瓣阀打开。RIV地层隔离阀参数指标如表2所示，RIV电控地层隔离阀如图3所示，RFIN标签如图4所示。

表2 RIV地层隔离阀参数指标

图3 RIV电控地层隔离阀

图4 RFID标签

2 压裂滑套技术

以Elect滑套和RFID滑套为代表的智能压裂滑套已应用于地层分段压裂，实现了智能控制打开和压裂级数不受限制，但目前压裂过程中仅用到了打开功能，将该智能压裂滑套技术改进后可实现各级滑套的多次打开和关闭控制，简化液控滑套控制阀结构，使其应用于智能完井流量控制。

2.1 Elect压裂滑套

多级滑套压裂增产是储层改造的重要工具，而目前常规压裂滑套压裂级数受到限制，影响增产效果。哈里伯顿公司推出的Elect压裂滑套针对多产层段压裂完井，采用了电磁通信控制滑套打开，实现了无限级压裂作业。目前，该技术已开展现场试验[11]。

Elect压裂滑套(见图5)能够配合固井作业实现无限级压裂，该滑套采用信号球激活，而不是常规的憋压球与球座憋压打开滑套，从而突破了常规滑套结构限制，因此Elect压裂滑套内部不再采用球座结构，使得结构简化、滑套通径增大，并且滑套级数不受限制。当压裂作业时，滑套管柱内投入磁体信号球，滑套控制单元检测到信号球磁场，根据统计磁脉冲计算出压裂球的数量，控制滑套动作。磁体信号球采用降解材料，实现滑套打开后能够自行降解。Elect压裂滑套具有以下优势： 精确激活目标层，提高井筒与储层的连通性，提高增产作业效果；管柱实现全通径，使井筒内流体的流动更通畅；适用

图5 Elect压裂滑套

水平段更长，增大油井与油藏的接触面积，提高采收率；采用电控方式激活，将常规套管完井工具转变为智能完井工具。Elect压裂滑套同时还具有作业工艺简化、压裂时间缩短等技术优势[3， 12]。

2.2 RFID压裂滑套

威德福基于RFID技术推出了电控压裂滑套，结构如图6所示。滑套控制单元包括射频识别装置，实现了RFID标签的识别。该滑套目前为单开滑套，滑套入井过程中处于关闭状态，滑套开关通过射频装置识别标签，由控制模块驱动，依靠流体静压作用在液压滑套的一侧，迫使滑套打开。该滑套不受岩屑影响，具有独立的内部液压系统。由于该压裂滑套内部同样不需要常规滑套所使用的球座结构，因此滑套通径增大并且滑套下入级数不受限制。

图6 RFID压裂滑套

3 传输技术

智能完井流量控制、数据采集系统依靠线缆供电实现元件驱动和控制信号传输，实时获取井下动态信息，随着光纤技术的快速发展，低成本、高精度的光纤传感和传输技术已实现应用，将进一步推动智能完井技术的发展。

3.1 可溶光纤

Well-Sense公司研发的FLI技术利用一次性光纤从油气井中采集传输数据。该光纤能够低成本、快速下入井筒中，完成整个井段的分布式数据测量。FLI采用的光纤外表裸露并仅可使用一次，完成数据测量后可溶解于井筒中，能够获取温度、压力以及声波数据。该光纤在使用过程中获得了高质量的数据，能够达到电缆或连续油管作业所达到的效果。

可溶光纤缠绕在探头上，入井测试时探头在井筒自由下落过程中解开光纤。光纤利用连续激光束，沿长度方向实时测量周围环境变化数据并传输至地面。FLI的特点是光纤不封装在井筒中，直接裸露下入，获取数据后在井筒中自行溶解。可溶光纤不需要使用连续油管或电缆，大幅降低了作业成本，与标准测井工具相比，可溶光纤质量更轻。目前所使用的可溶光纤从直径50 mm、长度1 m的铝制圆筒中缠绕引出，光纤总长约为4 600 m，总质量不超过15 kg，光纤直径为200 μm。可溶光纤采用涂层防护，根据现场需求，作业时间从数小时到数天。Well-Sense探头及可溶光纤入井如图7所示。

图7 Well-Sense探头及可溶光纤入井

3.2 分布式光纤

Silixa研制的分布式光纤系统XwellXpress，采用井间低频应变与微地震监测技术，实现了实时定位微地震与应变，从而能够实时优化增产作业与完井方案，解决了当前高成本、易干扰、缺乏实时数据的问题。该技术的关键是分布式声波传感器采用工程光纤，与其他DAS系统相比，信噪比(S/N)提高了100倍，慢应变与微地震的低频范围提高了100倍以上。分布式声波传感器性能与10 Hz左右的地震检波器性能相当，优于1 Hz以下范围内的地震检波器的响应。高灵敏度的低频应变测量为储层内井间孔隙弹性构造的监测以及邻井中压裂干扰的监测提供了有价值的数据。

由于目前无法采用电缆进行实时压裂监测、井间应变测量，特别是岩石力学或应变的孔隙弹塑性影响的测量，而XwellXpress系统利用建模与可视化处理实现了对整个井眼的实时监测，所使用的电缆可部署到未进行增产作业的井筒中，并将其作为观察井，在水力压裂作业期间得到井间应变数据，从而更好地掌握实际裂缝形状的有效性。根据井间应变数据可以观察到临界应变效应与作业过程，包括泵启动时间、孔隙弹性效应、压裂干扰、泵停止时间以及裂缝闭合。基于数据得到裂缝的深度、方位以及速度曲线，并能够将其反馈到裂缝模型，XwellXpress采集数据(右)与永久光纤数据的对比结果如图8所示，所采集数据可与永久光纤的数据相结合，为压裂监测与完井诊断提供更广的覆盖范围。根据测量结果优化压裂设计，提高油藏最终采收率[13-14]。

图8 XwellXpress采集数据(右)与永久光纤数据对比(左)

4 结 语

本文介绍了隔离阀、压裂滑套和数据传输等智能完井相关技术的进展和应用情况。隔离阀实现了智能控制和多次开关功能，降低了现场作业风险及成本。压裂滑套实现了电动控制，能够进行无限极压裂，并且压裂后形成全通径，解决了常规滑套级数受限、压裂后滑套通径小等影响后续产量的问题，将智能压裂滑套进行结构改进，能够应用于井下流量控制。Well-Sense可溶光纤和XwellXpress分布式光纤系统实现了低成本、高精度井下数据采集传输，为井下环境参数测量和信号传输提供了新的工艺方法。上述智能完井相关技术的进展将显著降低成本并提高现有技术的可靠性，推动智能完井的发展。