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采用无线智能完成技术张铭泉

2022年07月12日

采用无线智能完成技术

自1997年首次部署以来，智能完井的应用和价值已得到充分记录.1由于成本高且复杂，无线智能完井的进步仅限于高价值的单井。然而，新技术已经证明，无线通信可以成为一系列井类型的经济高效，可持续的解决方案，以优化生产并改善油藏管理。

PulseEight细长间隔控制阀由Tendeka开发，提供无限可变的阻塞能力和多个集成传感器Equinor现有的ICV认证标准已经完成，已经过调整和扩充，以反映无线解决方案与传统技术之间的差异。

技术

智能完井系统必须包括井下监测以及控制或关闭井筒内各个区域的流量的能力。通常，液压操作的滑动套筒配置已用于在永久安装的中间或下部完井中提供该功能。在完工期间作为独立系统部署的电子多滴测量仪提供监测。最近全电动系统的出现使得传感器技术与控制阀的集成成为可能。

对于无线智能完井技术，初始ICV配置已经开发为在线设备，用于控制来自下方的流量，配置插头时，或配置有跨骑时的上部间隔。

对于现有的锂离子电池，在65 ° C 以下的温度下，使用寿命的技术限制大约为8年，但在较高温度下显着降低，导致该技术的使用寿命通常低于使用寿命。提供可以在以后的井周期中安装的系统，或者可以检索以实现电池更换的系统，显着地增加了技术的适用性并且降低了新技术的部署风险。

为了实现这种可回收性，该装置需要足够小以适应现有的管道尺寸。只需2.5英寸外径，整个系统可以部署在尺寸低至31/2英寸的管道中，这使其成为迄今为止开发的最小的ICV。

具有无级可变扼流圈的扼流圈外壳，其尺寸和设计可适合应用。包括多循环非弹性密封件，用于关闭要求

致动器和电子部分，其包括用于监测扼流圈壳体上游和下游的压力的石英传感器

电池外壳，其尺寸可以适应应用并最大限度地延长使用寿命。

双驱动器系统能够独立操作，用于提供数据传输和流量控制的独立功能。数据传输系统通常是开放式液压致动器，以对流动压力产生临时变化，并限制行程和失效开放功能。流量控制系统是固定的机械联动装置，用于管理或关闭流量和故障打开功能。全电动系统由微处理器驱动，可以响应地面指令管理流量，或者可以使用压力传感器的输入自动响应井环境。例如，这可用于维持扼流圈上的目标压降，或响应检测到的井关闭。

无线信号被创建为由固定数量的正或负压脉冲形成的离散电报。这些是通过改变发射器处的流动压力状态而产生的，并且它们在接收器设备处是可检测的。在可压缩的生产流体中，可能发生显着的信号衰减。然而，通过使用具有高振幅输入信号的少量较长脉冲，可以在多相和气体环境中在整个井长度上传输数据。这将数据传输速率限制为监测流动性能和储层耗尽所需的量。它还可用于为工具提供指令，由于其低功率要求，使其适合长期应用。

通过操纵井口扼流圈来产生表面命令或表面到工具指令，以产生可由ICV检测为井下流动压力变化的脉冲。创建多个脉冲，其基于每个脉冲之间的幅度，持续时间和时间步长向设备提供指令。电报可处理各个ICV，并可携带多达16种不同的指令类型。这些说明可包括移动阀门位置，更改设备设置和数据请求的命令。

无线工具使用相同的遥测过程发送工具到表面数据。在这种情况下，该工具可以提供良好的诊断数据，状态信息，或者只是确认收到指令。使用井口压力传感器在地面检测来自工具的信号，并使用系统软件应用程序进行解释。2

压力脉冲现场试验

2016年4月，无线ICV被部署到北达科他州非常规Bakken剧中的一口井中。

试验的主要目的是确定设备检测表面扼流圈产生的压力脉冲和解释电报序列的能力。这是第一次在现场井中演示半双工通信，并首次使用自动脉冲检测和电报解码算法。

该井已经完成了套管和穿孔的多区压裂工艺，并且复合塞被铣削以准备试验。在初始条件下，井将通过27/8-in自然产生。油管柱。因此，ICV采用吊舱配置的管道进行部署，这使得ICV的较大OD可以容纳在31/2英寸内。管段，图3。

共计7,000英尺27/8英寸。管道运行，导致125 ℃的深度温度。在该温度下，所使用的单个电池组具有245天的计算使用寿命 - 对于试验目的而言是足够的。在上部安装了一个手动井口系统，其中电子仪表连接到SCADA系统，用于记录管道和环空压力，并将井连接到现场分离器和液体储存设施。

该井在遥测开始前几天投入生产，以使井能够清理并达到稳定的生产条件。在试验开始时，通过28/64-in记录井产量为1,650 psi。扼流圈，可变油率为900-1,900桶/天，稳定水率为1,500桶/天，燃气率在1.8 MMscfd和2. l MMscfd之间变化。还注意到稳定的压力下降83psi /天。

由于没有详细的生产力或良好的性能数据可用于实现遥测建模，因此制定了遥测优化计划，以便在运行期间实现最大的灵活性。ICV采用“宽扫描”测试脉冲序列编程，可以选择TTS通信的最佳阻塞设置。为了确定STT通信的合适尺寸，使用井口扼流圈进行一系列阻塞变化，然后完全关井以评估合成井口压力变化的幅度和系统响应性。

由于井中没有封隔器，在管道和环形WHP压力表上都检测到压力响应。环形测量仪记录的压力变化大于50psi，并且由于可以假设环空将部分或全部充满气体，因此它提供了可以实现强脉冲信号的良好指示。据指出，由于扼流圈变化引起的井间干扰导致井的不稳定性增加，这在遥测试验期间进一步观察到。

在预编程的开始时间，观察到ICV移动TPS，这将确定TTS电报的最佳脉冲配置。然而，在试验的其余部分没有观察到ICV的进一步移动。随着TTS能力的丧失，确认ICV能够成功检测和解释STT电报的主要试验目标是在没有反馈的情况下进行的。然后，试验依靠ICV记录的数据来评估接收到的信号，这些信号在井完成并取回瓣膜之前是不可用的。

测试脉冲检测

测试的初始阶段评估了离散测试脉冲的检测，其在尺寸，持续时间和间隔方面都不同。在计划的应用中，该测试扫描使得遥测能够被优化并且可以重复，因为井参数随时间变化。在这种情况下，检测到的脉冲数据来自检索到的ICV上存储的信息。

表1 列出了不同脉冲幅度的记录结果。ICV成功检测到所有脉冲，包括脉冲4，这是在系统紧急关闭之后产生的，然后井恢复稳定生产。值得注意的是，关闭将注册为阀门的脉冲，这意味着如果在应用程序中发生这种情况，则需要允许建议的电报“超时”。

该井最初生产的是32/64英寸。在l，460 psi时扼流圈。使用更换为30/64英寸的扼流圈产生脉冲，这导致典型的表面压力变化为60至70psi。

在试验的第二阶段，创建了一系列电报，为ICV提供指导。成功的电报传输要求在固定的时间窗口内接收各个脉冲，而不会将其他井压干扰误识别为脉冲。

ICV清楚地检测到由阻塞变化产生的每个脉冲。随着井下压力不稳定的幅度，低于脉冲检测阈值，ICV正确地解码了从地面发送的每个电报。

失败分析和设计变更

在取回ICV之前，进行瞬态流动分析以研究系统的流体动力学是否与压力脉冲遥测相容。分析表明阀门上方有潜在的管道泄漏，但结论是可以检测到压力脉冲，如图5所示。

五个月后，从井中检索ICV并从工具中恢复数据。进行了详细的调查，以确定在试验的初始阶段工具机械故障的原因。调查得出结论，由于固体砂和油残留物堵塞过滤槽而发生故障，这些过滤槽设计用于防止碎屑进入液压补偿波纹管。

结果，进行了设计改变以完全消除波纹管和过滤器的要求。使用补偿活塞实现了变化，补偿活塞可以容忍碎屑。通过改变打开的活塞几何形状，碎屑将能够进入阻塞活塞区域，这可以在关闭时容忍，并且在生产时流出。在第二次现场试验之前，对该系统进行了测试和重新认证。

云连接现场试验

该现场试验的主要目的是展示井内系统中ICV的全部功能。由于设备要留在井中，将常规电报发送到地面，因此能够远程访问数据有许多优点，并且确定了演示云连接系统的次要目标。由于最简单的恢复井口压力数据的机制是使用无线表面压力系统，因此最终的计划系统完全是无线的，从ICV到远程桌面或智能手机。

在石油和天然气技术中心的资助下，该公司和OMV集团于2017年12月在奥地利的一个储气井内安装了井下设备和新开发的地面系统。

无线ICV部署在钢丝上，安装在位于2.75英寸内的锁芯下方。X乳头轮廓深度为1,129米。它被编程为通过井中流动状态中包含的先前描述的压力脉冲信号将常规压力和温度信号发送到地面。在这个深度约40°C的低井底温度将使其能够在单个电池上使用常规电报工作近18个月。

在生产过程中，流量变化以满足当地的天然气需求，最大可能的速率仅为6.5 MMscfd，这是多垫位置的远程控制。井口扼流圈的局部变化只能通过井口上的手动扼流圈来实现。

无线压力传感器用于监测窒息井时在表面上产生的脉冲的幅度，以及检测由无线工具产生的压力脉冲。井口传感器通过?-in连接到井口。NPT连接位于表面扼流圈的上游。

在井场控制舱内约100米处建立了一个表面采集单元，并通过射频通信与井口传感器同步。SAU采用内部硬连线Modbus，将数据记录器连接到系统表面应用程序。SAU充当远程终端单元，运行具有固定IP地址的Web服务; 虚拟专用网络内的其他计算机或设备可以通过现有移动电话网络连接的浏览器实时访问数据。这允许通过任何联网的计算机终端或公司专用的智能手机应用程序直接从ICV访问实时输出，如图6所示。

现场操作

作为系统安装和调试阶段的一部分，在地面进行了一系列阻塞变化，以评估扼流圈的循环时间，所需的阻塞百分比以及DAQ系统的响应性。在TPS系统内，存在反馈回路以确认系统所需的最佳压力脉冲，以便有效地与设备进行通信。这被定义为表面阀的简单匝数以违反所需的响应，这有助于将来与系统进行的通信的简单性。

无线ICV成功地将每周压力和温度信号发送到地面，数据和解释结果可通过无线网络链接实时查看。由于该井是在冬季交付阶段运行的储气井库存的一部分，生产率可以按小时变化，这是所服务的网络的峰值电力需求所要求的。这不仅挑战了井眼通信系统的稳健性，而且还挑战了对接收到的信号进行解码的表面应用。图7 表明接收的电报脉冲幅度低于系统噪声的幅度，但可以根据已知的开始时间，一致的幅度和长度来识别。因此开发了脉冲检测算法以解释这些特征。

在试用期结束时，表面命令被发送到无线ICV，请求改变位置。这最终导致井的最终关闭，以证明装置在气体系统内的密封完整性。三个月后检索到它，并确认已完全正常工作。

结论

无线智能完井的好处是深远的。它可以简单地作为传统的完成部署，并且可以作为更具成本效益的解决方案轻松演示。此外，它还可以扩展传统智能完井的应用范围。

使用低复杂度的压力脉冲遥测技术可最大限度地降低硬件要求并减少系统接口挑战。在开发和试验阶段，已经证明：

可改装的小型无线ICV具有强大的资格，可在井下环境中长期使用

通过操纵井口扼流圈可以实现半双工通信

信号校准系统可以在不断变化的生产环境中提供最佳遥测

无线ICV可以成功接收和解码表面命令

可以通过基于云的界面轻松监控智能完井系统。

未来

虽然无线智能完成的发展仍处于早期阶段，但与传统的液压技术相比，其进步已经取得了重大的里程碑。这最终部署了世界上第一个无线云连接智能完成。

在成功展示了该技术的可行性和灵活性之后，无线智能完井的未来在改善油藏管理方面具有巨大潜力，作为数字油田解决方案的一个组成部分。