Oilfield Review

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3 信息时代的钢丝技术 一直以来, 特别是近几十年, 油气勘探与生产遇到的挑战越来越大 勘探与生产行业几乎所有领域的技术与技术应用也与这些挑战同步发展 因此, 勘探与生产行业的设备 工具 软件及人员技术技能一直并且仍将处于技术发展的最前沿 而另一方面, 钢丝技术却与此发展趋势背道而驰, 自从钢丝作业问世以来该技术几乎没有什么改变, 一直应用于生产井干预作业 除了最近推出的电池驱动装置和存储式传感器之外, 所采用的工具以及作业中能给作业者提供的信息几十年来基本上没什么变化 按照当前标准衡量, 钢丝技术提供的井下信息在性质 数量和可用性方面都有很大局限 直到最近钢丝技术才实现了重大进展, 即采用尖端技术如实时可视 交互及控制, 同时保持了钢丝简单这一突出优点 在改进或开发技术应用的研发过程中, 我们往往在设计上考虑过多, 从而使技术方案过于复杂 这样一来, 系统不再简单, 创新系统变得过于繁杂, 但效率也低于先前的简单系统 新的综合创新理念融简单和复杂于一身, 研发人员开发出的产品使用起来很简单, 其后台却相当复杂, 用户不必对其复杂的后台有深入的了解 或许乔布斯的技术研发理念, 即创造不为其复杂性所羁绊的使用简单的产品就是最好的例证 不过, 科学界并非最近才意识到简单的价值 达芬奇认为 复杂的极致 就是简单 事实上, 正是钢丝内在的简单性使得其多年以来保持不变 以前旨在对钢丝做出重大改变的各种尝试其结果迥异 科研人员曾推出一种可当作导体的钢丝电缆, 但它无法在其通常应用环境中承受必须的张应力, 或者无法执行所需的钢丝作业 最终结果是无法实现其设计初衷 发挥钢丝简单的特点, 同时重视钢丝的作用及其优势, 这才是正确选择 以标准钢丝为核心, 工程师开发出了 LIVE* 数字钢丝 除了执行传统作业之外, 它还支持实时数字遥测 再加上其他创新组件, 使钢丝具有了多种功能, 使钢丝在机械 补救和测量应用等方面都有了很大的优势 机械应用是最常见的钢丝作业 能够实时向地面提供相关的井下测量数据对机械作业产生巨大影响, 使作业者能够以一种风险可控的方式进行井下 作业 此外, 数字钢丝系统可提供所有作业的数字记录, 而对这些信息的需求越来越多 也许最重要的是, 这些井下作业方面的新进展可能会在业界提高采收率的努力中发挥重要作用 通过钢丝进行数字遥测的想法很简单, 但操作起来难度很大 难点在于如何制造绝缘钢丝, 即如何找到连接电缆和绝缘层的方法, 使钢丝在经受恶劣环境下的多次弯曲 高张应力以及震动影响之下仍能保持完整性和作业能力 经过多年努力, 工程人员已经成功开发出满足上述要求的钢丝, 与此同时根据目前勘探与生产行业的需要进行了必要的改进, 具有很大的优势 ( 请参见 数字钢丝新技术, 第 6 页 ) 数字钢丝具有电缆的诸多优势, 同时保持了传统钢丝简单 占地少的特点, 非常适合于井下作业优化, 风险很小 这项出色技术一定会在勘探与生产行业中占据应有的一席之地 Stuart Murchie 钢丝服务市场与技术经理斯伦贝谢油田服务法国 Roissy-en-France Stuart Murchie 在苏格兰邓迪大学获得机械工程学士学位, 后于 984 年在阿伯丁加入斯伦贝谢试井部门, 开始了自己的职业生涯 988 年, 他被调任至电缆测井部门, 在亚洲担任多个现场作业职位, 之后在巴黎担任电缆测井与试井新技术经理 999 年, 他被任命为数据解释与咨询服务副总裁, 工作地点在休斯敦 之后担任过的职位包括油田服务北美和南美地区 QHSE 经理, 以及在泰国担任油田服务亚洲中东部地区总经理 他在 24 年回到英国, 担任油田服务英国和爱尔兰地区总经理 25 年, 他担任斯伦贝谢一体化项目管理人事经理, 之后担任欧洲 非洲和里海地区副总裁 自 2 年起,Stuart 担任钢丝服务市场与技术经理, 工作地点在 Roissy-en-France 带星号 (*) 者为斯伦贝谢公司商标

4 斯伦贝谢 油田新技术 中文版 主编 杨春胜 油田服务 斯伦贝谢中国公司 翻译 北京创思商务服务有限公司 制作 / 印刷 北京星宇大川商务服务有限公司 顾问委员会委员 Lawrence Chou 油田服务 斯伦贝谢中国公司 曾维忠 油田服务 斯伦贝谢中国公司 Tee Chew Poh 油田服务 斯伦贝谢中国公司 油田新 技术 4 新一代油藏模拟技术 为了最大限度提高油气藏采收率 软件开发 者不断开发越来越复杂的油藏模拟软件 上个世 纪三十年代最早的油藏模拟器只是一些包括油 水以及砂岩的物理模型 而今天的油藏模拟器采 用了高性能计算硬件和现代化软件工程技术 能 对极其复杂的油气田进行模拟分析 新一代模拟 器将诸多新技术集成到一个系统中 包括新的井 模型 高级网格化技术 可扩展并行计算基础技 术 高效线性求解程序和油田管理模块 这些功 能可帮助作业者更准确地进行预测 从而更好地 进行油田开发决策 宋光晨 信息解决方案 斯伦贝谢中国公司 李 峋 电缆测井 斯伦贝谢中国公司 Paul Docherty 人工举升 斯伦贝谢中国公司 Yong Chai Hing 钻井与测量 斯伦贝谢中国公司 刘 海 油井服务 斯伦贝谢中国公司 6 数字钢丝新技术 自从钢丝作业问世以来该技术几乎没有什么 改变 其应用也基本未变 最近投入使用的数字 钢丝有了新的变化 它将电缆信息传输能力与传 统钢丝的强度和简单结构特点有机结合在一起 本文通过墨西哥湾深水和浅水地区的应用实例证 明了新型数字钢丝的应用潜力 杨兴旺 数据解释 斯伦贝谢中国公司 邓文思 地学与油藏工程 斯伦贝谢中国公司 钱海燕 西方奇科地震服务 斯伦贝谢中国公司 Junn Shyong Lee 完井 斯伦贝谢中国公司 于立海 试井 斯伦贝谢中国公司 张小龙 钻头与先进钻井技术 斯伦贝谢中国公司 2 油田 新 技术 是斯伦贝谢公司 出版的季刊 该刊向油田专业人 员介绍石油勘探与开发中的技术 进步 斯伦贝谢公司将该刊分发 给其雇员和客户 只列有地址的作者是斯伦贝谢公 司或分公司的雇员 22 斯伦贝谢版权所 有 未经事先书面许可 本出版物的任何部分都 不得以任何的形式或手 段 如电子 机械 照相 录制等进行复制 资料 检索或传送 英文版编辑部 Oilfield Review 5599 San Felipe Houston, Texas 7756 USA 电话 () 传真 () 电子邮件 editoroilfieldreview@slb.com

5 2 年冬季刊 23 卷 第4期 ISSN 油田新技术 英文版 26 稳定井眼防止井漏 对于司钻来说 钻井液漏失到地层中 即井漏 事故的严重程度不尽相同 为了将井漏的风险和与 之相关的非生产时间降到最小 业界已研发出一系 列井筒加固材料 可阻止裂缝延伸 确保钻井作业 有序进行 36 混合型旋转导向系统 旋转导向系统为钻复杂轨迹的井眼提供了一 种可靠且经济高效的方法 然而 在钻大斜度井眼 时 造斜率超出旋转导向系统的能力 此时仍需使 用低速容积式马达 目前已开发出一套新的系统 该系统兼备了容积式马达的高造斜率和旋转导向系 统的高机械钻速 执行总编 Lisa Stewart 高级编辑 Matt Varhaug Rick von Flatern 编辑 Tony Smithson 特约编辑 David Allan Ted Moon Ginger Oppenheimer Rana Rottenberg 设计 / 制作 Herring Design Mike Messinger 插图 Stabilizer blades Chris Lockwood Tom McNeff Mike Messinger George Stewart Control unit Internal geostationary rotary valve 顾问委员会委员 Gretchen M. Gillis Aramco 服务公司 美国得克萨斯州休斯敦 Roland Hamp Woodside 能源有限公司 澳大利亚珀斯 Dilip M. Kale ONGC 能源中心 印度德里 45 本期作者简介 48 油田新技术 第 23 卷索引 George King 阿帕奇公司 美国得克萨斯州休斯敦 封三 油田新技术 下期内容介绍 Richard Woodhouse 独立咨询专家 英格兰萨里 Alexander Zazovsky 雪佛龙公司 美国得克萨斯州休斯敦 英文版 可从下列地址征订 油田新技术 Oilfield Review Services Pear Tree Cottage, Kelsall Road Ashton Hayes, Chester CH3 8BH UK 传真 (44) 电子邮件 subscriptions@oilfieldreview.com 油田新技术 中文版 译自斯伦贝谢的英文季刊 Oilfield Review 客户可从斯伦贝谢中国公司得到 地址 北京市朝阳区酒仙桥路4号兆维华灯大厦 邮编 5 传真 (86) 电子邮件 yangcs@beijing.oilfield.slb.com 斯伦贝谢中国网站 3

6 David A. Edwards Dayal Gunasekera Jonathan Morris Gareth Shaw Kevin Shaw Dominic Walsh 英国Abingdon 新一代油藏模拟技术 复杂的地质情况 高昂的资源开发成本促使油藏模拟技术不 断发展 新一代油藏模拟软件采用数百万个非结构化网格模型模 拟渗透率差异较大的地质构造 通过采用更加接近实际情况的模型 新型模拟软件有助于提高新老油田的最终采收率 Paul A. Fjerstad Jitendra Kikani 雪佛龙能源技术公司 美国得克萨斯州休斯敦 Jessica Franco 道达尔公司 安哥拉罗安达 Viet Hoang 雪佛龙能源技术公司 美国加利福尼亚州San Ramon Lisette Quettier 道达尔公司 法国波城 油田新技术 2 年冬季刊 23 卷 第 4 期 22 斯伦贝谢版权所有 ECLIPSE 和 INTERSECT 是斯伦贝谢公司的商标 I n t e l I n t e l TM I n t e l TM I t a n i u m 和 Pentium 是英特尔公司的注册商标 Linux 是 Linus Torvalds 公司的注册商标 Windows 是微软公司的注册商标 95 人们对模拟软件的兴趣由来已 久 长期以来人们使用模拟软件对各 种复杂活动进行模拟 模拟可以分成 三个时期 计算机前时期 计算机模 拟形成时期和计算机模拟扩张时期 [] 777 年法国科学家布冯进行的投针实 验是计算机前时期 年 有记载的首次模拟活动 在该实验中 随机向一个平面上投针 以此估算圆 周率 π[2] 从 945 年到 97 年是计算 机模拟形成时期 这个时期人们使用 第一代电子计算机解决军事领域的问 题 应用范围从火炮射击方案到氢弹 开发 扩张模拟时期 从 97 年到现在 最突出的特点是模拟技术的广泛应用 从游戏到防灾准备乃至人工模拟各种 生命形式 各种模拟活动层出不穷 [3] 对于那些计算起来比较困难 存在潜 在危险或成本较高的领域的计算机模 拟 工业和政府方面的兴趣不断增长 油田模拟适合上述所有标准 石油和天然气模拟涉及的活动范 围很广 从深埋地下的储层到地面的 加工厂 以及最终的经济开发评估 下 一页图 诸多因素促使当前的生产模 拟计划在尽可能短的时间内获得精确 结果 这些因素包括偏远的生产位置 复杂的地质构造 复杂的井轨迹 提 高采收率计划 稠油和非常规天然气 开采等 如今作业公司必须快速做出 2 ^ 理想化的裂缝延伸横截面视图 通过连续泵入压裂液 虚线箭头 使裂 缝沿最小应力面向两边延伸 形成裂缝单翼 4 油田新技术

7 ں ௬ ஏఇ ဣཥ ࡗ ײ ఇ ဣཥ ঢ়षఇ ဣཥ ༀ ۯ ༀጨଙ ᆳ ఇ ဣཥ ^ 生产模拟 油藏工程师分析动态和静态资料 右下 编制油藏模拟的输入资料 左下 油藏模拟系统的基本任务是分析流体在多孔介质中的流动特征 并估算油井生产动态随时间的变化趋势 获得的资料转交给生产工程师后 建立生产井模型和地面网络模拟系统 左上 地面工程师根据生产资料和 产出组分资料 在过程模拟系统 右上 的帮助下建立油气加工厂模型 最后 来自所有模拟系统的资料都传输到经济模拟系统中 右 进行经济评估 投资决定 而且不能仅根据早期井动 态资料制定油田开发计划 如今 作 业公司需要精确模拟油田的各个阶段 从储层发现到二次开采 直到最终的 废弃 这其中最关注的是储层模拟 本文描述了用于油藏模拟的工具 和过程 并通过澳大利亚 加拿大和 哈萨克斯坦等地的实例讨论了新一代 油藏模拟软件如何帮助作业公司进行 油藏模拟 油藏可视化 最早的油藏模器拟可追溯到 2 世 纪 3 年代 属于物理模拟 通过这种 物理模拟 可以直接观察砂岩 油和. Goldsman D Nance RE 和 Wilson JR A Brief History of Simulation Rossetti MD Hill RR Johansson B Dunkin A 和 Ingalls RG 编 辑 Proceedings of the 29 Winter Simulation Conference 美国得克萨斯州奥斯汀 29 年 2 月 3 6 日 布冯投针实验是已知最古老的研究几何概 率问题的实验 实验过程中 将针随机投 到一张画有网格线的纸上 然后计算针与 直 线 相 交 的 概 率 这 个 概 率 与 圆 周 率 π 2 年冬季刊 水之间的相互作用 一般是在具有透 明侧壁的容器内 [4] 这种早期的物理 模拟器一般在作业公司进行水驱过程 中不清楚油藏动态特征时采用 除了 物理模拟器 科学家们还用了电模拟器 这种模拟器的原理是电流的流动状态 和储层流体的流动状态之间的相似性 在 2 世纪 5 年代初期 尽管当 时物理模拟器仍在使用 但研究人员 已开始考虑如何通过分析的方法了解 储层特征 了解生产过程中储层内发 生的情况和疾病诊断过程类似 尽管 拥有来自各种实验室试验的资料 但 医生并不能直接观察疾病的整个发展 过程 他们必须根据实验室结果推断 病人身上发生的情况 油藏工程师面 临的情况和医生一样 他们不能实际 观察地下储层的动态 而是必须依靠 各种资料来分析地下深处具体发生了 什么情况 油藏工程师用生产数据和其他 资料建立分析模型 分析储层流动及 其他储层特征 在储层模型中 用于 描述流体动态的公式的基本原理早在 一百多年前已为人所知 包括质量守 恒定律 流体力学 两相流热动力平 衡原理 [5] 把上述原理用于油藏后 得到大 量复杂的非线性偏微分方程 早期用 来描述储层流体动态的分析推论仅限 有 直 接 的 关 系 有 关 详 细 信 息 请 参 见 Weisstein FW Buffon s Needle Problem WolframMathWorld com/buffonsneedleproblem.html 2 年 7 月 25 日浏览 4. Peaceman DW A Personal Retrospection of Reservoir Simulation Proceedings of the First and Second International Forum on Reservoir Simulation 奥 地 利 Alpbach 988 年 9 月 2 6 日 和 989 年 9 月 4 8 日 F r e d d o l i n o P L A r k h i p o v A S L a r s o n S B McPherson A 和 Schulten K Molecular Dynamics of the Complete Satellite Tobacco Mosaic Virus Structure 4 卷 第 3 期 26 年 3 月 Adamson G Crick M Gane B Gurpinar O Hardiman J 和 Ponting D Simulation Throughout the Life of a Reservoir Oilfield Review 8 卷 第 2 期 996 年夏季刊

8 于简单模型 而目前的模型模拟的是 复杂情景 下图 [6] 尽管用于构建 油藏模型的方程式很简单 但不能得 出精确解 而且必须用有限差分法进 行求解 [7] 在油藏模拟过程中 存在 模型复杂程度与收敛到一个解的能力 间的权衡 计算能力的提高大大改善 了油藏模拟软件的性能 特别是针对 复杂模型和采用大量网格的情况 下 一页图 [8] 过去数十年在计算机硬件方面的 进步也使得模拟能力稳步提高 [9] 在 2 世 纪 5 年 代 初 期 到 2 世 纪 7 年 代之间 油藏模拟软件从二维 简单 几何形态发展到三维 实际几何形状 和黑油流体模型 [] 2 世纪 7 年代 研究人员引入了组分模型 并将重点 放到提高采收率方面 在 2 世纪 8 年代 模拟软件发展的重点是复杂油 井管理和裂缝性油藏 在 2 世纪 9 年代 采用图形化用户界面使得模拟 软件更加方便易用 到了 2 世纪末 油藏模拟软件又增加了新的特征 如 局部网格细化 处理复杂几何构造的 能力 并综合了地面设施 现在的模 拟软件已能处理复杂油藏 同时提供 一体化全油田管理方案 这种模型 被 称为新一代模拟软件 充分利用了近 期开发的技术如并行计算技术等 并行计算 分而治之 目前油藏模拟软件的标志之一是 使用了并行计算系统 并行计算的工 作原理是将大问题如油藏模拟 分解 成小块 然后同时求解 或者说是并 行解决 对提高计算性能的不懈追求 模拟可压缩 流体的一维流动 模拟复杂油藏中 n种组分的流体流动 ^ 油藏模拟演变过程 2 世纪 5 年代初期开始尝试用分析方法描述油藏流体的流动 研究人员开 发了偏微分方程 来描述油藏中可压缩流体的一维流动状态 上 这个方程是基于流体在多孔介 质中流动所遵循的达西定律 加上质量守恒定律推导出来的 它将压力描述为时间和位置的函数 关于详细信息 请参见 McCarty DG 和 Peaceman DW Application of Large Computers to Reservoir Engineering Problems SPE 844 发表在得克萨斯大学和得克萨斯 A M 大学 AIME 学生分会联合 会议上 得克萨斯州奥斯汀 957 年 2 月 4 5 日 最新开发的用于油藏模拟的模型模拟多种 流体组分在油藏中的流体特征 而油藏被划分成大量三维网格 下 用达西定律 质量守恒定律 和两相流的热动力平衡定律确定用来描述流体进出上述网格的方程式 除了流动速度 该模型还描 述其他变量 包括压力 温度和相饱和度 关于详细信息 请参见 Cao 等人 参考文献 6 6 促成了串行处理到并行系统的转变 2 世纪 8 年代和 9 年代 计算 机硬件设计师依靠提高微处理器的运 行速度来提高计算能力 这种被称为 变频的技术在 24 年以前一直是决定 处理器处理能力的主要因素 [] 因为 达到较高频率必须消耗大量电力 变 频技术最终被弃用 设计个人电脑的 硬件设计师开始转向多核处理器 并 行计算的一种形式 然而 直到 2 世纪 9 年代左右 才开始形成将并行处理引入油藏模拟 软件的想法 在最初的实验中 油田 研究人员使用一台安装了 6 个处理器 的英特尔电脑 结果发现它能有效处 理一个油 - 水模拟模型 [2] 从此开始 普遍使用并行计算机系统进行油藏模 拟 随着计算设备价格不断下降 通 过网络把单一机器串接成机群 在机 群上运行并行计算系统成为一种标准 做法 多台机器并行作业 作为一个 整体完成一项工作 并行计算的目的 是通过在 n 个处理器以 n 倍快的速度 解决大量的计算问题 [3] 因为诸多原因 这种理想状态很少能够实现 对现代油藏模拟软件采用的典型 系统进行直观化表示可能对了解并行 网络的局限性具有指导意义 这种系 统可能具有几台独立的计算机 通过 集线器和交换机与主控计算机和网络 服务器联网 [4] 由于单台计算机都负责各自的 油 藏 部 分 它 们 之 间 的 信 息 传 输 到 主控计算机上 并通过网络传输给其 他系统 用并行计算术语的说法 就 是单台处理器是计算系统的并行部分 而主控计算机则是串联部分 [5] 整体 通讯效果是只能接近但无法实现理 想性能的主要原因 任何计算系统 包括并行系统 都有一定的局限性 并行系统能够实现的最高改善 预 期 以 阿 姆 达 尔 定 律 表 达 [6] 以 一 套模拟程序在一台处理器上需要 小 时 完 成 所 有 计 算 任 务 为 例 将 这 油田新技术

9 新一代模拟软件 自 2 年 后 石 油 工 程 师 可 以 选择多种油藏模拟软件 由于模拟软 件数量众多 SPE 设立了很多研究项 目用于比较分析各种模拟软件 [7] 尽 管这些模拟软件各不相同 但他们的 基础结构都相同 都依靠串行计算和 简单网格 ECLIPSE 模拟软件就是其 中 一 例 [8] 过 去 25 年 来 ECLIPSE 模拟软件一直是模拟软件的标杆 并 且不断更新 能分析各种油藏特征 但 和 微 处 理 器 一 样 油 藏 模 拟 软 件 也遇到这样一个问题 过去熟悉的 工具可能不再适合目前某些油田开 发难题 科学家们已经开发出了新型油 藏模拟工具 新一代模拟软件 它 将模拟技术更广泛地用于处理目前 油田中存在的日益复杂的问题 上述模拟软件充分利用了几项 新 技 术 包 括 并 行 计 算 高 级 网 格 技 术 现 代 化 软 件 工 程 和 高 性 能 计 算 硬 件 等 选 择 新 一 代 模 拟 软 件 还 是老一代模拟软件取决于油田的复 杂 程 度 和 商 业 需 求 如 果 目 标 油 藏 需要大量网格单元精细描述复杂的 地 质 特 征 局 部 要 求 网 格 细 化 或 者 渗 透 率 差 异 较 大 则 应 考 虑 使 用 新一代模拟软件 2 年冬季刊 8 9 ᆈ༬ Ҿ༮2 ت ഗ ᆳ ڇ ᇮ ᆈ༬ ت ഗ ᆈ༬ Ԧ༮II ت ഗ ᆈ༬ Ԧ༮ ت ഗ ᆈ༬ 486 ت ഗ 5 6 ᆈ༬ 386 ت ഗ 4 ᆈ༬ 286 ت ഗ ت ഗዐ ຕଉ ᆈ༬ Ԧ༮4 ت ഗ ᆈ ๑ᆩ ڦ ᆳ ڇ ᇮຕଉ 小 时 的 总 时 间 分 成 9 小 时 的 并 行 分量和 小时的串行分量 针对这个 例 子 阿 姆 达 尔 定 律 认 为 无 论 向 并 行 计 算 部 分 分 配 多 少 台 处 理 器 最 短执行时间都不会少于 小时 因为计算速度决定于串行通讯 的 效 果 油 藏 模 拟 过 程 中 对 于 给 定 问题 总是存在一个最佳处理器个数 尽管系统的数据管理和内勤部分是 无 法 实 现 理 想 状 态 的 主 要 原 因 还 有 其 他 因 素 影 响 计 算 速 度 包 括 处 理 器 间 的 负 载 平 衡 程 度 带 宽 以 及 系统各部分内部拥堵和延迟引起的 问 题 要 通 过 并 行 计 算 解 决 油 藏 模 拟问题必须使用针对并行作业设计 的软件和硬件 5 ᆈ༬ 886 ت ഗ ݻ ^ 计算能力与油藏模拟 在过去 4 年间 计算能力和油藏模拟的发展轨迹很相似 从 2 世纪 7 年代到 24 年 计算机微处理器按照摩尔定律发展 即微处理器 红色圆点 中的晶体管密度大 约每两年增加一倍 油藏模拟在增加能够容纳的网格数量 蓝色条块 方面与计算能力齐头并进 在过去 年中 计算体系结构一直专注于并行处理 而不是简单的增加晶体管的数量或频率 同样 油藏模拟也将重点转向油藏方程的并行解决方案 5. Brown G Darcy s Law Basics and More bioen.okstate.edu/darcy/laloi/ basics.htm 2 年 8 月 23 日浏览 Smith JM 和 Van Ness HC Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics 第 7 版 纽约市 McGraw Hill 出版公司 25 年 6. Cao H Crumpton PI 和 Schrader ML Efficient General Formulation Approach for Modeling Complex Physics SPE 965 发表在 SPE 油藏模拟研 讨会上 得克萨斯州 Woodlands 29 年 2 月 2 4 日 7. 有限差分方程用于求解近似解 这种方法从 一个基础值开始 以较小的渐进步长得出导 数的近似解 8. 英特尔公司 Moore s Law Raising the Bar 美国加利福尼亚州 Santa Clara 英特尔公司 25 年 ftp://download.intel.com/museum/ Moores_law/Printed_Materials/Moores_Law_ Backgrounder.pdf 2 年 月 7 日浏览 Fjerstad PA Sikandar AS Cao H Liu J 和 Da Sie W Next Generation Parallel Computing for LargeScale Reservoir Simulation SPE 发表在 SPE 亚太地区提高采收率国际会议上 吉隆坡 25 年 2 月 5 6 日 9. Watts JW Reservoir Simulation Past Present and Future SPE 3844 发表在 SPE 油藏模拟 研讨会上 达拉斯 997 年 6 月 8. 在黑油流体模型中 组分并不随流体采出而 发生变化 关于详细信息 请参见 Fevang Ø Singh K 和 Whitsun CH Guidelines for Choosing Compositional and Black-Oil Models for Volatile Oil and Gas-Condensate Reservoirs SPE 6387 发 表 在 SPE 技 术 年 会 暨 展 览 会 上 达 拉 斯 2 年 月 4 日. 缩 放 或 缩 放 能 力 是 一 个 系 统 或 工 艺 毫 不 费力地处理较大量或不断增加的工作量 的 特 征 性 能 关 于 详 细 信 息 请 参 见 Shalom N The Scalability Revolution From Dead End to Open Road GigaSpaces 27 年 2 月 main/presentations/bycustomers/white_papers/ FromDeadEndToOpenRoad.pdf 2 年 9 月 3 日 浏览 Flynn LJ Intel Halts Development of 2 New Microprocessors The New York Times 24 年 5 月 8 日 business/intel-halts-development-of-2-newmicroprocessors.html 2 年 9 月 3 日浏览 2. Wheeler JA 和 Smith RA Reservoir Simulation on a Hypercube SPE Reservoir Engineering 5 卷 第 4 期 99 年 月 日 提高加速比是提高并行计算效率的一项常用 措施 加速比定义为一台处理器花费的时间 除以 n 台处理器花费的时间 并行效果也可 以效率表达 即加速比除以处理器个数 4. Baker M Cluster Computer White Paper 英国 朴茨茅斯 朴茨茅斯大学 2 年 2 月 28 日 2 年 7 月 6 日浏览 并行配置中的每台计算机可能是单核处理器 也可能是多核处理器 每核定义为一个并行 处理器 能以系统的一个独立部分承担计算 任务 5. 串行分量一般称为数据管理和内勤板块 6. Barney B Introduction to Parallel Computing https//computing.llnl.gov/tutorials/parallel_comp/ 2 年 9 月 3 日浏览 7. Christie MA 和 Blunt MJ Tenth SPE Comparative Solution Project A Comparison of Upscaling Techniques SPE 发表在 SPE 油藏模拟 研讨会上 休斯敦 2 年 2 月 4 日 8. Pettersen Ø Basics of Reservoir Simulation with the Eclipse Reservoir Simulator 挪 威 卑 尔 根 贝 尔 根 大 学 数 学 系 讲 义 26 年 年 9 月 3 日浏览 7

10 ব ۅ ཤ क़ব ۅ ᆳ ڇ ᇮᇑ থक़ ڦ ব ۅ ^ 多段井模型 针对井筒每一段的节点 利用新的井模型计算出总流入量 FIN 和总流出量 FOUT 包括井筒和油藏内被连接网格单元间的所有流量 假设是三相黑油模拟 每一井段将有三项质量守 恒方程和一项压降方程 模拟过程中求解井的方程 同时求解其他油藏方程 计算出每段的压力 流速和流体组分 除 适 用 于 处 理 复 杂 油 田 外 新 一代模拟软件呈现给作业者的另一 项 突 出 优 势 是 速 度 许 多 油 藏 模 拟 工 作 都 面 临 计 算 难 题 如 果 使 用 老 一 代 模 拟 工 具 需 要 花 费 数 小 时 或 数 天 才 能 完 成 而 新 一 代 模 拟 软 件 在模拟复杂油藏方面能将计算时间 减 少 一 个 数 量 级 甚 至 更 多 这 就 使 作业者能够及时且更有信心地做出 油 田 开 发 决 策 从 而 最 大 程 度 地 提 高效益 降低风险 运行周期越短 运 行 次 数 就 越 多 反 过 来 又 使 作 业 者 能 更 深 入 地 了 解 油 藏 特 征 更 详 细地掌握地质不确定因素对生产的 影响 运行时间短也使得作业者更动 态化地使用模拟软件 利用新资料 新信息能够更精确地评估开发计划 优化开发设计 INTERSECT 油 藏 模 拟 软 件 是 目 前已经投入应用的新一代模拟工具 之一 由斯伦贝谢和雪佛龙合作开发 该研究项目于 2 年末启动 [9] 从 24 年到 2 年 道达尔公司也加 入 这 一 合 作 项 目 协 助 研 究 人 员 开 发 软 件 的 热 动 力 能 力 研 究 阶 段 及 随 后 的 开 发 阶 段 结 束 后 斯 伦 贝 谢 于 29 末年推出了 INTERSECT 模拟 软件 该系统将几项新技术集成到一 个 系 统 包 中 包 括 新 井 模 型 高 级 8 网 格 化 可 扩 展 并 行 计 算 基 础 高 效线性求解程序 高效油田管理等 为 充 分 了 解 该 模 拟 软 件 最 好 是 分 别 了 解 每 个 组 成 部 分 下 面 先 从 新 井模型开始介绍 多段井模型 INTERSECT 模拟软件采用新的多 段井模型描述井筒中的流体流动状 态 [2] 多 年 来 井 筒 情 况 变 得 日 趋 复 杂 用 来 模 拟 井 筒 情 况 的 模 型 必 须 能 够 反 映 其 实 际 设 计 情 况 并 且 能够处理各种不同的情形和设备状 况 这 些 情 况 包 括 分 支 井 向 井 流 动 控 制 装 置 水 平 井 段 斜 井 和 环 空 流 动 等 老 的 常 规 井 模 型 将 井 视 为 一 个 流 体 组 分 均 一 的 混 合 罐 因 此 反 映 的 是 总 体 向 井 流 动 状 态 新 的多井段模型克服了这种近似方法 允许每一分支产生不同的混合流体 通过将整个井筒划分成多个一 维 井 段 这 一 新 的 多 井 段 模 型 能 够 详 细 描 述 井 筒 流 体 状 态 每 一 段 由 一 个 节 点 和 一 段 管 组 成 可 能 与 油 藏网格有 处 处或多处连接 上 图 井段的节点被置于距离井口最 远 的 一 端 段 管 代 表 从 这 一 段 的 节 点到朝向井口的下一段节点之间的 流 动 路 径 用 来 定 义 指 定 井 的 段 管 和节点数只受具体被模拟井复杂程 度 的 限 制 也 可 把 节 点 置 于 沿 井 筒 中 间 点 上 在 这 些 点 上 油 管 结 构 或 井 斜 发 生 了 变 化 另 外 还 可 增 加 一 些段用来模拟阀或向井流动控制设 备 具 体 井 的 最 佳 段 数 需 要 在 数 值 模拟的速度和精确度之间作出权衡 多段井模型的一个优点是能够 灵 活 处 理 各 种 类 型 的 井 包 括 分 支 井 和 大 位 移 井 这 一 模 型 也 能 处 理 不 同 类 型 的 向 井 流 动 控 制 设 备 封 隔 器 和 环 空 流 等 情 况 然 而 新 的 多 段 井 模 型 只 是 INTERSECT 模 拟 软 件 及 类 似 软 件 的 第 一 步 下 一 步 要 9. DeBaun D Byer T Childs P Chen J Saaf F Wells M Liu J Cao H Pianelo L Tilakraj V Crumpton P Walsh D Yardumian H Zorzynski R Lim K-T Schrader M Zapata V Nolen J 和 Tchelepi H An Extensible Architecture for Next Generation Scalable Parallel Reservoir Simulation SPE 发表在 SPE 油藏模拟研讨会上 休斯敦 25 年 月 3 日 2 月 2 日 关于新一代模拟软件的另外一个实例 请参 见 Dogru AH Fung LSK Middya U Al-Shaalan TM Pita JA HemanthKumar K Su HJ Tan JCT Hoy H Dreiman WT Hahn WA Al-Harbi R Al-Youbi A Al-Zamel NM Mezghani M 和 Al-Mani T A Next-Generation Parallel Reservoir Simulator for Giant Reservoirs SPE 9272 发 表 在 SPE 油 藏 模 拟 研 讨 会 上 得 克 萨 斯 州 Woodlands 29 年 2 月 2 4 日 2. Youngs B Neylon K 和 Holmes J Multisegment Well Modeling Optimizes Inflow Control Devices World Oil 23 卷 第 5 期 2 年 5 月 日 Holmes JA Byer T Edwards DA Stone TW Pallister I Shaw G 和 Walsh D A Unified Wellbore Model for Reservoir Simulation SPE 发 表 在 SPE 技 术 年 会 暨 展 览 会 上 意大利弗洛伦萨 2 年 9 月 9 22 日 2. DeBaun 等人 参考文献 Weisstein FW Traveling Salesman Problem Wolfram MathWorld com/travelingsalesmanproblem.html 2 年 月 2 日浏览 23. Karypis G Schloegel K 和 Kumar V ParMETIS Parallel Graph Partitioning and Sparse Matrix Ordering Library manual.pdf 2 年 7 月 7 日浏览 Karypis G 和 Kumar V Parallel Multilevel k-way Partitioning Scheme for Irregular Graphs SIAM Review 第 4 卷 第 2 期 999 年 6 月 Fjerstad 等人 参考文献 Hesjedal A Introduction to the Gullfaks Field introduksjon.html 2 年 9 月 26 日浏览 油田新技术

11 将油藏划分成被称为域的小块 ࠓ ᆳ 域和并行 可扩展求解程序 计算油藏内的流体流动情况是 油藏模拟过程中最困难的部分 即 便对于采用了并行计算硬件的模拟 软件也是如此 潜在油藏网格单元的 数量比可用的处理器数量多很多倍 因此完全可将油藏网格划分成称为 域 的 区 域 并 向 每 个 区 域 分 配 一 个 独 立 的 处 理 器 进 行 并 行 计 算 把 结 构化卡迪尔网格划分成包含相等单 元数量的段 同时尽量减小其表面积 可能是一个直接简单的过程 然而 划分现实的非结构化网格则比较困 难 右图 必须使用现实网格来模 拟含有复杂断层和层段油藏的非均 质 特 征 这 类 网 格 还 必 须 有 足 够 的 细节来描绘不规则特整体 如水前缘 气体突破 热前缘和近井锥进等情况 这些不规则体通常通过局部网格细 化 进 行 捕 捉 划 分 具 有 复 杂 特 征 体 和大量局部细化体的非结构化网格 并 非 易 事 为 解 决 这 一 问 题 新 一 代模拟软件通常采用划分算法 [2] 划分非结构化网格的目的是把 网 格 划 分 成 多 个 小 段 或 域 使 得 每 个 并 行 处 理 器 负 担 相 等 计 算 量 计 算非结构化网格的最优分区比较困 难 而 且 这 一 解 决 方 案 很 不 直 观 油 藏 分 区 问 题 和 组 合 数 学 中 的 旅 行商问题 相似 旅行商问题 是 寻找一条旅行者单次走过一组城市 中 每 个 城 市 的 最 短 路 径 [22] 旅 行 商 只 关 心 如 何 尽 量 减 少 旅 行 时 间 而 油藏分区必须遵循问题的物理特征 因 此 INTERSECT 模 拟 软 件 应 用 了 ParMETIS 油藏分区算法 [23] 通过分 析在北海挪威领域内 Gullfaks 油田进 行 的 模 拟 工 作 可 知 把 复 杂 的 油 藏 网格划分成能够均衡并行计算工作 量的做法的优势显而易见 [24] Gullfaks 油田发现于 979 年 由 挪 威 国 家 石 油 公 司 经 营 是 一 个 构 造复杂的海上油田 油田内共有 6 口井 日产油大约 3 方 89 2 年冬季刊 ݥ ࠓ ᆳ ^ 油藏网格 油藏模拟软件可按非结构化方式 左上 或结构化方式 右下 排列网格 结构化网 格是六面体 立体 单元 按照统一 可重复的方式排列 非结构化网格由多面体单元组成 多面 体单元具有不同数量的面 排列顺序可能无法辨别 采用这两种网格都可将油藏按照无空白 无重 叠方式进行划分 如果结构化网格井周围具有大量经过细化的局部网格 通常按照非结构化网格处理 同样 如果结构化网格中出现大量断层时 因为没有建立相邻的连接 就变成了非结构化网格 Gullfaksᆳགྷ ݥ ࠓ Gullfaksᆳགྷᇘ ߪݴ ^ Gullfaks 油田域分解 Gullfaks 油田断层复杂 油田中布置了很多井 井身结构非常复杂 从而形 成了复杂的油藏连通结构和多种泄油方式 模拟软件综合考虑了上述所有因素 创建了复杂的非结 构化网格 为油藏划分做准备 左 图中黑色细线表示单个网格单元的边界 竖线 洋红色 代表井 不同颜色代表不同的含油饱和度 从高到低分别用红色到蓝色表示 针对一次 8 个处理器的模拟过 程 用油藏划分算法把非结构化网格分割成 8 个域 右 在划分后的油藏中 不同颜色表示不同域 图中只出现了 7 种颜色 还有一个域在油藏的下面 从这个角度无法看到 域划分的主要标准是保 证每个并行处理器的计算量相同 桶 [25] 该油田地下构造含有很多断 层 斜 井 和 水 平 井 穿 断 层 钻 进 进 行 INTERSECT 模 拟 时 把 油 田 分 割 成 几 个 域 以 便 估 算 均 衡 计 算 工 作 量需要的并行处理器个数 上图 和采用 8 个处理器的 ECLIPSE 模 拟 过 程 相 比 INTERSECT 方 法 将 计 算时间减少了五分之一之多 增加处 9

12 ௮ ፌৎ ڇ ᇮ ײݛڦ 2,55 2, ຕ 2,56 4, 2,57 ຕ 2,58 6, 2,59 ௮ ᆳ ཚ ײݛڦ 2,55 2,57 2,59 ଚຕ 8, ௮ ײݛڦ, 2, 4, 6, 8,, ଚຕ ^ 矩阵结构 线性化油藏模拟方程的矩阵一般是分散 不对称的 左 没有标记的空间代表无方 程的矩阵位置 而每个点代表与一个变量相关的一个方程的导数 右 红色正方形中的 9 个点 右 分别代表气相 水相和油相质量守恒方程 非对角线上的点 左 代表相邻层内油藏单元与其相邻 单元间的连通方程 垂直坐标轴和水平坐标轴附近的点 左 代表井方程 由此产生的模拟方程表现出不同的 特点 压力场方程表现为长程耦合 往 往 是 椭 圆 形 的 而 饱 和 度 方 程 或 质 量 守 恒 方 程 一 般 更 局 部 化 是 双 曲 线 型 的 INTERSECT 模 拟 软 件 采 用 了 高 效 求 解 程 序 以 便 得 到 这 些 方 程 系 统 的 可 扩 展 解 [26] 首 先 对 方 程 进 行 预 处 理 使 它 们 可 以 更 容 易 地进行数值求解 通过代数预处理 将系统分解成子系统 然后根据每个 子 系 统 的 具 体 特 点 进 行 求 解 这 种 方 法 有 助 于 获 得 最 终 解 形 成 的 油 藏方程通过迭代方法进行数值求解 直到整个系统 包括井和地面设施 收敛到一个解 左下图 [27] 与目前的模拟软件对比 该求解 软件大大改善了扩展能力和模拟性 能 这种高扩展求解软件的主要优点 是在适应各种油田情况的一般框架 中 它不但能处理结构化网格 也能 处理非结构化网格 下一页 上图 剩余函数 R(x) 油田管理工作流程 改善的油田管理工作流程是 INTERSECT 模拟软件包中的一部分 油田管理任务包括地面设施的设计 和更改 敏感性分析和经济评估等 传统的油田管理任务被分配到各种 模拟系统之中 包括油藏模拟系统 工艺设备模拟系统和经济评估模拟 系 统 在 传 统 的 工 作 流 程 中 模 拟 系 统 相 互 隔 离 导 致 油 田 管 理 计 划 并非最优 公差 解变量x ^ 数值解 一组完整的基本油藏方程可写成有限差分形式 上 这些方程描述了每个网格单元内 的因变量 如压力 温度 饱和度和摩尔分数 如何随时间变化 这些方程也包括很多油藏属性项 包括孔隙度 孔隙体积 粘度 密度和渗透率 参见 DeBaun 等人 参考文献 9 这组方程的数 值解采用图中所示的 Newton-Raphson 法求出 剩余函数 R(x) 因变量的某个函数 在 x 黑色虚 线标注的坐标位置 和 x 加上一个小增量 图中没有显示 的位置计算 这样 通过外推法可计 算导数或切线 黑色 预测剩余值在 x 处是否趋向于 在 x 处计算出的另一个导数预测剩余值 在 x2 处是否趋向于 这一过程经过多次迭代 直到计算出的连续 R(x) 值与规定的公差一致 导数 线与其相应 x 值交集上的轨迹点描述了剩余值随每次连续迭代变化的路径 红色 理 器 数 量 同 样 能 减 少 模 拟 时 间 同 时还证实能进一步扩大模拟范围 正确划分域只是新一代油藏模 拟新方法的部分内容 一旦油藏单元 被分割以平衡并行处理器的工作量 模型必须对一大组油藏和井方程进 行 数 值 求 解 这 些 针 对 油 藏 和 井 的 方程组成了一个大而稀疏的矩阵 上 图 尽管模拟软件产生的方程适合 于 平 行 计 算 但 通 常 不 容 易 求 解 增大求解难度的几个因素包括系统 规 模 大 不 连 续 各 向 异 性 系 数 非 对称特征 耦合井和非结构化网格 26. Cao H Tchelepi HA Wallis J 和 Yardumian H Parallel Scalable Unstructured CPR-Type Linear Solver for Reservoir Simulation SPE 9689 发 表 在 SPE 技 术 年 会 暨 展 览 会 上 达 拉 斯 25 年 月 9 2 日 27. 线性求解程序消耗大量系统资源 在一个 典型 INTERSECT 案例中 求解程序可能占用 6% 的中央处理器 CPU 时间 28. Güyagüler B Zapata VJ Cao H Stamati HF 和 Holmes JA Near-Well Subdomain Simulations for Accurate Inflow Performance Relationship Calculation to Improve Stability of Reservoir-Network Coupling SPE 427 发表在 SPE 油藏模拟研讨会上 得克萨斯州 Woodlands 2 年 2 月 2 23 日 油田新技术

13 更好的决策 减少不确定因素 Gorgon 项 目 是 雪 佛 龙 公 司 荷 兰皇家壳牌公司和埃克森美孚公司 合 资 经 营 的 项 目 负 责 将 产 自 澳 大 利亚西北外海大型气田的天然气生 产 成 液 化 天 然 气 用 于 出 口 [29] 该 项目将产自 Gorgon 和 IO/Jansz 气田 的海底天然气通过海底管道输送到 距海岸约 5 公里 3 英里 的巴罗 岛 下一页 上图 作业者雪佛龙 公司目前正在巴罗岛建造一座处理 能力达 5 万英吨 (52 万公吨 ) 的 2 年冬季刊 કቛ ଛဤႠ ໗ჸჼᆳགྷ ਏᆶ ሗ ٷגڦ ᆳགྷ ฉ ٷג ᆳགྷ ٷ ႙ౡဆᆳགྷ ٷ ႙ ฉᆳགྷ ਏᆶ ሗ ڦ ᆳགྷ 8 6 ሞ6 ت ഗฉ ڦ ሏ क़ ሞn ت ഗฉ ڦ ሏ क़ INTERSECT 模 拟 系 统 中 的 油 田 管理 FM 模块采用了一系列工具 算 法 逻 辑 和 工 作 流 程 将 所 有 不 同 模 拟 程 序 耦 合 一 起 并 使 其 协 调 运行 从而克服了传统方法的弱点 大大提高了整个系统的灵活性 例如 该模块可将两个独立的海上气藏连 接到同一个地面处理设施进行模拟 和评估 [28] 在最上层 该模块执行一项或多 项策略 这些都是整个框架的重点 策略由指令列表和可选平衡措施组 成 可 以 涵 盖 可 能 影 响 生 产 的 各 种 情 况 此 类 策 略 可 能 包 括 那 些 影 响 地 下 产 出 能 力 的 因 素 如 油 藏 性 能 井 性 能 和 采 收 方 法 等 影 响 生 产 的 其他策略可能包括地面能力和经济 可 行 性 选 择 策 略 后 油 田 管 理 模 块使用工具创建一套完整的油田拓 扑 形 式 包 括 井 完 井 装 置 和 向 井 流动控制装置等 一旦确定了策略 并 制 定 出 油 田 拓 扑 方 案 该 模 块 就 根据作业目标和局限因素制定井平 衡 措 施 和 潜 在 油 田 拓 扑 变 更 油 田 管理工作流程的一个重要特征是能 够控制在不同机器 不同操作系统 不 同 地 点 运 行 的 多 个 模 拟 系 统 右 下图 雪佛龙公司及其合作伙伴在澳 大利亚近海一个大型天然气项目的 开 发 过 程 中 使 用 了 INTERSECT 模 拟 系 统 这 一 项 目 投 资 很 大 因 而 要 求 使 用 新 一 代 模 拟 系 统 以 确 保 其 在非均质地质条件特别严重的大量 非结构化油藏网格上快速运行 ت ഗຕଉLjn ^ INTERSECT 模拟可扩展能力 该模拟系统已成功用于各种海上和陆上油田 包括大型凝析油田和复杂断层油田 可扩展能力 表示为在 6 个处理器上 的运行时间除以在 n 个处理器上的处理时间 是处理器数量的函数 图中 的对角线 虚线 表示理想的扩展能力 INTERSECT ᆳགྷ ఇ ں ௬ยแ ఇ ဣཥ ᆳ ALj ᆩ ECLIPSEᆳ ఇ ॲ ᆳ BLj ᆩ INTERSECTᆳ ఇ ॲ ^ 多油藏耦合 通过网络链接 油田管理模块可将油藏 A 油藏 B 以及地 面设施 中 连接起来 在本例中 油藏 A 左下 采用台式微机 Windows 系统平台上运行的 ECLIPSE 模拟软件 而油藏 B 右下 采用在 Linux 并行 集群上运行的 INTERSECT 系统 在微软 Windows 台式机上运行的地面网络 模拟程序管理该网络的地面设施 右上 控制所有模拟系统的油田管理模 块 上 可在台式机或本地主机上运行

14 这 些 模 拟 系 统 需 要 大 量 数 据 集 一 般使用专门开发的数据迁移程序把 数据从一种模拟系统迁移到另一个 Ӑ ٷ ૧ჱ 系 统 针 对 Gorgon 项 目 雪 佛 龙 IO/Jansz ഘགྷ 使用了内部迁移软件把输入资料从 他们的内部模拟系统迁移到相应的 INTERSECT 输 入 数 据 集 中 在 美 国 的 休 斯 敦 和 圣 拉 蒙 数 据 中 心 用 这 Gorgon ഘགྷ 些 数 据 开 发 历 史 拟 合 案 例 [3] 研 究 结果表明两种模拟软件得出的结果 әஆ ڜ 相同 不过各自占用的 CPU 时间不同 在澳大利亚珀斯的雪佛龙作业中心 在高性能平行计算机群上重复进行 Dampier Bunbury ཀ ഘ ڢ ڢ থ ۅ 了上述过程 LNG ت Gorgon ڢ 随着在澳大利亚的雪佛龙项目 ࠅ 5 ၄ᆶ ڢ 组 开 始 高 级 项 目 规 划 INTERSECT ᆈ 5 模拟软件的模拟时间减少了一个多 澳大利亚海上的 Gorgon 项目 Gorgon 项目包括 Gorgon 和 IO/Jansz 海底气田 这些气田距澳大利 ^ 数 量 级 在 Gorgon 气 田 对 5 口 井 亚大陆外海 5 22 公里 英里 产出的天然气经由深水管道 黑色 输送到据海岸大 约 5 公里的巴罗岛 在那里 原始天然气经过分离 CO2 并液化处理后 用油轮出口 或通过管道 和 287 个油藏网格单元进行模拟 输送到大陆用于民用 在澳大利亚本土内 来自巴罗岛的天然气经过现有管道 蓝色 集输 这条 用 内 部 模 拟 程 序 串 行 计 算 时 间 为 6 现有管道还集输附近其他气田的天然气 8 小时 而用具有良好扩展能力的 LNG 厂 准 备 将 成 品 天 然 气 出 口 到 从 一 开 始 就 清 楚 开 发 这 一 商 业 案 INTERSECT 软 件 计 算 时 间 减 少 到 了 日 本 和 韩 国 的 客 户 雪 佛 龙 公 司 的 例 的 工 程 师 们 需 要 知 道 该 项 目 的 产 分钟以下 工 程 师 们 很 清 楚 该 项 目 的 一 大 难 题 出 量 及 时 间 解 决 这 一 问 题 的 方 案 除了这一模拟 雪佛龙公司还用 是 如 何 处 置 从 原 始 天 然 气 中 分 离 出 就 是 进 行 大 范 围 油 藏 建 模 和 模 拟 INTERSECT 系 统 在 Gorgon 地 区 的 其 的大量 CO 2[3] 雪佛龙公司打算首先 雪 佛 龙 的 一 套 内 部 串 行 模 拟 系 统 具 他 气 田 进 行 模 拟 包 括 Wheatstone 在 LNG 厂分离出 CO 2 然后将其埋藏 有囊括 Gorgon 各个储层的精细网格 气 田 IO/Jansz 气 田 和 West Tryal 到巴罗岛地下 下图 通过分布在 模 型 进 行 某 些 模 拟 时 每 次 运 行 Rocks 气田 使用了黑油模型和组分 巴罗岛三个钻井中心周围的 9 口注入 需要花费 3 7 小时 在项目初期 模型进行模拟 覆盖网格单元 45 井 Gorgon 地 区 每 日 可 回 注 62 万 雪 佛 龙 就 决 定 要 及 时 跟 进 项 目 开 发 4 万个 利用珀斯中心的机群 进展须迁移至 INTERSECT 模拟系统 INTERSECT 模 拟 软 件 在 这 些 案 例 上 方 2.2 亿英尺 3 CO 2 毕竟涉及到数十亿美元的投资 一 些 计 算 机 模 型 只 需 要 少 量 输 的计算时间从 2 分钟到 2 分钟不等 和 LNG 收 入 雪 佛 龙 及 其 合 作 伙 伴 入数据 但油藏模拟软件并非如此 具体耗费时间取决于案例情况 LNG ت CO2 Gorgonၜణഘགྷ LNG ں ኒ ଉ CO2 CO2 ت ^ CO2 处理 天然气从 Gorgon 项目 左 各个气藏产出后 输送到位于 LNG 厂 中 附近的脱 CO2 处理设施 脱 CO2 后的天然气 橘色 输送到液化 站及相关民用天然气厂 图中未显示 而剥离出的 CO2 蓝色 经过压缩后被回注到地下 2.5 公里.6 英里 深处未使用的盐水层进行处理 CO2 存 储地层的状况由地震测量和监测井进行监测 右 2 油田新技术

15 < 利用能够快速计算的新一代油 藏模拟软件在地质规模模型上进行 油藏模拟 在 Gorgon 气田加快了决 策分析 加强了不确定因素管理 减少模拟时间 对道达尔公司在加拿大 Surmont 油 砂 项 目 来 说 减 少 油 藏 模 拟 的 执 行 时 间 也 是 一 项 重 要 的 考 虑 因 素 Surmont 项目在加拿大艾伯塔省麦克 默里堡东南约 6 公里 37 英里 的 Athabasca 油砂分布区域内 由康菲 加拿大公司和道达尔勘探与生产加 拿 大 公 司 联 合 经 营 右 图 [32] 项 目从 27 年启动 日产稠油 4293 方 27 桶 预计到 22 年达到最高 产量 6536 方 / 日 4 桶 / 日 在 Surmont 油 田 通 过 蒸 汽 辅 助重力泄油 SAGD 技术 从未固 结 油 藏 中 开 采 出 高 粘 度 沥 青 生 产 过程中 通过水平井注入高温蒸汽 被蒸汽加热后的沥青在重力作用下 通过与注蒸汽水平井平行且位于注 蒸汽井下面的水平生产井采出 通常 一个蒸汽室对应一口注蒸汽井和一 口生产井 一个 SAGD 作业点覆盖附 近几对井 从模拟的观点看 从 SAGD 作业 开 始 时 蒸 汽 室 彼 此 独 立 模 拟 可 以在单一 SAGD 井对上执行 随着加 热和泄油过程的进行 因为压力连通 气 窜 和 水 层 间 的 相 互 影 响 各 井 对 不 再 保 持 独 立 一 项 典 型 SAGD 开 发 项 目 如 果 包 括 所 有 井 会 使 模 型 中的单元数量迅速增加到数百万个 这种大规模的模型用商用热采驱油 模 拟 软 件 进 行 计 算 无 法 在 合 理 时 间 内 完 成 [33] 道 达 尔 用 INTERSECT 新 一 代 模 拟 软 件 模 拟 了 Surmont 全 油田 9 对 SAGD 井 该 模 型 对 粘 度 为 5 万 mpa.s 5 万 cp 的 稠 油 油 藏 7 万 个 非 均 质 单 元 进 行 了 模 拟 描 述 [34] 模 型 考虑了外来热源和汇合情况来描述 上覆层和下伏层物质间的相互作用 通 过 控 制 最 大 蒸 汽 流 速 最 大 排 液 量和最小井底压力 BHP 控制生产 2 年冬季刊 ధ ٷ ࠅ ࡔ 2 2 ᆈ ਖ਼ఐ Ԏ Surmont Athabasca ᆳ෪ Ҹն ү ڤ ܙ ਸ਼ ^ Surmont 项目 Surmont 油砂项目在加拿大艾伯塔省麦克默里堡的东南 位于大型 Athabasca 油砂区块内 根据本区块地貌特征和上覆层的深度 Athabasca 的油砂可从地面开采 或利用蒸汽辅助方法如 SAGD 进行生产 井 通 过 控 制 最 大 注 蒸 汽 流 速 和 最 大井底压力控制注蒸汽井 利用并行计算机群 道达尔公司 使用 INTERSECT 系统模拟了 Surmont 项 目 前 三 年 的 SAGD 生 产 动 态 为 了测试软件的运行速度和扩展能力 道 达 尔 公 司 在 不 同 硬 件 配 置 32 个处理器 的并行机群上使用了 INTERSECT 系 统 测 试 结 果 表 明 使 用 INTERSECT 系 统 能 够 快 速 处 理 这 种 大 规 模 非 均 质 模 型 足 以 有 效 辅 助作业公司制定开发决策 例 如 由 6 个 处 理 器 组 成 的 机 群 用 INTERSECT 模 拟 软 件 执 行 29. Flett M Beacher G Brantjes J Burt A Dauth C Koelmeyer F Lawrence R Leigh S McKenna J Gurton R Robinson WF 和 Tankersley T Gorgon Project Subsurface Evaluation of Carbon Dioxide Disposal Under Barrow Island SPE 6372 发 表在 SPE 亚太石油及天然气会议暨展览会上 澳大利亚珀斯 28 年 月 2 22 日 种情况就认为是相等的 这种方法还可用来 在具有长期生产数据的油田对模拟软件进行 校验 3. Gorgon 气田产出的原始天然气 CO2 含量约为 4% 3. 为确保两种油藏模拟软件模拟结果相同 用 户可以使用一种称为历史拟合的技术 每种 模拟软件都在相同情况下运行 比较油或气 的产量 随时间变化 如果结果匹配 两 32. Handfield TC Nations T 和 Noonan SG SAGD Gas Lift Completions and Optimization A Field Case Study at Surmont SPE/PS/CHOA 7489 发 表 在 SPE 国际热采作业和稠油研讨会上 卡尔 加里 28 年 月 2 23 日 33. 道达尔公司最初尝试用一种商用的热采模型 模 拟 Surmont 作 业 但 模 拟 时 间 非 常 漫 长 长达 45 小时 因此使用这一方法不现实 34. 用两种视组分 一种为轻质 另一种为重质 模拟原油成分 3

16 Surmont 案 例 2.6 小 时 完 成 计 算 任 务 [35] 并 行 扩 展 能 力 也 很 好 比 用 6 台处理器进行串行计算的速度快 倍 除 了 预 测 SAGD 项 目 的 流 动 特性外 该软件系统还能提供重要变 量的动态变化信息 如蒸汽室内的压 力 和 温 度 变 化 下 图 在 Surmont 油 砂 项 目 准 备 全 面 实 施 INTERSECT 技 术 之 前 道 达 尔 公 司 使 用 最 新 版 本 的 INTERSECT 模 拟 系 统 确 认 了 上 述结果 节约资源 随着作业公司继续向偏远地区 进军寻找油气资源 新一代模拟软件 可 辅 助 项 目 规 划 和 资 源 开 发 雪 佛 龙公司在哈萨克斯坦里海海岸上的 Tengiz 油气田就是这样一个典型案例 Tengiz 油气田是埋深较深的超大型天 然裂缝性碳酸盐岩油气田 油柱高度 约 6 米 525 英尺 日产油量达 795 方 5 万 桶 [36] Tengiz 油 气 田很广阔 覆盖面积约 44 公里 2 7 英里 2 原始地质储量估计为 4 亿 Ljņ ^ 蒸汽室 Surmont 项目布置的 9 个蒸汽室在油砂油藏底部附近深 3 米 984 英尺 处 蒸汽室间 的水平间距约 米 328 英尺 延伸 米 328 英尺 左右 每个蒸汽室对应两口井 一口 注蒸汽井 洋红色 一口平行的生产井 图中未显示 用 INTERSECT 模拟软件模拟热采过程如 SAGD 得出了蒸汽室中的动态温度信息 在 Surmont 蒸汽室中心温度 红色区域 超过 23OC 446OF 边缘为环境温度 蓝色区域 沿蒸汽室长度方向上的间隙反映了油砂中的渗透率差异 作业者监测 了生产过程中蒸汽室内的温度变化 尽管蒸汽室相对较小 但 SAGD 工艺效果还是很显著 一旦蒸 汽室达到到油藏顶部 热效率下降 因为此时热量向上覆层传递 35. 这一案例采用了 6 个处理器 4 个四核微型 芯片处理器 36. Tankersley T Narr W King G Camerlo R Zhumagulova A Skalinski M 和 Pan Y Reservoir Modeling to Characterize Dual Porosity Tengiz Field Republic of Kazakhstan SPE 发 表在 SPE 里海碳酸盐岩技术大会上 哈萨克 斯坦 Atyrau 2 年 月 8 日 37. Tengiz 模拟也将油藏和井模型与地面分离设 施匹配起来 以便最大程度提高处理厂的能 力 这也是开发规划工作的一部分 38. 雪 佛 龙 公 司 Envisioning Perfect Oil Fields Growing Future Energy Streams Next * 第 4 期 2 年 月 2 3 针对热采过程中的油田级模型 雪佛龙公司 4 也采用了 INTERSECT 系统降低运行时间 有 关详细信息 请参见 Lim K-T 和 Hoang V A Next-Generation Reservoir Simulator as an Enabling Tool for Routine Analyses of Heavy Oil and Thermal Recovery Process WHOC 论文 发表 在世界稠油大会上 委内瑞拉拉克鲁斯港 29 年 月 3 5 日 39. Afifi AM Ghawar The Anatomy of the World s Largest Oil Field Search and Discovery 25 年 月 25 日 documents/24/afifi/ 2 年 9 月 29 日浏览 4. Dogru 等人 参考文献 9 4. Dogru AH Fung LS Middya U Al-Shaalan TM Byer T Hoy H Hahn WA Al-Zamel N Pita J Hemanthkumar K Mezghani M Al-Mana A Tan J Dreiman W Fugl A 和 Al-Baiz A New Frontiers 方 26 亿桶 雪 佛 龙 公 司 在 模 拟 Tengiz 油 藏 过程中面临的挑战是油田的地质构 造非常复杂 而且需要将随油气采出 的大量 H 2S 回注到地下 这就要求将 详细的地质信息和裂缝性油藏和非 裂缝性油藏明显不同的流动特征信 息 结 合 起 来 进 行 分 析 为 了 帮 助 目 前的油田管理 支持未来的产量增加 雪佛龙公司开发了一项覆盖 6 口生 产 井 的 INTERSECT 案 例 所 创 建 的 模型包含 37 万个非结构化网格单元 2 多条裂缝 [37] 在 Tengiz 油气田 使用新一代模拟软件让雪佛龙公司 明 显 感 受 到 效 率 得 到 提 高 曾 经 耗 时 8 天的模拟过程如今只用 8 个小时 就 得 以 完 成 [38] 输 入 的 数 据 越 接 近 实际条件 获得的产量预测结果越精 确 因此工程师们能制定更好的决策 除 了 用 于 新 油 田 开 发 外 新 一 代 模 拟软件还可以帮助提高老油田的采 收率 世界能源市场在很大程度上依 赖 于 中 东 的 超 大 油 藏 其 中 最 大 的 Ghawar 油藏于 948 年发现 目前已 开采了 6 年 [39] Ghawar 油藏长 25 公里 55 英里 宽 3 公里 9 英里 对 Ghawar 这样大规模的油藏进行数 值模拟很不容易 原因是必须精细划 分 网 格 通 过 高 分 辨 率 数 据 才 能 获 得 油 藏 的 非 均 质 特 征 使 用 精 细 小 网格尺寸能减少放大引起的误差 下 一页图 沙特国家石油公司为了精确掌 握所拥有的 Ghawar 及其他超大油藏 in Large Scale Reservoir Simulation SPE 发表在 SPE 油藏模拟研讨会上 得克萨斯州 Woodlands 2 年 2 月 2 23 日 42. Dogru AH Giga-Cell Simulation The Saudi Aramco Journal of Technology 2 年春季刊 Farber D Microsoft s Mundie Outlines the Future of Computing CNET 新闻 28 年 9 月 25 日 html 2 年 8 月 4 日浏览 44. Dogru 等人 参考文献 Bridger T Cloud Computing Can Be Applied for Reservoir Modeling Hart Energy E&P 2 年 3 月 日 2 年 8 月 日浏览 油田新技术

17 5 m 25 m 2 Google-Imagery 2 Digital Globe, GOIEYE 2 Google-Imagery 2 Digital Globe, GOIEYE ^ 网格分辨率 面网格尺寸在捕捉油藏非均质特征 消除放大引起的误差方面起到重要作用 图中罗马斗兽场的俯视照片就诠释了这一概念 如果目 标区域是斗兽场的场地 左上图虚线框 用 5 米 x 5 米 64 英尺 x 64 英尺 的网格就能分辨出所要求的区域 采用较大的网格 25 米 x 25 米 82 英尺 x 82 英尺 右图虚线框 能分辨出包括车道 街道 景观及与目标区无关的其他特征体 对罗马斗兽场这一案例来说 采用较大的网格来捕获 与斗兽场相关的特征会引入误差 的 特 征 开 发 了 新 一 代 油 藏 模 拟 软 件 [4] 在其中一项 Ghawar 黑油模拟 过程中 针对 42 米 38 英尺 长 间距为.5 米 5 英尺 的 5 个地层 使用了 多亿个网格单元 [4] 利用 大 型 并 行 计 算 系 统 这 一 模 型 模 拟 了 Ghawar 油藏长达 6 年的生产史 用时只有 2 小时 [42] 获得结果与先前采用 25 米 82 英尺 的网格和指定生产计划模拟 的 结 果 进 行 了 对 比 老 模 型 得 出 的 结 论 是 经 过 二 次 采 油 后 无 剩 余 油 而 新 模 型 结 果 表 明 有 剩 余 油 带 通 过加密钻井或其他方法可进行开采 这个例子表明新一代油藏模拟系统 能增加资源采收量 新一代模拟软件的主要目标是 通过减小网格尺寸和放大更彻底地 描述油藏特征 除此之外 科学家们 还 在 开 发 其 他 创 新 技 术 首 先 应 当 进 行 的 是 进 一 步 完 善 用 户 界 面 增 加新硬件 2 年冬季刊 经过改善的用户界面采用空间计 算概念 空间计算依靠多核处理器 并行程序设计和云计算 从而形成一 个通过语言和手势控制的虚拟世界 [43] 目前正对这一概念进行测试 验证能 否通过手势和语音命令而非传统的 鼠 标 来 控 制 大 型 油 藏 的 模 拟 [44] 为 了 测 试 这 一 概 念 在 房 间 内 装 上 摄 像 机 和 传 感 器 连 接 到 墙 上 的 大 屏 幕 和 桌 子 上 的 虚 拟 显 示 器 工 程 师 用手势和语言控制模拟软件的输入 Oilfield Review 和 输 出 如 果 需 要 WINTER /2还 能 通 过 网 络 Intersect Fig. 和其他地方 的工程 师5 和科学家以协 ORWNT/2-INT 5 同 方 式 共 同 使 用 该 软 件 系 统 这 类 系统具有很大应用潜力 它往往掩 盖 计 算 机 系 统 的 复 杂 性 并 允 许 工 程师和科学家与油藏模拟过程自由 互动 正如空间计算的概念能改善用 户界面一样 利用超越现场并行计算 机群的新硬件概念将有助于提高油 藏 模 拟 能 力 并 行 计 算 机 机 群 成 本 较 高 相 应 的 基 础 设 施 复 杂 维 护 比 较 困 难 一 些 作 业 公 司 发 现 通 过 云计算与多个地方的多个机群进行 通 讯 可 能 是 有 效 的 方 法 [45] 采 用 这 种 方 法 作 业 公 司 可 根 据 形 势 需 要 增 加 系 统 能 力 而 不 是 仅 仅 依 靠 固 定数量的硬件 通过一个 瘦客户端 如 便 携 机 或 台 式 机 用 户 可 和 云 系 统 进 行 通 讯 目 前 已 开 发 出 采 用 这 种 技 术 的 油 藏 模 拟 工 具 未 来 会 开 发出更多类似工具 多个领域正涌现出油藏模拟新 技术 首先就是新一代油藏模拟系统 对复杂油田进行模拟时它提供的模 拟 结 果 更 精 确 用 时 更 少 其 他 技 术如空间计算和云计算也呼之欲出 这两种技术可使科学家和工程师与 模 拟 系 统 自 由 互 动 并 能 随 意 提 高 硬 件 能 力 这 些 先 进 技 术 使 得 作 业 公 司 能 进 行 更 准 确 的 预 测 从 而 做 出更好的油田开发决策 DA 5

18 数字钢丝新技术 长期以来修井技术一直依靠机械系统和液压系统传送井下工 具 完成测量工作 因此 很多井下作业的结果 其深度通常是 近似值 在很大程度上依赖于操作人员的经验和工具的有效设计 数字钢丝的开发成功有效克服了上述因素的限制 Matthew Billingham Vincent Chatelet Stuart Murchie 法国Roissy-en-France Morris Cox Nexen石油 美国 公司 美国得克萨斯州休斯敦 William B. Paulsen ATP油气公司 得克萨斯州休斯敦 油田技术 2 年冬季刊 23 卷 第 4 期 22 斯伦贝谢版权所有 在编写本文过程中得到以下人员的帮助 谨 表谢意 美国路易斯安那州 Broussard 的 Blaine Hoover Buddy Dearborn Chuck Esponge Douglas Guillot 和 Scott Milner 得 克 萨 斯 州 Rosharon 的 FaridHamida 以 及 法 国 Roissy-en-France 的 Fabio Cecconi Pierre-arnaudFoucher 和 Keith Ross D-Jar D-Set DSL D-Trig FloView GHOST Gradiomanometer LIVE LIVE Act LIVE Perf LIVE PL LIVE Seal LIVE Set PS Platform Secure 和 UNIGAGE 等是斯伦贝谢公司的商标 6 油田新技术

19 在油气井中进行钢丝作业的历 史已经超过 75 年 但一直以来作业 方 法 基 本 上 没 发 生 多 大 变 化 油 田 技术人员和工程师将井下工具固定 到钢丝的末端进行基本的井下作业 钢丝与电线中使用的导电电缆或用 于重型机械作业的辫缆是有区别的 借助钢丝完成的井下作业可能非常 简 单 如 将 内 径 规 下 到 井 底 也 可 能是较为复杂的井筒维修和生产优 化 措 施 如 起 下 阀 门 和 堵 头 井 下 作业还包括清理妨碍井下生产的杂 物 如 生 产 过 程 中 产 出 的 砂 子 或 形 成 的 石 蜡 最 近 在 钢 丝 上 安 装 了 电 子 存 储 器 用 来 收 集 井 下 瞬 时 压 力 测量或生产测井数据 因其经济合算 性能可靠 作业 效 率 高 后 勤 管 理 要 求 简 单 钢 丝 一 直 是 修 井 作 业 的 主 要 手 段 使 用 小型设备能相对容易地将钢丝运输 并 布 署 到 任 何 地 方 任 何 规 模 的 井 场上 钢丝可用于各种类型井的作业 包 括 高 温 高 压 井 含 硫 气 井 大 斜 度 井 和 自 流 井 在 空 间 或 重 量 受 限 的 井 场 钢 丝 作 业 常 常 是 唯 一 可 行 的修井手段 但钢丝结构简单也是造成其具 有 各 种 缺 点 的 主 要 原 因 工 程 师 设 计钢丝的最初目的就是进行基本的 机 械 作 业 起 初 绝 对 深 度 并 不 是 井 下 作 业 的 主 要 考 虑 因 素 司 钻 不 能 将 工 具 部 署 在 准 确 的 深 度 上 因 此很难确定工具在井下的确切位置 对 于 某 些 作 业 特 别 是 射 孔 或 安 装 隔离工具 必须知道工具的精确位置 同样 为确保敏感仪器和其他一些工 具 在 起 下 作 业 过 程 中 不 被 损 坏 有 时必须清楚向井下传递多大的力 这 个力的变化范围必须很小 而通过 钢丝根本不可能确定工具的精确下 放深度或向井下传递力的大小 所有管柱 电线和电缆在起下过 程 中 都 会 出 现 一 定 程 度 的 拉 伸 但 钢丝的拉伸程度比任何其他井下传 送 方 法 都 大 得 多 因 此 通 过 井 下 ݞ ݞ ۉ મ ߒ ࡐཤ ᆳ ^ 钢丝作业的基本装配 测力计连接至滑轮 由缠绕在滑轮上的钢丝张力启 动 钢丝从滚筒连接至滑轮 通过滑轮钢丝向上转一个锐角 然后经过第二 个滑轮转向 8 进入防喷盒 之后通过防喷管进入井筒 采油树上面的电 缆阀含有对立的闸板 图中未显示 无需移除钢丝就能关闭 从而相互密封 因此是防喷盒密封失效时的替代密封方法 机 械 装 置 测 量 在 地 面 显 示 出 的 数 据可能不能代表井下工具的精确位 置 实际上 地面显示的数据并不是 井 下 工 具 深 度 测 量 值 而 是 电 缆 卷 到滚筒上或是从滚筒上释放的长度 因 此 钢 丝 深 度 测 量 系 统 的 标 准 精 度约为 3 厘米 /3 米 英尺 / 英尺 [] 对于深度精度要求位于完 复杂作业要求的精度要高于这些系 统能够提供的结果 另 外 井 斜 可 能 会 造 成 地 面 指 重 读 数 出 现 很 大 误 差 这 些 读 数 是 反 映 向 井 下 所 施 加 力 的 唯 一 指 示 通常情况下 井下力用测力计测量 测力计两端分别连接至井口和滑轮 钢丝通过滑轮从滚筒连接到防喷管 井 管 柱 上 某 个 固 定 点 附 近 几 英 尺 范 顶部 上图 随着井斜越来越大 围 内 的 钢 丝 作 业 来 说 这 一 精 度 通 斜 井 数 量 越 来 越 多 不 精 确 指 重 读 常已经足够 在没有井下标记的井中 数 出 现 的 频 率 越 来 越 高 误 差 也 越 这 一 误 差 范 围 则 可 能 无 法 接 受 工 来越大 程师设计了各种系统来对钢丝的拉. King J Beagrie B 和 Billingham M An Improved 伸 及 其 他 变 量 进 行 校 正 但 这 样 的 Method of Slickline Perforating SPE 8536 发 表在第 3 届 SPE 中东石油展览暨大会上 巴 校 正 措 施 只 是 基 于 估 算 数 据 一 般 林 23 年 4 月 5-8 日 2 年冬季刊 7

20 7. ft [2.2 m] 4.8 ft [.5 m] GHOST!ᅏഗ Gradiomanometer ᅏഗ Lj ၽ ഘ ୲ Ljഘಟ ᅂಟ ຕLj ০ ݛ 6.8 ft [2. m] 4.2 ft [.3 m] 3. ft [.94 m] FloView ᅏഗ UNIGAGE უ ᆈ უ ມ ଉ ଉ ୲ Ljᅂಟ ຕLj ޔ ኟഗLj ০ 3.5 ft [4. m] एԨ ଉ ཀྵ ۉ ᅏLj ጲ ᎾகLj༫ থ Lj უ ଉ. ০ ᅏ ଉ LjX-Y ০ᅏLj ୲ Ljഘಟ/ᅂಟ ຕLj ݛܔ Lj ޔ ኟഗ ^ 电池供电的测井仪器 PS Platform 是依靠电池供电的测井系列 提供存储式和地面读数两种工作方式 GHOST 气体持率光学传感仪 左上 采用四个蓝宝石光学探针测量气体和液体持率 气泡 / 液泡计数 平均井径和方位 Gradiomanometer 比重剖面仪器 上部左起第二个 测量井筒流体的平均密度和井斜 据此可得到油 / 水 / 气持率 FloView 持率测量仪器指示的液泡计数 上中 识别流体流入位置 水持率和液泡计数 并且包括扶正器和平均井径测 量 UNIGAGE 压力计系统 上部右起第二个 包含一个石英晶体压力计 可提供高分辨率压力测量结果 双向涡轮流 量计 右上 能够双向测量油管内流体流速 基本测量探头 左下 提供用于对比的自然伽马 GR 和套管接箍定位 数据 以及温度和压力测量数据 流量 - 井径成像仪器 右下 的四个相互独立的探针分别测量平均流体速度 水持率 烃持率和液泡计数 它还测量双轴 X-Y 井径和相对方位 井斜和加速度测量提供测量流体密度的井斜校正 深度和指重不精确可能导致作 业 时 间 延 长 在 完 井 条 件 较 为 复 杂 的井中 还会引起作业问题 例如 在钢丝射孔作业中 将射孔枪置于目 标 深 度 之 上 或 之 下 几 英 尺 处 可 能 导致产出不同的流体 油 气或水 工程人员在近些年对传统钢丝 设 备 进 行 了 多 次 改 进 大 多 数 改 进 都是针对依靠钢丝传送的井下工具 而非钢丝本身 靠电池供电的井下电 子工具进行数据采集并将采集数据 存 储 在 存 储 器 中 已 经 克 服 了 钢 丝 在启动和井下作业方面的一些缺陷 但是 一旦这些工具在井下部署后 它 们 不 能 提 供 实 时 井 下 数 据 操 作 员 无 法 改 变 作 业 条 件 如 激 活 触 发 器 的 深 度 或 温 度 条 件 因 此 电 池 供电的井下工具不能解决时间和效 率 方 面 的 缺 点 这 也 是 很 多 常 规 钢 丝作业中面临的问题 为克服上述缺点 业界数十年来 不断进行大胆的尝试 希望能够依靠 钢丝在井下工具和地面之间实现双 8 向 通 讯 采 用 这 一 方 案 作 业 人 员 可 实时获得精确的工具深度 工具状态 井 下 受 力 钢 丝 拉 力 以 及 温 度 和 压 力等井筒数据 尽管努力了很多年 制造商还是 未能开发出使用钢丝和井下设备的 可 行 方 案 直 至 斯 伦 贝 谢 旗 下 的 地 质 服 务 公 司 Geoservices 的 工 程 人 员 推 出 DSL 数 字 钢 丝 服 务 钢 丝 作业才出现实质性变革 本文介绍了以配置电池供电和 存储功能传感器的工具方式对钢丝 作 业 进 行 的 改 进 这 些 改 进 的 目 的 是 扩 大 钢 丝 作 业 的 应 用 范 围 包 括 为射孔和生产测井进行精确的深度 测量 本文还对 DSL 技术进行了讨论 这是一项技术突破 而不仅仅是对钢 丝 进 行 简 单 的 改 进 使 用 钢 丝 遥 测 技 术 再 加 上 集 成 了 存 储 式 遥 测 接 口的电池供电电子工具 DSL 可使命 令和数据在地面和井下之间自由传 递 不 会 对 钢 丝 的 机 械 完 整 性 产 生 任 何 影 响 这 些 技 术 显 著 增 强 了 钢 丝 的 性 能 能 实 时 提 供 精 确 的 深 度 对比 工具状态信息和工具控制情况 这对于依靠钢丝传送方法提供精确 高 效 低 风 险 的 机 械 补 救 和 测 量 作业来说至关重要 改进钢丝作业 深度精度一直是限制使用常规 测量装置进行钢丝作业范围的主要 因 素 影 响 深 度 精 度 的 主 要 因 素 包 括 弹 性 拉 伸 温 度 浮 力 钢 丝 和 工 具 串 与 井 壁 之 间 的 摩 擦 力 提 升 和 测 量 轮 的 精 度 钢 丝 尺 寸 和 材 质 也 可 能 影 响 最 终 测 量 读 数 最 常 用 的钢丝直径是 英寸 和 3.8 毫米 钢丝用材 包括碳钢 不锈钢合金和镍 - 钴合金 具体决定于其应用条件 [2] 弹性拉伸是影响钢丝深度精度 最 主 要 的 因 素 其 大 小 是 钢 丝 张 力 和弹性模量的函数 [3] 钢丝长度测量 结果会因为测量轮直径超标或校验 不 精 确 而 上 下 浮 动 测 量 轮 直 径 发 油田新技术

21 生 变 化 可 能 源 于 轮 子 的 磨 损 碎 屑 物堆积或测量轮的加工或校验温度 与作业温度不一致 在井深 3 米 英尺 处测 量误差可能超过.6 米 2. 英尺 [4] 随着钢丝逐渐入井 井中的温度差异 也会影响钢丝的长度 除非井中的温 度梯度保持不变 或对温度和测量结 果的变化进行深度校正 否则很难对 这一变量进行补偿校正 此外 浮力 摩擦力和提升力这些与井筒参数 如 流体粘度 流体速度 流体类型 井斜 扭曲程度和井眼几何形状 有关的各 种因素也会影响地面测量的张力值 深度较浅时测量误差较小 但随 着 深 度 增 加 误 差 会 逐 渐 增 加 而 且 越来越突出 近年来为解决这个问题 工 程 师 开 发 了 电 子 测 量 装 置 试 图 通过自动校正消除钢丝拉伸产生的 误差 钢丝的另一个局限因素在于启 动 井 下 工 具 的 机 械 手 段 工 程 师 开 发了电池供电的工具来解决这一问 题 这些工具用存储器储存井下数据 回 收 到 地 面 后 再 从 中 下 载 数 据 工 具是靠计时器或通过预先设定的电 缆 移 动 程 序 激 发 信 号 从 而 执 行 井 下 钢 丝 作 业 在 补 救 作 业 中 使 用 了 存 储 装 置 例 如 射 孔 和 安 装 井 下 装 置 在 测 量 服 务 如 生 产 测 井 中 也 使 用了存储装置 和电缆数据传输相比 存储器具有成本优势和容易接入的 优势 电池供电的电子点火器能安全 激发用于油管及套管切割和射孔的 炸 药 而 且 机 电 坐 放 工 具 能 取 代 爆 炸装置 电子点火头也受到业界欢迎 因为如果正确选择了限定激发条件 的 压 力 窗 口 可 在 将 其 回 收 到 地 面 的过程中利用程序自动解除电子点 火头 [5] 上述问题在以前采用机械或 液压驱动点火头时曾经遇到过 在炸药运输受限或环境复杂的 地区 使用非炸药 电子激发的坐放 工 具 也 受 到 业 界 的 欢 迎 在 传 统 装 置上增加了点火延迟或压力窗功能 以 提 高 安 全 性 但 与 此 同 时 也 增 加 了 作 业 的 复 杂 性 并 降 低 了 精 度 因 为井下条件如温度和压力发生变化 另一个原因是井下工具在井下移动 需 要 时 间 而 电 子 点 火 头 不 受 上 述 因 素 的 影 响 不 但 能 提 高 精 度 也 增强了可控性 [6] 因为有了电池供电的井下工具 很多过去利用电缆或连续油管进行 的作业现在都可利用钢丝进行作业 这 些 服 务 包 括 压 力 温 度 自 然 伽 马 GR 传 感 器 套 管 接 箍 定 位 器 CCL 流 量 计 井 径 仪 气 泡 / 液 泡 计 数 器 工 具 方 位 仪 水 持 率 测 2. Larimore DR 和 Kerr WL Improved Depth 量仪和气持率测量仪等 前一页图 Control for Slickline Increases Efficiency in Wireline Services Journal of Canadian Petroleum 尽管已经有了上述较大改进 工 Technology 36 卷 第 8 期 997 年 8 月 程 师 们 仍 然 继 续 努 力 争 取 在 改 善 弹性模量是纵向应力与纵向应变之比 钢 丝 功 能 方 面 取 得 更 大 进 步 即 通 4. Larimore 和 Kerr 参考文献 2 过钢丝能实时传输和接收井下工具 5. 压力窗是一个预设条件 设定只有在压力大 的 信 号 目 标 是 获 得 与 电 缆 遥 测 通 于地面压力时才能激发工具 讯 同 样 的 多 功 能 性 和 精 确 性 同 时 6. Goodman KR Bertoja MJ 和 Staats RJ Intelligent Electronic Firing Heads Advancements in Efficiency 不损失钢丝自身的优势 Flexibility and Safety SPE 385 发 表 在 例如 因为钢丝是单组件装置 SPE 技术年会暨展会上 美国得克萨斯州 San Antonio 26 年 9 月 日 本 身 能 实 现 自 然 平 衡 因 此 适 用 于 7. 钢丝震击采用一个称为震击器的井下机械装 如 震 击 等 作 业 而 用 电 缆 进 行 震 击 置向另一个井下组件施加冲击力 震击器的 作业则可能会破坏导体和电缆铠装 下端连接到井下工具或其他组件上 上端可 以自由移动 可以向上打开震击器 然后迅 之间的绝缘体 [7] 电缆包括内外两层 速下放 利用工具串重量向下端施加冲击力 防 护 钢 丝 围 绕 中 心 导 体 分 别 从 相 反之 也可高速收回钢丝 从而向震击器的 ᯈ ᯈ ӷ ڞ ԍ ༫ ਨᇹ ڞ ^ 铠装电缆 用于电缆作业的电缆包括多个铠装 绝缘导体 在本例中 一层半导体保护套包裹了 7 根绝缘导体 其外面以相反方向缠绕内外两层 铠皮 反方向缠绕成铠装 上图 这在电 缆 内 部 会 产 生 一 个 扭 力 必 须 对 该 扭 力 进 行 控 制 以 避 免 损 坏 电 缆 特 别 是 在 深 井 或 斜 度 较 大 的 井 中 扭 力破坏电缆的方式可能是使外铠装 或钢丝重叠起来 并很快磨损 断裂 然 后 悬 挂 到 压 力 控 制 设 备 上 如 果 叠 加 到 一 起 的 钢 丝 断 裂 进 入 井 口 ^ 简单的压力控制 钢丝的防喷盒 橘色 是一 个相对简单的套筒 内衬聚合物填料 在钢丝从 井口出来 通过加压防喷器和防喷盒进入大气 提升到并越过滑轮时起到压力密封圈的作用 被 收紧时 压紧螺母 红色 使得填料紧靠电缆 从而提高密封力 钢丝进入井中时也通过相同的 密封机制保持压力 下端施加向上的冲击力 2 年冬季刊 9

22 压 力 控 制 设 备 后 就 会 散 开 需 要 较 长时间才能将滞留其中的钢丝清理 出来 钢丝防喷器顶部的密封机制也 比辫缆或电缆的同类组件有优势 钢 丝的防喷盒比辫缆或电缆的润滑脂 管 组 件 简 单 得 多 防 喷 盒 的 橡 胶 密 封件即使有电缆从中通过也能够保 持压力密封 前一页 下图 因 此 和 辫 缆 控 制 油 脂 流 量 的 注 入 管 总 成 相 比 钢 丝 的 防 喷 盒 更 容 易 装 配 在 整 个 作 业 过 程 中 润 滑辫缆的油脂需要在大于井口压力 的 条 件 下 通 过 注 入 管 注 入 在 压 力 条件下执行电缆作业需要辅助设备 如 注 脂 泵 和 油 脂 供 应 装 置 这 对 后 勤 工 作 和 环 境 都 产 生 影 响 此 外 因为通过注脂管移动电缆可能会破 坏 油 脂 密 封 辫 缆 起 下 井 速 度 只 能 限 制 在 每 小 时 2 3 米 4 英尺 左右 相比之下 机 械钢丝工具可以以较快速度起下井 不 会 失 去 压 力 密 封 从 而 节 省 宝 贵 的钻机时间 实时与深度问题 虽然数十年来工程师们一直未 能 开 发 出 真 正 的 钢 丝 遥 测 系 统 但, ,35,3 ߒ ཀྵቧ Ljԁ 4 Ljof CCL, mv Ljgn 5 4,4 ᆳ უ Ljpsi 2 别 为.38 英 寸 和.53 英 寸 3.5 毫米和 3.89 毫米 最 终 的 LIVE 数 字 钢 丝 保 留 了 原 钢 丝 结 构 的 所 有 优 势 该 系 统 仍 然 利 用 电 池 给 井 下 工 具 供 电 钢 丝 的 作用相当于遥测传输而不是电传输 因为工程师将其设计成电子遥测系 统 而 不 是 电 传 输 所 以 他 们 降 低 了 对 绝 缘 性 能 的 要 求 从 而 加 快 了 开 发 进 程 另 一 个 优 势 是 无 需 通 过 钢 丝 输 电 这 一 特 点 消 除 了 对 电 线 传 输 的 稳 定 性 相 关 配 件 如 加 重 杆 重量和从何处将电线接到工具串上 等 方 面 的 担 忧 但 对 绝 缘 材 料 与 电 线的结合材料的机械要求仍然很突 出 用 标 准 钢 丝 设 备 部 署 的 电 线 必 须能够经受住卷上 卷下电线滚筒 绕 行 滑 轮 通 过 压 力 控 制 设 备 的 严 酷 考 验 也 必 须 能 够 承 受 井 下 恶 劣 多变的环境 出离井口进入防喷盒时 还会受到从井口压力到大气压力之 间压差产生的瞬时泄压的影响 29 年 上述问题均得到了解决 并 在 非 洲 法 国 意 大 利 和 印 度 尼 西 亚 成 功 进 行 了 首 批 商 业 作 业 从 此 在 法 国 印 度 尼 西 亚 中 国 美 国和沙特阿拉伯开展了各种数字钢 丝作业 6,45 25 他们成功开发出了使用同轴电缆的 电 力 遥 测 钢 丝 链 接 然 而 因 为 电 缆 牺 牲 了 拉 伸 强 度 和 耐 用 性 而 这 对 钢 丝 作 业 来 说 非 常 重 要 因 此 这 项技术最终还是被放弃 开发一种合适的绝缘体是开发 钢 丝 遥 测 系 统 的 难 点 而 工 程 师 们 面临的更大挑战是找到将绝缘材料 粘合到电缆上的有效方法 22 年 Geoservices 的工程师们开始在以前 开发的 MWD 电磁技术基础上研究遥 测系统 但遥测系统不是主要问题 真正的挑战是找到一种绝缘材料 并 采用有效的方法将绝缘材料粘合到 电缆上 使其能够承受钢丝作业的恶 劣条件 最初 研究团队测试了 7 种 聚 合 物 根 据 它 们 的 绝 缘 性 能 列 出候选绝缘材料 然而在井下条件下 这些涂层并不能坚固地粘结到钢丝 上 经过多年努力 研究人员开发出 了 一 种 复 杂 的 钢 丝 涂 料 并 制 定 了 精确的粘合程序 制出的成品连续 均匀 整个长度上直径精确到.2 英尺.5 毫米 以内 [8] 应用到标 准直径为.8 英寸和.25 英寸 2.74 毫 米 和 3.25 毫 米 的 不 锈 钢 合 金 钢 丝 上 增 加 了 涂 层 后 的 钢 丝 外 径 分 2 8,25 6, :28:5 3:28:3 3:28:45 3:29: 3:29:5 3:29:3 3:29:45 3:3: क़Lj : ݴ :௱ ^ 地面确认点火结果 地面显示的各种记录表明在 3:29: 前射孔枪激发产生的瞬时效果 震击波曲线 红色 表明负加速度超 过 gn 钢丝头张力 紫色 从近 8 磅力 356 N 增加到 2 磅力 534 N 以上 压力 蓝色 从 364 psi 9.4MPa 下降到 约 22 psi 8.4 MPa 射孔枪激发后工具立即发生移动 在 CCL 曲线 绿色 上可以明显看到工具移动 在 CCL 线圈上产生了电压 激发后电缆和射孔枪的震动程度反映在钢丝头张力和压力曲线上 射孔枪激发后 出现温度下降 橘色 表明有温度较低的流 体从环空进入油管 上述指标都可以验证射孔枪已经按照指令成功激发 2 油田新技术

23 LIVE 工 具 串 的 核 心 部 分 包 括 一 个 计 算 机 底 板 管 理 控 制 器 BMC 其功能包括在井下进行遥测处理 实 时 传 递 震 动 钢 丝 张 力 偏 斜 度 和 移 动 情 况 的 地 面 读 数 确 认 钢 丝 作 业如射孔是否成功 前一页图 地 面设备包括全套钢丝系统 由电脑 收 发 器 压 力 控 制 设 备 和 数 字 钢 丝 组成 可选核心井下设备包括一个深 度 对 比 短 节 在 钢 丝 作 业 过 程 中 实 时进行 CCL 和 GR 测量 确保深度准 确 井下测量还可包括数字压力 - 温 度计 LIVE 数 字 钢 丝 服 务 归 类 于 典 型 修井服务类 可分成机械 补救和测 量 服 务 机 械 LIVE Act 数 字 钢 丝 服 务 包 括 常 规 工 具 和 标 准 钢 丝 部 署 方 式 一 样 补 救 服 务 工 具 包 括 LIVE Set 坐放工具 非炸药类水力坐封桥 塞和定位器 LIVE Seal 密封工具 使 用 非 弹 性 密 封 材 料 进 行 单 孔 完 井 和 LIVE Perf 射 孔 打 眼 和 管 柱 切 割 工具 [9] 测量服务包括 LIVE PL 综合 生 产 测 井 仪 器 上 述 工 具 与 核 心 设 备 及 可 选 工 具 结 合 使 用 进 行 实 时 测量和控制 另外 通过增加数字 D-Jar 井下 可 调 震 击 器 LIVE 系 列 工 具 延 展 了 传统工具的能力和要求 数字 D-Jar 井下可调震击器通过接受命令向井 下不断激发和传递精确的震击力 使 用传统水力或机械震击器时 操作人 员根据经验和指重计确定井下的震 击结果 而 D-Jar 工具能直接控制并 高 效 进 行 震 击 作 业 无 需 收 回 到 地 面 来 调 节 震 击 力 依 靠 电 缆 的 弹 性 不 断 向 上 震 击 同 时 通 过 电 激 发 的 机 械 发 射 功 能 传 递 震 击 动 作 如 此 完 成 可 控 高 效 的 震 击 作 业 期 间 在 地面测量并监视井下张力和震击力 如 此 可 以 选 择 最 佳 震 击 力 同 时 不 会在工具串或震击组件上产生不必 要 的 应 力 工 程 师 通 过 调 整 电 缆 张 力 确 定 震 击 力 必 要 时 电 缆 张 力 可 重新调整 也可根据需要进行调整 2 年冬季刊 ༫ጄ ༫ጄ ٶ સৡ ٶ સৡ ^ 数控释放 如果钢丝作业工具卡在井下 从地面发出信号分离 DCR 工具 使作业人员可把工具的上段以及全部钢丝提出井眼 只留下朝上的内外打捞 颈面 下 根据 DCR 工具在井中的位置 或其他影响因素 作业人员用电 缆线或连续油管 以及带套爪的打捞工具拴住内打捞面 左 或带套爪的 套筒式打捞工具 右 拴住外打捞面 把被卡工具取出井眼 出 井 外 而 DCR 工 具 可 以 在 工 具 头 可以加到任何钢丝作业的 LIVE 工具 部或其附近对工具串进行可控分离 如果工具串在井下被卡住 不能解卡 不 留 下 切 断 的 电 缆 只 留 下 限 定 的 传 统 方 法 是 采 用 刀 杆 在 尽 量 靠 近 工 内外打捞颈接口 上图 LIVE Set 数字钢丝坐放工具用于 具 串 的 位 置 切 割 留 在 井 中 的 部 分 也 许 需 要 进 行 多 次 打 捞 切 割 和 回 坐 放 套 管 和 油 管 堵 塞 器 水 泥 限 位 收 作 业 有 时 作 业 人 员 还 尝 试 用 辫 器 类 装 置 而 且 不 需 要 借 助 传 统 的 缆 设 法 拴 住 被 卡 住 的 工 具 将 其 回 炸药辅助系统 收 到 地 面 如 果 电 缆 在 需 要 回 收 的 物 体 上 面 或 打 捞 颈 遭 到 破 坏 问 8. GEM-Line Goes LIVE GeoWorld The Geoservices 题 会 很 麻 烦 作 业 人 员 经 常 需 要 进 Group Magazine 54 卷 2 年 2 月 4 7 日 行 多 次 尝 试 确 定 被 卡 工 具 顶 部 的 9. 打孔器是射孔装置 目的是在保证射穿内油管 柱时不会破坏周围的套管 碎屑特性和数量 然后设法清理掉 才 能 用 辫 缆 拴 住 被 卡 工 具 将 其 取 数控释放工具 DCR 是另一种 2

24 ᅂუ ۯ ڇ ᇮ ىۉ 修井措施或坐放短节遭破坏的完井 作业 传统钢丝锁紧心轴采用橡胶密 封 圈 向 外 挤 压 油 管 壁 形 成 安 全 ۉ ऐ უ ೡቱ ۉ ጱᇮॲ ހ ጎ ᯜ ۉ ႙ᅂუԭ ^ D-Set 电动液压坐放工具 D-Set 电液单元包含三个主要组件 高温锂电池 电子元件封装和液压 动力单元 HPU 锂电池提供动力 电子元件封装将直流电转化成三相交流电 向液压动力单元 的电机供电 同时向液压电路传递命令 电池和电子元件封装通过压力屏障与液压动力单元隔离开 液压动力单元由电机 微型液压泵和电磁阀组成 直径 54 毫米 2. 英寸 长 5 毫米 2. 英寸 43 毫米.7 英寸 小直径的泵能产生近 6 吨 6 千牛 的力 在液压动力单元内 无刷电机与一 个固定排量的微型液压轴向活塞泵 图中未显示 连接 要求低扭力如工具下行时 电机高速运转 需要高扭力如坐放工具或剪切固定螺栓时 电机转为低速运行 液压泵输出动力通过地面控制的电 磁阀送到工具的机械部分 图中未显示 ހ ፗ ހ ጔ ཤ ጔ ཤ ਸ਼ ހ ^ 无切面坐放 利用 GeoLock 心轴 可以在无内坐放切面的情况下将井下工具坐放到光滑管柱上 下放工具时 卡瓦和密封圈 下部插图 处于收缩状态 使心轴外径减到最小 便于心轴通过油管 一旦工具下行到预期深度 通过 LIVE D-Set 数字坐放工具或爆炸坐放工具压紧工具 使锥形筒移到 卡瓦和密封圈的后面 将工具坐放到位 这使密封圈向油管壁膨胀 上部插图 用电动或液压工 具拴住锥形筒 使其归位 密封圈和卡瓦回到原始位置 可将心轴回收 通过地面控制的 D-Set 数字电液 坐放工具 可将井下装置部署到指定 深度 上图 作为靠电池供电的电 液 动 力 系 统 这 一 工 具 能 够 产 生 高 达 25 吨 249 千 牛 的 力 足 以 成 功 坐 放 永 久 性 桥 塞 封 隔 器 及 其 他 装 置 微 型 液 压 泵 能 够 在 一 个 小 封 装里利用有限的动力产生这样的力 工程师通过井下 GR 和 CCL 精确控制 22 工具深度 D-Set 工具利用电池供电 的 电 液 泵 产 生 动 力 通 过 推 拉 移 动 或 敲 击 动 作 来 坐 放 井 下 装 置 在 坐 放 过 程 中 特 征 电 机 电 流 工 具 串冲击以及钢丝头部的张力等数据 都 被 传 输 到 地 面 以 验 证 坐 放 过 程 中的每个步骤是否完善 可回收的锁紧心轴是钢丝工具 盒中最全能的工具之一 可用于单眼 压力封闭 橡胶密封圈靠内心轴促动 这一内心轴在橡胶圈的后面向下移 动 同时迫使卡瓦移出 卡住油管 工程师通过这些锁紧心轴将桥塞 压 力和温度传感器及其他工具送到油 管或套管中没有坐放短节的位置 和传统锁紧心轴不同 LIVE Seal GeoLock 数字密封工具采用的是非橡 胶 运 动 密 封 机 构 工 具 坐 定 后 该 密 封机构不会变形 左下图 因此可 长 期 用 于 气 井 高 温 高 压 井 外 压 型橡胶密封圈在这类环境中往往失 效 而且用标准钢丝提拉工具很容 易 取 回 利 用 锚 定 和 密 封 装 置 能 最 大 程 度 地 增 加 心 轴 的 过 流 面 积 起 下井时能缩小心轴的外径 GeoLock 心轴采用 D-Set 坐放工 具 下 入 井 中 还 有 扶 正 锚 定 和 密 封 系 列 工 具 工 程 师 在 地 面 通 过 整 个密封序列的时间图监测整个坐放 过 程 工 具 和 心 轴 采 用 的 是 经 过 校 准 的 剪 切 片 代 替 剪 切 销 一 旦 工 具 座 封 后 能 保 证 形 成 无 内 部 限 制 的 完全开放型冲洗管 数 字 钢 丝 系 统 还 包 括 LIVE Perf 射 孔 工 具 利 用 这 些 专 业 工 具 操 作人员能可靠且安全地切割要回收 的 管 柱 在 油 管 上 打 孔 以 及 在 指 定深度进行射孔 这项作业使用 D-Trig 数字启动装 置 该装置可通过地面控制既能激发 爆炸类装置 也可激发非爆炸类装置 像 其 他 DSL 设 备 一 样 该 装 置 采 用 深度对比短节实时 GR 或 CCL 数据实 现 精 确 的 深 度 控 制 它 配 备 多 个 防 故障安全系统 并与业界大多数射孔 冲压和坐放技术兼容 D-Trig 启动装置代表钢丝触发机 构 的 重 要 进 步 因 为 当 它 与 深 度 对 比 短 节 工 具 一 起 部 署 井 下 时 可 与 地面读出的 GR 和 CCL 实时对比 下 一页图 该工具可激发斯伦贝谢所 有 过 油 管 射 孔 器 有 枪 身 射 孔 器 油田新技术

25 套管和油管切刀及一些第三方系统 D-Trig 也可用于启动爆炸坐放工具 D-Trig 触发系统和底板管理控制 器 BMC 及 其 他 设 备 如 石 英 压 力 计结合使用提高了井下激发检测精 度 在将工具回收到地面之前 作业 人员能准确识别激发不到位等情况 在 底 板 管 理 控 制 器 上 通 过 震 击 检 测和钢丝头张力变化可证明井下装 置 是 否 被 有 效 激 发 这 一 点 也 可 以 通过井下压力和温度测量结果证实 D-Trig 工具的另一个安全特征是 安 装 了 一 根 保 险 丝 它 能 在 一 定 条 件下熔断 如微处理器间不同步 电 子元件的时钟频率漂移 低 BMC 电压 通 讯 时 间 间 隔 太 长 也 可 在 操 作 人 员的指令下熔断 当工程师用爆炸桥丝点火器或 爆 炸 箔 点 火 器 替 换 高 爆 炸 药 后 系 统就不会因以下几种因素提前起爆 射频辐射 外加电流阴极保护 电焊 高张力电线 LIVE PL 生产测井服务的推出改 变了行业对电池供电的存储器仪器 或电缆测井仪器的依赖 生产测井是 诊 断 井 筒 健 康 状 况 的 有 力 工 具 生 产测井提供的数据真实反映了生产 或注水过程中井筒中流体的特征和 变 化 情 况 基 于 生 产 测 井 记 录 工 程师也可以确定哪些层贡献了流体 但是如果井的地面位置因空间 重量 和 进 出 道 路 受 限 不 适 合 使 用 大 型 电 缆 系 统 获 得 生 产 测 井 数 据 唯 一 的方法就是利用电池供电的存储器 钢丝工具 LIVE PL 工具给业界提供 了另一种可选方法 比起存储器工具 它提供的深度对比更为精确 另外 该工具在将测井数据实时传输到地 面 的 同 时 还 能 将 数 据 储 存 到 存 储 器内 此外 当工程师用数字钢丝进行 瞬 时 压 力 恢 复 试 验 时 他 们 能 实 时 监 测 井 下 压 力 和 温 度 并 检 测 何 时 2 年冬季刊 ۉ ۉ ጱ ୟ ব Ҿඇԍ၃ ^ 与现有设备配合使用 工程师在每个产层应用多通道模块能够通过一条液压控制线 绿色线 控 制所有 FCV 因此 作业者便可利用现有的井口设备而不必购买更为昂贵的传统三产层 IC 系统所必 需的穿过多条管线的井口装置 Ҿඇუ ਸ ڑ ๕ ڇ ኍᄞஅ থཀྵ ^ 数字触发器 D-Trig 装置由冗余双微处理器控制 并集成了多个安全系统 工具收到来自地面的 信号后 产生脉冲 激发切刀或爆炸工具的起爆器 图中未显示 D-Trig 装置中的电池既能激发 第三方爆炸桥丝起爆器 也能激发斯伦贝谢的 Secure 起爆器 底板管理控制器上安装了一块独立 的小电池 图中未显示 向电子元件短节中的电子元件供电 这一设计允许在激发电池和起爆器 之间放置一个安全保险丝 图中未显示 为作业增加一层安全保障 此外 在起爆器和 D-Trig 工 具之间还安置了一个安全短节 其中包括一个安全压力开关 在工具处于大气压力下时它能自动使 起爆器接地 图中显示的 D-Trig 装置通过弹簧式单针阳螺纹接头通电后插入起爆器 达 到 最 大 井 底 压 力 BHP 实 时 获 得 这 些 信 息 就 能 减 少 关 井 时 间 因 此可根据这些数据有效进行储层监 测 更 新 地 质 模 型 诊 断 井 况 如 是否存在水源以及确定水源的位置 根据地面观察到的实时 GR 和 CCL 数 据 立 即 进 行 了 调 整 使 工 程 师 在 不 额外增加时间的情况下完成作业计 划 更重要的是没有出现任何误差 除了在风险管理 作业效率和精 度 方 面 的 优 势 外 LIVE 数 字 钢 丝 服 合二为一 务也使得工程师使用一套数字钢丝 将实时井下测量与传统钢丝作 系统和作业队伍就可进行某些类型 业 相 结 合 具 有 诸 多 好 处 例 如 某 的 作 业 而 这 些 作 业 以 前 需 要 使 用 操作人员发现原来的井筒设计图有 一套电缆系统和作业队伍以及一套 误 差 如 果 工 程 师 选 择 按 原 计 划 进 传统钢丝系统和作业队伍才能完成 行 油 管 射 孔 根 据 设 计 图 上 标 出 的 例 如 工 程 师 经 常 使 用 地 面 读 数 的 深度 并且没有 CCL 和 GR 对比数据 常规电缆设备来收集实时测量数据 的 情 况 下 工 程 师 尝 试 在 设 计 图 上 同 时 使 用 钢 丝 设 备 在 同 一 口 井 中 执 表 明 是 目 标 油 管 接 头 的 位 置 射 穿 一 行机械作业 当一口井中有四个产层 个耐磨接头肯定会失败 在该实例中 在 其 中 某 个 产 层 执 行 这 样 的 干 预 作 23

26 ཀ ຕጴߒ ߒ, ۉ મ ҾጎยԢLj ڼ ᅃ ০ࡀ ༀ ༱ ଉLj 2 ڼ ০ࡀ ༀ ༱ ଉLj ԍ ۯ 3 ڼ ০ࡀ 4 ༀ ༱ ଉLj ԍ ۯ Lj ժ უ 5 6 Ҿጎ Lj ገᅎ ༫Lj ڼ ০ࡀ 7 უ ଉLj ยԢ ব Ҿጎ Lj ገᅎ ༫Lj ڼ ০ࡀ Կ ༫Lj ҾጎSSVLj ยԢ ^ 单装置测井作业 一般情况下 作业公司使用钢丝设备做测井准备 下内径规 安装桥塞 锁定从地面控制的井下安全阀 SSV 然后通过电缆设备采集生产 测井数据 一次典型的常规作业需要针对每个产层测量静态压力梯度 生产降 压 关井压力和温度 用常规钢丝 + 电缆测井 作业公司需要 68 小时才能完 成所有工作 而使用 DSL 装置能同时完成常规钢丝和电缆地面读出作业 作业 公司节省了 多个小时的作业时间 同时不需要额外配备测井人员和设备 业时 传统工作方式是先用钢丝设备 进 行 测 井 准 备 工 作 下 内 径 规 安 装 堵 头 以 及 移 动 滑 套 等 然 后 用 另 外一套电缆设备进行生产测井 因此 设备和人员的动迁可能导致后勤工 作繁重 复杂 增加成本和潜在风险 作业时间延长 由于 LIVE 数字钢丝 服 务 能 执 行 全 部 工 作 只 需 一 套 设 备 和 一 支 队 伍 使 后 勤 和 人 力 需 求 减 少 了 一 半 降 低 了 风 险 同 时 显 著缩短了总体钻机时间 上图 ATP 石油与天然气公司的工程师 力 求 实 现 上 述 效 率 在 美 国 路 易 斯 安那州近海的尤金岛 7 区块选择了 DSL 服务 在自升式钻井船的甲板上 进 行 层 间 隔 离 和 再 完 井 作 业 首 先 坐放过油管铸铁桥塞 然后在 2 7/ 8 英 寸油管内注入 5 英尺 5 米 厚的 水泥 以封堵下面 英 24 尺 米 深处的枯竭层段 下面的层段被成功封堵后 作业 公司计划用每英尺六孔的射孔枪射 开 英尺 米 的较浅层段 下一页图 因为这一 较 浅 的 目 标 砂 岩 很 薄 所 以 深 度 的 精度和准确度非常重要 可利用 CCL 和 GR 高效获得深度实时信息 而这 些以前只能通过电缆作业来实现 因 为这项作业的其他部分如挤注水泥 需要钢丝工具 因此以前需要两队人 员进行多次安装作业 多次在甲板上 移 动 设 备 而 使 用 装 有 LIVE Perf 工 具的 LIVE 深度对比组合设备 只需 要一套设备和一队人员就完成了回 堵和射孔作业 因为节约了钻机时间 总成本也因此比原来的预算降低了 8 万美元 在这一实例中 作业公司缩短了 动迁电缆 / 钢丝设备及在井场和在甲 板上移动这些设备的时间 不需要第 二支队伍 没有产生相关的待工成本 因此实现成本节约 在其他案例中 也 许 会 节 约 更 多 成 本 因 为 只 需 要 部 署 一 支 队 伍 时 对 空 间 和 重 量 的 要 求 就 会 减 少 这 样 作 业 公 司 就 能 部 署 一 个 费 用 较 低 甲 板 承 载 能 力 较 小 的 吊 船 在 某 些 情 况 下 因 为 钢丝设备的体积相对小 重量相对轻 因此作业人员可将设备直接放置到 一些无法承受较大较重的电缆设备 的 平 台 甲 板 上 如 此 安 排 可 能 完 全 消 除 服 务 船 只 的 费 用 从 而 显 著 节 约成本 成本的降低与作业时间密切关 联 可能会迅速成倍降低 具体取决 于 环 境 条 件 例 如 在 相 对 较 浅 的 水域 可借助吊船甲板进行修井作业 日费从 4 美元到 4 美元不等 具体价格取决于吊船的水深能力和 甲 板 空 间 但 是 如 果 在 水 深 超 出 吊 船 深 度 能 力 的 水 域 工 作 比 如 在 西 非 和 墨 西 哥 湾 近 海 相 对 平 静 水 深 6 米 2 英尺 左右的浅海地区 如 果 能 缩 短 作 业 时 间 作 业 成 本 会 大 幅 降 低 在 北 海 等 条 件 比 较 恶 劣 的海域 截止深度甚至更浅 在 较 深 水 域 作 业 时 作 业 公 司 可采用半潜式或动态定位钻井装置 其成本比自升式钻井船高得多 在深 水 和 超 深 水 作 业 时 作 业 公 司 必 须 使 用 专 门 设 计 的 深 水 钻 井 装 置 相 应日费在 万美元左右 将钢丝作 业 和 电 缆 作 业 时 间 缩 短 几 天 甚 至 几个小时都能迅速大幅降低成本 在 墨 西 哥 湾 Green Canyon 深 水 区 Nexen 石油美国公司租用了深水 钻 机 Ocean Saratoga 对 距 离 路 易 斯 安 那 州 海 岸 约 英 里 6 公 里 处 9 英尺 275 米 深水下的一口 井 进 行 封 堵 和 弃 井 作 业 通 常 封 堵和弃井作业阶段需要用钢丝进行 准 备 工 作 然 后 对 油 管 进 行 打 孔 及 切 割 这 时 就 需 要 用 电 缆 进 行 精 确 油田新技术

27 的深度对比 针对这一案例 Nexen 公司的工程师采用了数字钢丝使用 一套钢丝设备进行封堵和弃井作业 在 这 一 高 成 本 环 境 的 作 业 中 他 们 的目标是通过降低设备装卸次数来 提高作业效率 节省巨大成本 在 3 英 尺 357 米 深 处 工程师成功使用数字钢丝进行了深 度对比及随后的油管打孔作业 从地 面实时显示的工具冲击测量数据表 明 打 孔 器 激 发 很 成 功 作 业 公 司 从 这 次 平 稳 深 度 对 比 精 确 的 打 孔 作 业 中 体 会 到 了 数 字 钢 丝 的 价 值 显 著 降 低 了 费 用 节 省 的 其 中 一 部 分 费用是作业公司不必支付两支作业 队 伍 的 待 工 费 因 为 如 果 发 生 不 可 预 见 的 作 业 延 迟 总 会 造 成 钻 机 闲 置数日 用数字钢丝代替电缆进行这样 的 修 井 作 业 也 能 降 低 作 业 风 险 因 为 压 力 控 制 设 备 相 对 简 单 压 力 控 制 过 程 中 如 果 必 须 切 割 电 缆 切 割钢丝比切割可能通过井口的电缆 容易得多 224 ft ت 6"x48"༫ 8 ft ت 6"༫ 397 ft ت 3/4"༫ 232 ft ت 75/8"༫ 2487 ft ت 5/2" ހ ഗ B෪ჼพ 2,668 ft - 2,678 ft MD 2,7 ft - 2,8 ft TVD 27 ft ت 5/2" ހ ഗ 5ᆈ ࢩ ዽཎ C෪ჼพ 2,79 ft - 2,875 ft MD 2,44 ft - 2,2 ft TVD 287 ft ت ༫ 2886 ft ت ހ ഗ 33 ft ت ހ ഗ Dฉև෪ჼพ 3,448 ft - 3,472 ft MD 2,588 ft - 2,64 ft TVD 3449 ft ت ༫ 3482 ft קت ෪ ހ ഗ 382 ft ت 5/2"༫ 3,82 ft MD 2,87 ft TVD ^ 井身结构示意图 作业者 ATP 石油与天然气公司 决定封堵尤金岛 7 区 未来展望 在诸如墨西哥湾和北海等作业 环境越来越复杂的地区 作业公司都 在主动寻找控制成本的方法 数字钢 丝一方面体现了钢丝的强度和结构 简单的特点 另一方面保留了电缆的 多功能特点 在当今复杂地区作业中 能发挥重大作用 在北海和墨西哥湾 随 着 油 井 不 断 老 化 监 管 机 构 势 必 要求大型作业平台退役 毫无疑问 数字钢丝非常合适封堵和弃井作业 这对作业公司来说非常有吸引力 工程师很可能采用数字钢丝技 术作为完井策略的一部分 数字钢丝 保留了行业所熟悉的钢丝操作简单 和灵活的特点 因此与近年来的其他 革新技术相比 它更容易被业界接受 其他革新技术如智能完井或单孔井 其复杂程度使得其问世数年后还不 能被业界接受 主要原因是作业公司 担心在失败造成的高成本与潜在效 2 年冬季刊 块的 C 砂岩储层 并上移射开 B 砂岩层 因为 B 砂岩层只有 英尺 3 米 厚 深度精度特别重要 对于如此精度 通常需要采用电测设备进行射孔 针对 这一作业 作业队只使用了 LIVE 数字钢丝先在 B 砂岩层下面的油管柱内下 入铸铁桥塞 在桥塞上面注入 5 英尺厚的水泥塞 然后很精确地在套管上射孔 射开 B 砂岩层 除非特别标明 图中所有深度都是测量深度 MD 益 之 间 能 否 取 得 平 衡 智 能 完 井 或 单孔井安装失败也许会毁掉整口井 而且几乎可以肯定需要大量资金进 行 修 井 同 时 还 会 延 迟 生 产 相 比 而 言 数 字 钢 丝 作 业 失 败 可 能 导 致 的 最 坏 结 果 就 是 损 失 作 业 时 间 但 可以用继续通过电缆完成作业 在 BP 公 司 Macondo 井 发 生 井 喷 事 故 后 作 业 公 司 都 希 望 抓 住 任 何 安 全 优 势 这 意 味 着 数 字 钢 丝 的 好处可能不仅仅是节约成本和时间 因为数字钢丝使得一支队伍和一套 设备便可完成以往需要两支队伍和 两 套 设 备 才 能 完 成 的 工 作 因 此 可 显著减轻人员和设备动迁的后勤支 持 压 力 从 而 提 高 安 全 性 降 低 环 境 风 险 在 运 输 困 难 的 偏 远 地 区 以 及 空 间 重 量 和 环 保 要 求 苛 刻 的 海 上地区 这一点显得尤为重要 对于某些海上作业 选择使用数 字钢丝还有一些简单但却重要且实 用 的 优 势 例 如 目 前 行 业 正 在 开 发几项海底油井无立管修井作业方 法 在这方面钢丝可能比电缆有优势 因为在海底无立管作业过程中油封 问 题 不 容 易 控 制 在 这 种 特 殊 环 境 条 件 下 钢 丝 式 防 喷 盒 和 数 字 钢 丝 结合使用可能是使深水无立管修井 成为主流作业方式的重要组成部分 这一技术升级对于已经长时间投入 应用的这一服务来说可谓姗姗来迟 数字钢丝服务可能很快从技术试验 阶段进入实际应用阶段 RvF 25

28 稳定井眼防止井漏 钻井液漏失到地层中的现象称为井漏 它会对钻井作业造成 极大的损失和风险 并且增加后续作业的难度 业内使用各种不 同机理的井眼加固材料来应对这一风险 但目的只有一个 阻止 裂缝延伸 确保钻井液不漏失 John Cook 英国剑桥 Fred Growcock 西方石油与天然气公司 美国得克萨斯州休斯敦 上世纪 石油与天然气工业已经 在钻井工艺技术方面取得了重大进展 使建井作业变得高效 安全 然而 因为在位置更加偏远 地质构造更加 复杂的油藏中不断发现新的油气资源 所以业内需要不断发展技术来解决井 筒完整性问题 因为井筒完整性问题 会带来安全隐患 并对于井的长期有 效性造成不利经济影响 仅在墨西哥湾 诸如卡钻 井壁 Quan Guo 美国得克萨斯州休斯敦 Mike Hodder M-I SWACO 苏格兰阿伯丁 ց৸ Eric van Oort 壳牌上游美洲公司 美国得克萨斯州休斯敦 ᇨ ݞ 油田新技术 2 年冬季刊 23 卷 第 4 期 22 斯伦贝谢版权所有 在编写本文过程中得到以下人员的帮助 谨表 谢意 法国 Clamart 的 Raul Bermudez 休斯敦的 Jim Friedheim 意大利 Ravenna 的 Guido Leoni 以 及阿伯丁的 Mark Sanders Losseal 是斯伦贝谢公司商标 ݞ ଙ ᄅ ଙ ፈ ᅂ ስ ፌ ፈ ७ MPSRS 是 M-I 有限责任公司商标. Dodson T Identifying NPT Risk Atlantic Communications Drilling and Completing Trouble Zones Forum 主 旨 报 告 美 国 得 克 萨 斯 州 Galveston 2 年 月 2 日 2. Redden J Advanced Fluid Systems Aim to Stabilize Well Bores Minimize Nonproductive Time The American Oil & Gas Reporter 52 卷 第 8 期 29 年 8 月 ^ 综合井漏控制方案 金字塔底部三层侧重井漏的预防 最佳钻井实践可能 包括使用精确的岩石力学模型来计算井眼坍塌或井漏的风险 也可能利用膨 胀套管 控压钻井或套管钻井技术 钻井液的选择包括使用具有合适流变特 性的钻井液来减少或避免井漏 井眼加固材料由特殊配方 特定尺寸的材料 制成 它进入裂缝后将裂缝与井筒隔开 从而阻止裂缝的延伸 最上面一层 是补救措施 一般使用防漏材料如堵漏剂等 3. Growcock F Lost Circulation Solutions for Permeable and Fractured Formations 西 南 石 油 短 期 课 程 论 文 集 54 卷 27 年 ECD 是静水头的函数 静水头来源于泥浆密 度和摩阻压力损失 泥浆泵必须克服静水头 才能使钻井液和岩屑返回地面 26 油田新技术