智能化油气田建设关键技术与认识.pdf

1 1 8 2 0 1 2 年 2 月 石油勘探与开发 PETRoLEUM EXPLoRATI oN AND DEVELoPM ENT Vl0I ． 39 NO． 1 文章编 号 1 0 0 0 - 0 7 4 7 2 0 1 2 0 1 ． 0 1 1 8 - 0 5 智能化油气 田建设关键技术 与认识 贾爱林，郭建林 中国石油勘探开发研 究院 基金项 目天然气开发关键技术 2 0 1 1 Z X0 5 0 1 5 摘要分析智能化油气田的主要特征、发展趋势、解决方案、建设要点及国内外智 能化油气田技术差异。智能化油 气田主要包括实时监测、模型建立、决策与实施 3个环节，其主要特征为 “ 时效 协同 持续”。智能化油气田的核 心是基 于模型系统的最优化，包括 4个层次单井优化、生产优化、油气藏优化以及整体资产优化，最终追求的是 系统的整体优化。智能化是智能化油气田建设的手段，实现油气田高效开发是其 目的；数据是智能化油气 田的基础 与关键；智能化油气田决策 的本质是基于模型的决策；建设智能化油气田需要高科技行业技术的配套支撑。中国与 国外智能化油气田技术 的差异主要表现在油气田勘探开发运作模式和管理理念 、技术手段和研 究团队、决策的时效 性、不同专业人 员的职责及开发对象等方面。图 1 参 1 1 关键词智能化油气田；模型建立；决策与实施；实时监测 中图分类号 T E l 9 ； T E 3 ； T E 5 文献标 识码 A Ke y t e c hn o l o g i e s a nd u n de r s t a ndi ng s o n t he c o n s t r uc t i o n o f s m a r t fie l d s J i a Ai l i n ，Gu o J i a n l i n P e t r o C h i n a R e s e a r c h I n s t i t u t e o fP e t r o l e u m E x p l o r a t i o n＆De v e l o p me n t ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Abs t r a c t Thi s p a p e r a na l yz e s t h e ma i n f e a t ur e s ， t r e nd s ， s ol u t i o ns ，c on s t r uc t i o n e l e me n t s of s ma r t f i e l d s a n d the t e c h ni c a l di f f e r e n c e o f s ma r t fie l ds a t ho me a n d a br oa d． S ma r t fie l d s i n c l ud e t h r e e e l e me s r e a l t i me mo ni t o r i n g，mo d e l i ng ， d e c i s i o n ma ki n g a n d i mpl e me nt a t i o n ．Th e i r ma i n f e a t u r e s a r e r e a l t i me ， i n t e g r a t i o n a nd c o n t i n ui t y． Th e e s s e nc e o f s ma r t fie l d s i s t h e o p t i mi z a t i o n ba s e d on the mod e l s ys t e m，i n c l ud i ng 4 l e v e l s s i n g l e - we l l o p t i mi z a t i o n，p r o d uc t i o n o p t i mi z a t i o n，r e s e r v o i r o p t i mi z a t i o n a nd o pt i mi z a t i on of t he o v e r a l l a s s e t s ． A n d the o v e r a l l s y s t e m o p t i mi z a t i o n i s the u l t i ma t e o b j e c t i v e ． F o r s ma r t fi e l d s ． the ， ” 口 i s a m e tho d o f c o n s t r u c t i n g s ma rt fie l d s a n d e ffi c i e n t d e v e l o pme n t i s i t s pu r p os e ．Da t a i s the b a s i s a n d k e y o f s ma r t fie l ds ． Th e e s s e nc e of s ma rt fie l d d e c i s i o n ma k i n g i s ba s e d o n t h e mo de 1 ．S ma r t fie l d s c a n’ t go wi t h ou t t he s u p po r t o f hi g h- t e c h i n d u s t r y ． The d i f f e r e nc e o f s ma r t fie l ds t e c hn o l o g i e s b e t we e n ho me a n d a br o a d ma i nl y l i e s i n t he O i 1 a n d g a s e xp l o r a t i o n a n d d e v e l o pme n t mo d e a nd ma n a g e me nt c o nc e pt s ．t e c h n i c a l me a ns a n d r e s e a r c h t e a m， t h e t i me l i n e s s o f d e c i s i o n ma k i n g ， the r e s p o n s i b i l i t i e s o f d i f f e r e n t p r o f e s s i o n a l s a n d d e v e l o p me n t o b j e c t s ． K e y wor ds s ma r t fie l d； mo d e l i n g ；d e c i s i o n -- ma ki n g a nd i mp l e me n t a t i o n； r e a l -- t i me mo n i t o r i ng 0引言 1智能化油气 田及其特点 随着油气 田开发难度不断增加 ，原有 的以专业划 分为特点的油气 田开发已经不能完全适应新形势 的要 求 ，需 要有 新 的方 案 来解 决 油气 田的勘探 、评价 、开 发 、调 整 和管 理 问题 。基 于最 近几 年 技术 水平 的不 断 提高和油气井的数字化工作 ，壳牌公司提 出了智能化 油气 田 S ma r t f i e l d s 这一概念并建立了一批智能化 油气 田，取得了一定效果。 本文介绍智能化油气 田的主要特征 、发展趋势 、 解决方案及建设要点 ，分析 国内外智能化油气 田技术 差 异 ，以期促 进 中 国智 能化 油气 田建设 。 1 ． 1智 能化 油气 田的概 念与 内涵 智能化油气 田是指油气 田勘探 开发进入数字 时 代 ，通过不断实施最优化措施 ，在油气 田勘探 、评价 、 开发 、调整与管理等工作的全过程中追求产量 、最终 采收率和效益的最大化 。智能化油气 田实施主要包括 实时监测 、模型建立 、决策与实施 3个环节 。智能化 油气田实施过程中重视数字化资料实时采集 ，充分利 用网络和计算机技术将其集成在模型中，依靠专家系 统的经验和智慧 “ 及时”做 出科学决策 ，研发选用新 的、适用 的经济技术措施 ，并将此过程贯穿油气田开 1 2 0 石油勘探 与开发 综合研究 从 早 期智 能 化油 气 田概 念 的提 出 ，到 目前 世界 上 多家公司 、研究机构和大学 B P 、斯坦福大学等 都 认可并参与智能化油气田项 目，智能化油气 田将会取 得更 大 的发展 。 展望未来 ，今天的智能化 ，明天将常规化 ，而新 技术始终是支撑智能化油气 田不断向前发展 的基础和 动力。目前 国外石油公 司正在着手研发光缆监测技术 ， 通过集成光缆传感器实现井与油藏实时监测 ，可同时 监测温度 、压力 、应力 、声波 、流量 、化学组分等多 方面动态，使决策模 型更科学可靠 。 2 ． 2智能化油气田解决方案 智 能 化 油 气 田管 理 方案 中特 别 强 调价 值 链 环 v a l u e l o o p ， 各个价值链环的实现需有不 同的关键技 术 ，通 过不 同时 间尺 度 、不 同层 次 的优化 ，实现 油气 田一体化实时管理 ，最终达到油气 田产量 、最终采收 率与效益的最大化l 3 ] 。 具体来说 ，主要包括单井 、生产 、油气藏以及资 产整体优化 4个方面。单井优化主要是通过智能井实 时收集井下与井场多参数资料 ，对以井为单元的生产 设 施进 行 远程 控 制和 作业 ，实现 所有 流 程 自动 化 ，达 到设施监控 、生产制度优化以及管线优化等 目的。该 过 程强 调 的时 间尺度是 即时的 ，从 1 S 到 1 d ，该层 次 优化 强调 的重 点是 实时 与准确 【 6 罐 】 。 生 产优 化 主要 是 实现 整个 生 产 系统 的优 化 ，包 括 井流入 曲线分析 、实施增产措施 、短期生产预测 、水 化物／ 结垢分析等 ，通过集中监控 ，使每 口井达到最佳 工 作状 态 ，达 到 整个 生 产 系统 的最优 化 。该 过 程时 间 尺度从 1 d到 3 mo n t h ，该层次优化强调的重点是系统 的协调与优化。 油气藏优化主要是利用实时动静态数据修正 、集 成油藏模型 ，通过井与油藏管理 ，实现油藏认识的准 确化与油气 田开发的最优化 。具体包括不同井不同层 产 量 的配 分 、油 气藏 驱 动方 式 的管 理 、长期 和 短期 生 产 目标 的平衡 、实现采收率最大化技术的优选 、长期 生产 预测 以及 区域监 测等等 。该过程 时间尺度从 3 mo n t h到 2 a ，该层次的优化强调油气藏模型的动态化 与 生产制 度 的科学 化 。 资产整体优化则主要是通过多专业协同工作 ，达 到油气 田采收率与资产效益最大化。具体做法是不断 优化以提高采收率为 目的的油气 田开发方案 ，包括生 产上的加密调整 、剖面调整 、注采系统优化 ，未来的 滚动扩边开发方案 、以效益最大化为 目的的产量调整 、 新技术应用 、生产设施升级等等。 3智能化油气 田建设要点 3 ． 1智 能化 油气 田的途径 和 目的 智能化油气 田的整个价值链环包括实时监测 、模 型建立以及决策与实施等多个方面 ，这些过程的优化 强调系统的 “ 智能化” 。与传统技术不同的是 ，这些系 统资料的集成与嵌入 、模型的修改与完善以及决策建 议 等 都 由系统 自动优 化完 成 ，这 些 “ 智 能化 ” 过程 的 最终 目的只有一个 ，就是油气 田的高效开发 ，以达到 资产整体效益的最大化 。 3 ． 2 智能化 油气 田的核 心 、基础 与关键 智能化油气 田的核心是基于模型系统的最优化 ， 而数据是智能化油气田的基础与关键 。 目前 的油藏模型多是基于某一特定时 间建立的 ， 而智 能化 油气 田的计 算机 模 型是 基 于油 田实 际运 行 状 态过程而建立与实时修改 的，该模 型包括全油藏的方 方面面 ，具备处理多信息不确定性能力和即时更新调 整能力 ，并实时更新优化油气 田生产指标等。 数据是建模的基础 ，不 同来源的数据都会用于油 藏模型 ，包括通过传感器 、测井仪器以及井下和地面 其他各种测量工具获取的实时数据。智能化油气 田计 算 机 模 型是 随时 改进 的 ，通 过实 际 数据 与预 期 数据 的 对 比，持续更新模型 。因此 ，由不同手段获得的即时 数据是智能化油气田最重要的参数 ，直接影响模型的 准确程 度 。 基于智能化油气 田软件平台系统 ，工程师们可 以 修改模型的特定参数 ，随时快速准确预测单井 、油气 田和 生产 系 统 的变化 ，通过 调整 某 些参 数 如 井 的产 量 达到决策层想要得到的结果 ，而以往这一过程需 要几周甚至更长的时间。 3 ． 3 智能化 油气 田决 策 的本 质 科学决策基于模型 ，而实际操作中可能会 出现技 术人员与模型的不统一 ，对一个经验丰富的技术人员 而言 ，决定权最终在人而不是模型。 但是 ，计算机模型会要求技术人员解释与它作 出 不一致决策的原 因，并将其考虑到模型 中，今后如遇 到类 似情 况 ，模 型记 忆 功能 会提 醒 技术 人员 。因此 ， 对 技 术人 员 而言 ，需 要对 整 个 系统有 基 本 的理解 ，并 对 不 同专 业领 域 有必 要 的 了解 ，才 能真 正做 到科 学 决 策、避免决策 的随意性。智能化油气 田决策的本质是 基 于模 型 的决 策 。 3 ． 4 智 能化 油气 田的配 套支 撑 建 设智 能 化 油气 田需 要不 同行 业 、不 同专业 的公 2 0 1 2年 2月 贾爱林等 智能化油气 田建设关键技术与认识 1 2 1 司共 同参与 ，单一 的油公司或油公 司目前所具备的专 业 与能力 很难 完成 ，需要 有专 业 的 I T行业 和 自动化企 业共 同参 与 。如专 业 的数据 采集 系统 、远程 监控 系统 、 无线光缆传输与接收系统 以及模型 自更新等系列软件 都需要专业 的团队实现 ，油公 司的任务是掌握油气 田 内在的生产规律 ，而其他合作伙伴 的主要任务是确保 数据采集 、 传输 、 集成设备以及软件 、 系统的正常工作。 4 国内外智能化油气 田技术对 比 智能化油气 田的提出仅有 1 0余年的时间，国外 目 前仍然处于智能化 的早期 ，从 国外几个比较成功的实 例来看，单个层面的智能化已经达到一定的水平 ，系统 的整体集成与智能化仍处于持续推进与整合之中，但 智能化理念已经深入到从管理层到作业者的各个层面。 纵观中国在该领域的发展现状 ，虽然没有明确提 出智能化油气 田的建设问题 ，但在生产管理的各个环 节都做 了大量具体工作 ，如数字化油藏描述 、钻井实 时分析 、随钻测井 、生产数据即时传输以及数字化油 气 田管理等 ，只是没有开展智能化油气 田整体建设 ， 没有形成有效 的系统及软件将各个环节综合起来协同 运 作 ，整 体性 与完 整 性不 够 。 与 国外 主要 差 异表 现 在 以下几个 方 面 。 4 ． 1 油 气 田勘 探开 发运 作模式 与 管理理念 的差 异 国外油公司的智能化油气 田方案按照项 目运作 、 资产管理模式管理一个油气 田的勘探开发全过程 ，在 其整个价值链环中甚至没有油气 田专业的概念 ，只有 现实物质资产 p h y s i c a l a s s e t ，油气开发就是资产的一 个持续优化过程 ， 油公 司的任务是使资产效益最大化 。 而 国内采用专业管理模式 ，油气藏开发分 阶段进行 ， 各个专业明确界定职责与业务 ，不同专业界面的整体 性与链条模式 尚需优化l 9 】 。 4 ． 2 技 术手段 和研 究 团队 的差 异 国外 大 的油公 司拥有 油气 勘 探开 发 领域 先进 的技 术手段和工具 ，按照其智能化油气 田方案 ，至少具备 智能井 、先进 的生产数据管理系统 、全 自动监测仪 、 无线数据传输系统、生产系统一体化模型、协同作业 中心等先进 的软硬件系统【 4 】 。另外在其合作研究 团队 中 ，除了油 气业 务领 域 的研 究人 员外 ，还有 I T 、 自动 化等领域 的技术人才 ，目前正斥巨资研发无线光缆监 测技术。中国目前在专业技术手段上与国外差异比较 大 ，特 别是 测 井技 术 、地 球物 理 、钻 完井 工艺 、数 据 采集与集成以及新技术的研发等【 l 。 4 ． 3决策时效性的差异 从智能化油气田生产与决策来看 ，时效性始终 占 有非 常重要 的地位 。 壳 牌计 划用 5 ～ 1 0 a的时问 ， 通过 智能化油气田方案，每天 2 4 h 遥控并优化全球油气资 产 ，按照资产 的重要性进行排 序 ，集 中其全球人才 与技术优势优先解决重要资产存在的问题 。中国目前 尚未建立重要性排序体系 ，全公司人才调配的灵活性 不够 。 4 ． 4 不 同专业人 员职 责的差 异 国外油公司在人才管理方面实施专业人才分级制 度 ，不 同级别的专业人才解决不 同层次的专业技术难 题 ；管理人员的职责是有效组织与管理不同专业的人 员 ，不具体参与技术研发。而 目前国内管理人员与技 术 人员 没有 很好 的界 定 ，同时在 技术 人 员 的管理 上也 没 有 明确 的分级 制度 。 4 ． 5 开 发对象 的差异 从开发对象来看 ，国外大的油公司油气 田自身条 件好 ，大多属于中高产油气 田；中国油气田整体条件 较差 ，大多属于中低产油气田[ ⋯。因此 国外大的油公 司油气 田高 产带 来 的高 收益 为智 能化 油 田管 理提 供 了 成 本优 势 。而 中 国近几 年发 现 的新油 气 田类 型复 杂 、 开 发效 益 比较差 ，实施 智能 化管 理初 期 ，必 然会 带来 成本 的进 一步上 升 。 5 实例 壳牌公司在智能化油气 田建设上处于国际领先地 位 ，在 全球 共有 5 9 个 智能 化油 气 田，经济 收益 已达 5 0 1 0 美元。下面是壳牌实施智能化油气田的 3个典 型实例 ，涵盖了海上与陆上 、油与气 、全面智能化与 简单智能化等几种类型，具有代表性。 英国的尼尔森 Ne l s o n油气 田于 1 9 9 4年投产 ， 位 于近 海大 陆架 ， 目前 处于 开发 中后 期 。该 油气 田 目 前 主要 面 临工作 效率 低 和海 量数 据管 理 、产 量过 低 和 过早衰竭 、生产设施故障导致停产以及气举效果需要 优化等方面的问题。通过对该油气 田实施智能化 ，将 试井数据采集 、生产数据监测 、动态配产、模型修正 等 工作在 软件平 台上 集成 ，实施 “ 动态 优化 ” ；通过 总 部 办公 室远程 指挥海 上平 台现场 作业 ， 提 高决 策效率 ； 通 过 多专业 协 同工 作 ，缩 短 了停产 时 间 、提高 了生 产 能力和整体效率 ，降低了作业成本 ；另外气举优化 由 原来 约每月 1 次 、每次 耗时 4 5 mi n的优化过 程改进 为 实时的气举优化 、每次优化只需 2 mi n 。目前该油气 田 l 2 2 石油勘探与开发 综合研究 原油 产量 4 5 0 0 1T I ／ d 、天然 气产量 3 1 0 。 m ／ d 。 荷 兰 的格 罗 宁根 G r o n i n g e n气 田于 1 9 6 3年 投 产 ，原始地质储量 2 9 O 0 0 x 1 0 1 T I ，累产气达 1 7 7 0 0 x 1 0 m。 ，气 田拥有 2 9个生产井组、3 0 0口产气井 ，现 生产能力约 3 ． 3 x 1 0 1 T I ／ d ；建有 2个地下储气库 ，夏季 储存周边小气 田产 出的气 ，冬季调峰，补偿格罗宁根 产量 的不足。气田主要面临 3个方面的问题 ①气井 受到最高产能限制 ，需要改善细化动态模型 ；②确保 气 田采收率最大化 ；③确保长期可靠正常运行。该气 田智能化对策是实施全 自动生产管理系统 ，多点实时 监控 ；全气 田产 、储 、输动态 自动化 ；全 自动启动与 关停 ，无人值守 全气 田仅 2人 。 俄罗斯萨雷姆 S a l y m油田项 目 2 0 0 3年启动 ， 处于开发早期 ，属多薄层陆上油藏。每年要进行超过 4 0 0次油田监测作业 ， 并打新井 1 O 0口。油田智能化的 主要 目标是 海量井作业资料管理 ；减少电潜泵故障， 减少停产次数并降低成本 ；环境恶劣 一 3 0 4 0℃ ， 减少用工。通过实施智能化油气 田对策 ，在莫斯科建 立远 程监 控 中心 ，实现 了对 偏远 的 5 0 0余 口电泵井 的 有效 监测 、控 制 和优化 。 总之 ，不同油气 田智能化的程度和 内容不一样 ， 需要根据具体油气 田面临的实际问题重点实施 ，可以 是局部智能化 ，也可以是全面智能化。 6结论与建议 智能化油气 田是未来发展的方向 ，是实现油气 田 高效开发与管理的有效手段 ，它使油气 田开发 由过去 的以专业和开发阶段划分为特色 的时代跨人 了以资产 的持续优化为 目标 ，追求产量 、最终采收率与效益最 大化的智能化油气田的新 阶段。智能化油气 田核心 内 容包括实时监测 、模型建立 、决策与实施 3个环节 ， 根据 资料及动态变化持续进行优化 ，具体包括单井优 化 、生产优化 、油气藏优化以及整体资产优化 4个层 次 ，最终追求 的是系统的整体优化 。 目前中国在该研究领域与国外有一定 的差距 。鉴 于 中 国现有 油 气 田的多样 性 与复 杂性 ，实施 智 能化 油 气 田方 案 时 ，可选 条件 相 对成 熟 的不 同类 型 与不 同开 发 阶段的油 田或气 田实施 ，按照智能化油气 田资产管 理 的理念 建立 全 新 的项 目运作 与管 理模 式 ，实 施 过程 中可根据油气 田的实际情况先部分智能化 ，试验成功 后逐步推广到其他油气 田。 参考文献 [ 1 ] Br i n d e d M． S ma r t f i e l d s i n t e l l i g e n t e n e r g y [ R] ． A ms t e r d a m I n t e l l i g e n t E n e r g y Co n f e r e n c e ， 2 0 0 8 ． [ 2 ] A j a y i A，Ma t h i e s o n D，Ko n o p c z y n s k i M．An i n n o v a t i v e wa y o f i n t e g r a t i n g r e l i a b i l i t y o f i n t e l l i g e n t we l l c o mp l e t i o n s y s t e m wit h r e s e r v o i r mo d e l i n g [ R ] ． S P E 9 4 4 0 0 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ] Ch a n R， T e r r y B ， D i x o n D， e t a 1 ． K i k e h d e v e l o p me n t C h a l l e n g e s i n i m p l e me n t i n g a s ma r t fi e l d [ R ] ． OT C 1 9 4 6 9 ， 2 0 0 8 ． [ 4 ] Ag g r e y G H， Da v i e s D R ， He r i o t Wa t t U， e t a 1 ． Da t a r i c h n e s s a n d r e l i a b i l i t y i n s ma r t - f i e l d ma n a g e me n t 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v e l o p me n t ， 2 0 0 9 ， 3 6 3 3 0 7 - 31 9． 第一作者简介贾爱林 1 9 6 6 一 ，男，内蒙古四子王旗人 ，博士，中国 石油勘探开发研究院教授级 高级工程师，主要从事油气田开发地质综合研 究工作。地址北京市海淀区学院路 2 0号，中国石油勘探开发研究院鄂 尔 多斯分院，邮政编码1 0 0 0 8 3 。E ma i l j a l p e t r o c h i n a ． t o m． c n 收稿 日期2 0 1 1 - 0 4 ． 2 5 修回日期2 0 1 1 ． 1 1 - 0 4 编辑郭海莉 绘 图 刘方方