智能化油气田建设关键技术与前景

【技术】智能化油气田建设关键技术与前景文/贾爱林郭建林，中国石油勘探开发研究院引言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（Smartfields）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智能化油气田及其特点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发生命周期，进行“持续”最优化。1.2智能化油气田起源与意义借鉴航天航空、汽车工业生产管理与运行系统的工作原理，壳牌公司管理层最早提出了智能化油气田的理念，其运行方式类似现代汽车的发动机：整个发动机是一个封闭系统，大量的传感器与一个计算机诊断系统相连，计算机系统通过传感器接收数据模拟发动机运行，并根据模型即时给出最优化调整，汽车或者汽车工程师则相应自动作出调整；通过这种方式，可以大大提高燃料的有效性。在上述理念指导下，壳牌公司实施了智能化油气田。首先，智能化油气田是壳牌公司适应日益复杂的油气田地质条件和国际社会新变化的需要。随着优质油气田开发殆尽，开发对象越来越复杂，各种类型复杂油气田开发难度更大、技术要求更高；同时其面临的国际形势也在不断变化，如国际社会和环境保护要求减少燃烧和排放，油田勘探开发合作对象全球化、多元化，对油气田开发的远程化、全球化管理等等。其次，建设智能化油气田是提高项目效益、实现不同项目价值最大化的需要。通过实施智能化油气田，可以有效降低新项目风险、解决老油气田资料管理不完善等问题，确保实现油气田全生命周期价值的最大化。另外，科技进步日新月异，在数据采集、传输与集成，工具设备和计算机软、硬件环境等方面技术进步的共同推动下，智能化油气田是发展的必然，是加强油气田勘探开发全过程一体化生产管理的需要。油气田勘探开发涉及多个方面，需要各个方面协同作业，包括生产管理措施、技术方案、各类人员、技能和工具、组织机构等一体化运作，才能确保项目效益最大化。整体上，实施智能化油气田管理，预计可以使传统油气田最终采收率提高8%，采油速度提高10%。1.3智能化油气田的主要特征智能化油气田的主要特征可以概括为“时效+协同+持续”，即第一时间做出方案和决策、多专业部门协同工作、闭环式（封闭系统、链环互动）循环往复持续优化。智能化油气田具备以下3个主要特征。首先是时效性。时效性是指实时监测所有生产动态并将其体现到模型中，始终为决策者提供最新的动态模型，优化、决策与实施都是在第一时间作出反应，同步进行。根据不同项目在各阶段的不同需求，模型数据群可按秒、分、时获取高频实时数据；同时为油田综合管理建立全油气田的流动模型，获取的数据可以按天、月以至整个油田生命期来计。其次是一体化协同。智能化油气田注重的是整个系统的一体化协同运作，在技术上采用的是实时远程控制、实时数据共享，实时调整运行与实时决策修正；在管理上实施的是闭环式管理，价值链环中各个环节紧密结合，即勘探、开发、管理全过程的所有人员形成一个紧密协同的项目组，而不是分隔式的专业管理。第三是持续性。智能化油气田3个重点环节（实时监测、模型建立、决策与实施）形成整体价值链环，贯穿油气田开发整个生命周期，持续进行最优化，以实现产量、采收率和整体效益的最大化。智能化油气田的实施是一个不间断循环式过程（见图1）。从一个油气田的发现开始就实施智能化，通过各种途径获取数据，并进行解释分析，建立基本模型，开展风险评估，提出解决方案和决策建议，通过资产的整体评估后执行方案。执行的过程中，要开展整个油气田的实时动态监测，任何监测数据都要实时传输到计算机数据管理系统，系统会根据动态数据修改调整模型，提出具体的改进优化措施，从而实现油气田开发效益的最大化。2智能化油气田发展趋势与解决方案2.1智能化油气田发展趋势智能化油气田始于2000年前后的四维地震和智能井等单一技术，历经封闭式协同作业环境链环管理（2005年）、油藏监测（单井优化�生产优化�油气藏优化�资产整体优化）等阶段，目前由于光缆技术和纳米技术（2010年）的应用，更加注重项目的协同运作，实现闭环式油气藏管理。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（BP、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（valueloop），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。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1s到1d，该层次优化强调的重点是实时与准确[6-8]。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1d到3month，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3month到2a，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IT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10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(physicalasset)，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。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。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IT、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。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5-10a的时间，通过智能化油气田方案，每天24h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。