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国外井下无线传输技术
无线传输技术近年来在石油行业试井、 完井监测、 随钻测井方面应用较多。国际上知名公司哈里伯顿、 斯伦贝谢、 EXPRO、 贝克等公司都有此项技术的广泛应用。主要有两种类型无线传输方式: 以哈里伯顿为代表的声波无线遥测系统ATS和以斯伦贝谢为代表的电磁波无线遥测系统ENACT。
（一） 哈里伯顿ATS声波遥测系统
1、 系统简介
该系统主要用于和5in外径的DST工具连接, 该系统最大作业深度1 ft( 3650m) 。系统参数见表3-1。
表3-1 ATS声波遥测系统参数表
传输方式
外径
内径
工作压力
工作温度
采样间隔
电池寿命
声波
5.25in
2.25in
15000psi
165℃
10s-实时
1s-存储
20天

系统使用了模块的概念, 中继器是系统的核心, 负责工具之间的系统通讯, 增加系统间的通讯距离。中继器一般相隔1500英尺, 也根据井况而变化。系统最多可安装6个中继器。
多用途压力计能够测量不同深度处的温度和压力, 实时传输到了地面, 该系统装有双蓝宝石/单/双石英压力计, 存储能力达1MM数据组。
无线实时声波遥测系统的优点:
l 安全: 不需要电缆, 明显地减少了人员面临井口高压和潜在的H2S和有害流体带来的健康安全伤害。
l 作业: 经过使用声波遥测系统, 代替环空压力触发井下工具, 减少了套管压力的限制, 也避免了高压井的压井泥浆对环空压力控制工具的影响。
l 质量: 在DST测试期间, 基于油藏响应, 根据井下数据, 能够及时地改变测试程序, 增加了DST测试期间数据获取的质量, 确保达到测试目标。
2、 三个声波无线遥测应用管柱图
( 1) 某高压井上应用的ATS测试管柱
, 哈里伯顿进行了非常规测试技术试验, 作业的目标就是研究取代常规DST测试技术的可行性, 该井用注入测试, 适应作业安全和环境限制的情况。图3-1是测试管柱图, 包括井下压力计和声波中继器。在测试期间, 来自井下压力计的数据用声波实时传送, 能够恒定控制注入参数, 维持在破裂压力以下。进行实时数据传送, 在测试期间能够调节原程序, 不需要起出工具, 等待数据解释。在作业中使用无线系统起到了重要作用。因为在测试期间没有预料到产砂, 妨碍了使用电缆系统下到目标深度回收数据。
图3-2 FasTest System 管柱结构
放射性标志短接

RD循环阀

ATS 发送器

选择测试阀

PVT取样筒

压力计托筒

OMNI循环阀
震击器

安全短接

CHAMP IV封隔器

封隔器下安全接头

延时点火头

VanGun

延时点火头

排气孔

测试树

中继器2-0m

2 7/8油管
中继器3-577m

中继器4-1195m

中继器5-1804m

中继器6-1959m

RD安全循环阀

OMNI循环阀

压力传感器-2080m
选择测试阀-2089 m
RD循环阀
压力传感器

封隔器-2633m

目的层-2648m

图3-1高压井声波无线传输测试管柱图

( 2) FasTest™ System
FasTest™快速测试系统( 图3-2) 具有有限的散发、 零生产烃类流体取样, 利用了密闭试井理论和方法, 采集数据和流体样品, 做出合理的开发和评估决策。使用哈里伯顿ATS™声波遥测系统进行井下监测, 能够进行实时的测试分析和控制。它是一个非燃烧系统, 解决了测试中健康安全环保问题。
特点:
l 动态的油藏性质, 孔隙度, 表皮因子和初始油藏压力。FasTest分析技术能够从采集的瞬态压力数据中快速容易地计算油藏性质。
l 三个600 cc取样, 达到最新取样技术。在测试任何时间, 取样能够独立地在地面启动, 可用三种控制机构之一控制: 声波遥测、 环空压力、 定时器。
l 不需要燃烧或处理大量的油藏流体
l 实时的井下数据采集和传输
l 实时的地面控制井下采样
( 3) SmarTest™ 系统
SmarTest™ 系统是最先进的遥测作业的测试装置, 它综合了现有的DST技术和当前的DST工具和采样工具的发展, 应用于裸眼井测试, 但修改后也能应用于套管井测试。该系统比常规裸眼测试能够低风险地采集油藏数据和流体样品( 如图3-3) 。其中NR封隔器是非旋转的膨胀式封隔器, 管柱下压坐封, 上提解封。
功能:
l 能够计算渗透率、 表皮、 产能指数、 油藏压力;
l 记录实时的压力和温度、 测量流体流量
l 一次下入, 测试多层
新特点:
与以往管柱相比, 图3-3管柱中多个工具采用了遥测技术, 如从上到下依次为: 遥测循环阀、 遥测测试阀、 遥测FasTest取样筒。实现了无线传输温度压力等数据, 同时实现了无线遥测开关井、 循环阀、 PVT取样, 发展成为一种无线遥测综合技术SmarTest™, 是最先进的遥测测试装置。
（二） 斯伦贝谢EnACT无线井下油藏测试系统
1、 系统简介
斯伦贝谢开发的EnACT无线遥测传输系统基于低频的电磁信号, 系统总的设计如图3-4所示。在系统中, 将无线传输和原有的IRDV技术相结合, 形成一个综合技术。系统的通讯是双向的, 地面-井底和井底-地面。遥测性能取决于地层电阻率、 完井结构和井筒流体。现场测试从HUB到地面传输范围达到1828.8～3200m。安装中继器能够扩展深度范围。对于典型的油藏测试环境, 只需要一个中继器, 对于深井可能需要更多的中继器。
在地面, 系统有连接到井口的电缆, 离井口大约300ft, 连接着地面传送和接收盒, 地面这两点能够传送和接收信号。系统参数见表3-2。
该无线系统能够和无线激发点火头一起使用, 可用于多层选择射孔。

ATS中继器
ATS大孔径
接收器
钻杆
钻铤
钻杆
遥测循环阀
IPO循环阀
ATS发送器
遥测测试阀
FasTest
取样筒1
FasTest
取样筒2
钻杆
大容量取样器
上NR封隔器
压力计托筒
下NR封隔器
压力计托筒
震击器
图3-3 SmarTest™系统管柱图

封隔器
HUB( 含压力计4个)
IRDV测试阀和循环阀
1 11/16-in中继器
和绝缘接头

地面采集和传输
图3-4 EnACT无线遥测系统图

1)HUB

2、 系统结构功能特点
EnACT系统由地面采集和传输单元、 井下单元组成。井下单元包含: HUB、 智能遥测双阀( IRDV) 、 中继器等组成。与前述的哈里伯顿的SmarTest™系统相同之处是: 都采用了无线遥测测试阀来开关井。不同之处是: 前者采用声波遥测, 遥测测试阀连接于发送器下部; 后者采用电磁波遥测, 同时也能用环空压力脉冲或定时器控制测试阀开关; 测试阀连接于发送器( HUB) 上部; EnACT能够和无线激发点火头一起使用, 用于多层选择射孔。
( 1) HUB
HUB是井下无线系统的核心, 相当于前面的发送器。它包含了4个压力和温度计和必须的无线传输和接收的电路。安装在HUB内的每个压力计都有独立的电池和电路, 用于处理和记录数据。该设计保证了任何无线遥测系统出现故障时采集数据的安全。
表3-2 EnACT主要指标表
参数 \ 系统单元
HUB
中继器
最大外压(MPa)
90
103
工作温度( ℃)
150
150
最大外径( mm)
133
42.8
内径( mm)
57
——
测量压力计( 个)
4
1
单级传输距离( m)
610～3048
610～3048
最大数目
6
6

( 2) 智能遥测双阀( IRDV)
智能遥测双阀( IRDV) 是快速动作、 独立控制、 全通径多次循环双阀。靠低密度的环空压力脉冲独立或依次控制测试阀( 球阀) 和循环阀( 滑套型) 。在探井和完井中使用了数千次, 经历了从轻型的盐水到重型的泥浆系统。IRDV对其它工具作业的压力波动、 一般的作业过程、 水力压裂是不敏感的。
将IRDV连接于HUB上部, 可将IRDV的开关状态反馈阀到地面, 可无线遥测控制阀的开关。同时保留了IRDV原有的功能, 能够经过常规的压力脉冲控制。
( 3) 中继器
中继器的无线遥测性能同HUB。然而, 仅有一个通向环空的压力测量装置。如果需要测量其它管压, 能够下入一个HUB作为一个中继器。
3、 斯伦贝谢无线遥测系统在测试优化上的应用
无线遥测系统在沙特阿拉伯应用了3口井、 6井次, ( 见表3-3) 。每次作业数据都
在地面成功地接收。显示系统( InterACT) 如图3-5所示。
表3-3斯伦贝谢无线传输系统在沙特阿拉伯测试应用统计表
井名
井A
井B
井C
测试编号
1
2
1
2
1
2
时间( d)
5
6
4
7
8
7
深度( m)
3080
2426
1929
1889
3200
2875
井底温度( ℃)
86.1
68.3
90.0
92.2
92.7
87.7
最大油压( MPa)
75.8
68.9
58.6
65.5
82.7
47.5
HUB平均套压( MPa)
31.7
26.8
22.3
21.3
35.0
35.1

图3-5井场无线井下-地面数据采集机构

图3-6无线传输的井底压力数据和记录的存储数据是一致的

在测试中, 使用无线系统获得的实时数据显示在图3-6中, 被存储数据组覆盖。实时和存储数据都来自装在一个HUB中的同一个压力计, 图3-6证实了实时的数据和存储数据是一致的。无线遥测系统传输的全分辨率数据和压力计的存储数据都是预期的结果。
( 1) 井下操作的核实-核实测试阀的开关
传输到地面的压力数据能够用来验证核实井下工具的操作。在沙特阿拉伯现场的测试主要在低渗透率区域, 工作的主要难点是, 核实射孔和测试阀的操作。在这些井中可能很难或不可能从地面压力数据核实正确的工具操作。井底数据不但能够用来核实阀的操作, 还能确信完全的压力保持, 如图3-7所示。经过直接核实测试阀的正确操作, 就能够消除一些疑问或如果有一些问题, 就直接采取一些补救措施。这个过程不但节省了时间, 还确保了数据的可靠性。可是它确保了潜在的风险作业如使用电缆( 例如下入通井规) 的作业就不进行了。节约了时间, 简化了作业。
另外, 传输井下数据, 无线遥测系统能够提供测试阀的一个反馈状态。
图3-7在测试阀关井的瞬间地面和实时井下压力数据
井下关井后井口压力无变化
井下关井后无线传输核实了测试阀已关闭

( 2) 监测氮气举升—优化气举
在氮气举升作业中, 一般很难精确地测量井的产能。地面流动和压力测量一般都是不规则的, 这一过程可能是重复的, 耗费时间的, 有很大的优化的机会。
图3-8表示了在氮气举升过程中实时采集的地面压力和井底压力。而氮气注入速度和连续油管深度没有显示出来, 很清楚该区域的产能有限, 是由于气举没有提供足够的油藏流动, 而产生了压力下降。
图3-8 在井A-测试1上连续油管氮气举升中井底压力和地面压力
井口压力
井底压力

( 3) 意外事件的管理-核实射孔
实时的井下数据特别有价值的应用就是在突发事件发生的时候, 要求一个细致的系统的解决问题的方法, 正确地识别问题, 采取补救措施。借助实时的井下数据, 这个过程就能够明显地简化, 井A-测试2就是一个例子。
图3-9射孔作业前井A-测试2的井口压力
油藏反馈压力
测试阀开
油管压力增加
打开油嘴
压力下降

在液垫置换、 封隔器坐封后, 用无线遥测系统监测了压力。在井里下入钢丝, 进行投棒点火前, 井口压力出现了下降。然而无线系统发出信号, 井下压力却增加了, 如图3-9所示。这表明了射孔前井口和油藏间已经连通。经过井口压力测量, 作出流动决策, 确定是否孔眼连通。表明无线遥测系统迅速识别和核实了压力增加是由于油藏效应引起的。当用其它的方法证明同样的信息时, 将会花费更多的时间。
( 三) EXPRO无线遥测系统及在生产完井上的应用
EXPRO公司 将其电磁遥测系统( CATS) 应用于生产完井中, 使用完井或油管作为电磁传输路径( 如图3-10) 。不需要永久电缆、 电缆夹子和电缆穿越井口和封隔器。电磁系统按规定的间隔传输数据, 能够有效地管理油藏。代替电缆作永久监测。系统电池供电, 传输的数据量主要取决于工具的下入深度, 可是完井、 地层电阻率和地面设备也都有一定的影响。系统已经从10000ft将数据传输到地面, 不需要任何中继器。

图3-10 EXPRO公司CaTS系统生产完井应用示意图
井口信号拾取
遥测信号拾取
生产油管
信号
套管
生产封隔器
电磁耦合从工具到油管
压力传感器
电 池
电路
CaTS工具工具GONG套管
贴近油管GONG套管
电磁波沿完井
及套管传播
完井工作筒工具GONG套管

参考文献
1. 胡长翠, ”井下测试数据无线传输技术探讨”, 《钻采工艺》 第1期
2. Josmar Haddad, Alejandro Salguero, and Carrie Jaimes, Halliburton, ”Application of Telemetry Technology in High-Pressure Wells to Improve Data Accuracy in Drill-Stem Tests”, spe129160,
3. 哈里伯顿主页Well Testing /FasTest
4. 哈里伯顿主页Well Testing/SmarTest
5. 斯伦贝谢主页wireless_reservoir_testing_system
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7. M. Brinsden, SPE, Expro Intl. Group PLC, ”A New Wireless Solution to Real Time Reservoir Surveillance”, SPE 93512,
8. Sidney Huval, Jim McNicol, Baker Hughes, ”Real-Time Data Enables Real-Time Decision Making in Well Intervention Operations”, SPE 116740,