海上作業(yè)與分析數(shù)字化依賴的是部署一些能夠產(chǎn)生某種液壓操作的井下完井技術(shù)。一種通過實施混合電動數(shù)字系統(tǒng)的漸進(jìn)式方法，是全面接受全電動方案以及與改變整個油田完井基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)成本的關(guān)鍵所在。
通過部署能夠產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)的井下完井技術(shù)，可以實現(xiàn)海上作業(yè)與分析的數(shù)字化。盡管這些數(shù)據(jù)對于了解油藏特征和油田范圍內(nèi)各構(gòu)造之間的相互作用至關(guān)重要，但快速響應(yīng)、管理和控制井下事件的能力對數(shù)字化運營的最大化效益則更為重要。
通過整合多個來源的井下數(shù)據(jù)，以最小的控制線貫穿件，提供對井眼的快速管控，先進(jìn)的油藏控制系統(tǒng)有助于最大限度地發(fā)揮數(shù)字化運營的優(yōu)勢。雖然智能完井的未來確實會嚴(yán)重依賴電氣技術(shù)而非液壓技術(shù)，但如今，利用井下監(jiān)測系統(tǒng)和強大的數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)，無論采用何種先進(jìn)的油藏控制系統(tǒng)，石油公司或運營商們都能從利用多層次的數(shù)字化中獲得受益。上圖為具有集成遙測與監(jiān)測架構(gòu)的電動液壓系統(tǒng)。
數(shù)字化油田的整合的必要性
今天，我們看到，數(shù)字化油田的整合和主動的油藏管理是井下高溫電子設(shè)備進(jìn)步與發(fā)展、以及其在永久性井下測量遙測方面取得整體成功的直接表現(xiàn)。早期遠(yuǎn)程驅(qū)動的液壓和電動液壓控制系統(tǒng)、以及永久性井下測量遙測技術(shù)的成功表現(xiàn)，提供了強大的技術(shù)支持，這些技術(shù)可加快油藏控制系統(tǒng)的響應(yīng)，提高系統(tǒng)的可靠性，以及提供與其它數(shù)字油田技術(shù)的接口，同時還能提供控制更多地層的機會。
先進(jìn)油藏控制系統(tǒng)的種類。目前油藏控制系統(tǒng)主要有三大類：1）液壓；2）電動液壓；3）全電動系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可被視為智能完井的起始藍(lán)圖，運營商的基礎(chǔ)設(shè)施可以確定所要部署的系統(tǒng)類型。此外，這些油藏控制系統(tǒng)可以細(xì)分為外在和內(nèi)在的先進(jìn)油藏控制系統(tǒng)。下面對這些控制系統(tǒng)的每一種類型做一個闡述，重點介紹一下它們成為先進(jìn)油藏控制系統(tǒng)的能力和局限性。
液壓系統(tǒng)。液壓式油藏控制系統(tǒng)被廣泛認(rèn)為是遠(yuǎn)程驅(qū)動技術(shù)最簡單的一種，迄今為止，它一直是最常見的一種控制系統(tǒng)。就先進(jìn)的油藏控制系統(tǒng)而言，液壓控制系統(tǒng)被認(rèn)為是外在的，因為它們無法傳輸井下數(shù)據(jù)。它們是獨立的系統(tǒng)，需要一個輔助和獨立的監(jiān)測系統(tǒng)來獲得更深入的領(lǐng)悟。
這些系統(tǒng)的控制方法各不相同，但最常見的是N+1控制線配置，其中N是受控地層的數(shù)量?？傮w而言，液壓系統(tǒng)有其固有的缺點，也就是必須等待控制管路加壓，這反過來又會在間隔控制閥的活塞截面上發(fā)出一個力以促使換擋。雖然這種固有的設(shè)計特性在產(chǎn)生巨大的活塞力方面是搶進(jìn)有力的，但其造成的損害在于驅(qū)動此類系統(tǒng)所需的時間。根據(jù)運營商的基礎(chǔ)設(shè)施和懸掛器處導(dǎo)引口的數(shù)量，運營商可以利用液壓式井下控制系統(tǒng)，以最少的地層控制數(shù)量實施完井。為了使這些系統(tǒng)成為外在的先進(jìn)油藏控制系統(tǒng)，必須采用額外的點對點的井下監(jiān)測系統(tǒng)，以提供必要的油藏生產(chǎn)或注入回饋。
電動液壓系統(tǒng)。第一個電動液壓系統(tǒng)結(jié)合了井下監(jiān)測傳感器，位置傳感器和井下閥門驅(qū)動器，井下閥門驅(qū)動器可以通過遙測通信協(xié)議從地面選擇性地對閥門進(jìn)行驅(qū)動與調(diào)節(jié)。這種電動液壓系統(tǒng)是超前開發(fā)的，這樣的系統(tǒng)今天已被認(rèn)證為是一種內(nèi)在的先進(jìn)油藏控制系統(tǒng)。
在今天的高溫電子器件開發(fā)出來之前，油田開發(fā)中常會看到采用器件冗余的方法來提高電子設(shè)備的可靠性，特別是當(dāng)希望設(shè)備能使用10年或更長時間時。考慮到1997年那時的電子器件在高溫環(huán)境下的可靠性明顯低于今天的電子器件，從事設(shè)計的工程師們決定通過將兩個系統(tǒng)打包成一個系統(tǒng)來增加系統(tǒng)中組件的數(shù)量：一個主系統(tǒng)和一個備用系統(tǒng)。這種系統(tǒng)組件的增加導(dǎo)致了系統(tǒng)的總成本也隨之增加，從而阻礙了系統(tǒng)的采用。
為了減少整個系統(tǒng)的組件數(shù)量和成本，開發(fā)了一種簡單的電動液壓外在系統(tǒng)，其中先進(jìn)的油藏控制系統(tǒng)由一組無源的電氣組件提供。這些電氣組件不使用遙測技術(shù)，而是采用多路復(fù)用的方案來接合分布在多個井筒區(qū)域的不同間隔控制閥。外在的電動液壓控制系統(tǒng)使用兩條液壓管路對間隔控制閥的動作進(jìn)行控制，并且使用一條配電線路對間隔控制閥進(jìn)行控制。
圖2
所有這三條線路都連接到一個地面控制裝置，當(dāng)完井作業(yè)部署有間隔控制閥時，該裝置能夠提供選擇每一個間隔控制閥所需的液壓和電流。電子設(shè)備的高可靠性基本上消除了對冗余電子組件的需求，根據(jù)項目預(yù)算和目標(biāo)，將冗余作為升級功能予以考慮。與全液壓系統(tǒng)相比，內(nèi)在的電動液壓系統(tǒng)受益于更快的響應(yīng)速度，而且鑒于它們與包容性監(jiān)測系統(tǒng)共享遙測數(shù)據(jù)，因此，內(nèi)在的電動液壓系統(tǒng)可用于實施先進(jìn)的油藏控制工作流程。
所有的電氣系統(tǒng)都是先進(jìn)控制系統(tǒng)發(fā)展的下一步。這些系統(tǒng)就是內(nèi)在的先進(jìn)油藏控制系統(tǒng)，因為它們已經(jīng)具有了在全電動架構(gòu)中多個設(shè)備之間共享的遙測數(shù)據(jù)。最近在電動機效率和功率方面的進(jìn)展已使得該技術(shù)能夠產(chǎn)生較大的能力，可以與全液壓系統(tǒng)相媲美。這些系統(tǒng)通過一條單一的電熱轉(zhuǎn)換管路來指揮和控制多個地層，提供壓力和溫度方面的儲層反饋，以及通過遙測到其地面設(shè)備的方式，提供完整的位置傳感、虛擬流量測量和整體的系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù)。
部署全電動技術(shù)時需要考慮的一個重要方面是系統(tǒng)保持全孔徑生產(chǎn)或注入流量的能力。雖然引入更快的系統(tǒng)響應(yīng)很重要，但由于間隔控制閥設(shè)計導(dǎo)致的流量限制可能會影響一臺設(shè)備的整體潛力。當(dāng)與全電動設(shè)施結(jié)合使用時，間隔控制閥的設(shè)計不再限制流量，可提供精準(zhǔn)的閥門定位、全孔徑生產(chǎn)或注入，以及全電動系統(tǒng)提供的驅(qū)動速度等優(yōu)點。另一個優(yōu)點是全電動系統(tǒng)能整合到其他類似的系統(tǒng)中。這樣的智能完井系統(tǒng)，間隔控制閥和儀表不僅可以相互作用，還可與電動安全閥和其它全電動完井技術(shù)進(jìn)行互動。部署兼容的全電動系統(tǒng)，最終的好處是它能簡化中樞電纜，可以降低海上應(yīng)用的整體資本支出。
雖然與內(nèi)在的先進(jìn)油藏控制系統(tǒng)相比，外在的系統(tǒng)在操作上更難部署，但現(xiàn)實情況是，外在的油藏控制系統(tǒng)已成功使用了20多年。通過適當(dāng)級別的設(shè)計、工藝和規(guī)劃，可以成功部署外部的油藏控制系統(tǒng)，同時也能可靠地提供必要的井眼監(jiān)測和控制，目的是主動管理油藏，見圖2（油藏控制系統(tǒng)的類型和特點）
。 運營商必須考慮井筒和油田基礎(chǔ)設(shè)施、必要的油藏控制等級（主動與被動控制）以及系統(tǒng)的成本。
基于系統(tǒng)選擇的數(shù)字化
一個完全集成的電動液壓系統(tǒng)初步的測試和結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠為越來越多的受控地層提供遙測、診斷、以及與永久性井下測量儀的整合。下一代電動液壓控制系統(tǒng)組件依靠目前的液壓間隔控制閥技術(shù)和ASIC（Application Specific Integrated Circuit特定應(yīng)用集成電路）混合電路技術(shù)進(jìn)行通信。模擬顯示，該系統(tǒng)可通過一個與永久性井下測量儀共享的通用遙測協(xié)議，提供間隔控制閥定位的實時反饋?？紤]到間隔控制閥流量調(diào)整設(shè)計，以及利用油管和井下環(huán)空壓力和溫度數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)自動化的工作流程，以快速準(zhǔn)確的方式調(diào)整電動液壓系統(tǒng)間隔控制閥的定位。
迄今為止，已經(jīng)對這兩種類型的內(nèi)在系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的測試。在這兩種類型中，全電動系統(tǒng)被視為是該行業(yè)長期的解決方案。一般來說，全電動數(shù)字化的概念為數(shù)字油田可能走向何方提供了一個烏托邦（空想或不切實際）式的觀點，但在實踐中，通過實施混合電動數(shù)字系統(tǒng)，一種漸進(jìn)式方法是全面接受全電動系統(tǒng)的關(guān)鍵。電氣化組件的長期接受度也已在多個行業(yè)得到了體現(xiàn)。
電動液壓系統(tǒng)的成功實現(xiàn)和可靠性將會在油田全電動系統(tǒng)的大規(guī)模接受與使用中發(fā)揮重要作用。雖然完井效益的未來在于電動系統(tǒng)，但數(shù)字化不必等到這些系統(tǒng)成為主流時才來推進(jìn)。電動液壓系統(tǒng)是進(jìn)入全電動系統(tǒng)的良好途徑，這會使石油公司或運營商有機會利用一些現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，同時受益于數(shù)字化油田推進(jìn)所帶來的完井優(yōu)化。
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