天然氣井修井可將生產(chǎn)時(shí)間從幾年延長到幾十年。修井不僅能延長和提高總生產(chǎn)能力，還能提供維修和升級(jí)的機(jī)會(huì)。修井需要公司人員、外部承包商和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供應(yīng)商之間的協(xié)調(diào)，而且通常必須在嚴(yán)酷的冬季環(huán)境中進(jìn)行。

格爾夫波特能源公司在俄亥俄州東部運(yùn)營 330 口天然氣井，每口井都已進(jìn)行或?qū)⑦M(jìn)行修井。一口井通常無需任何輔助即可運(yùn)行 18 個(gè)月至 5 年；然后進(jìn)行修井以增加柱塞舉升輔助，從而將生產(chǎn)時(shí)間延長 15 至 30 年。

每次修井都需要斷開和重新連接五臺(tái)壓力儀表。如果一切順利，這個(gè)過程通常需要四到六個(gè)小時(shí)，但由于斷開和重新連接有線儀表的問題，這個(gè)過程通常會(huì)更長。自從從有線儀表升級(jí)到無線儀表以來，修井時(shí)間變得更加可預(yù)測，儀表和電氣 (I&E) 技術(shù)人員到達(dá)現(xiàn)場所需的時(shí)間從 5 小時(shí)縮短到 15 分鐘。

規(guī)劃修井

每口井長 16,000 至 24,000 英尺，包括垂直和水平距離。石蠟堆積會(huì)對井的運(yùn)行造成嚴(yán)重破壞，并且在壓井時(shí)閥門必須正常工作。等待太長時(shí)間修井并安裝柱塞舉升輔助裝置會(huì)導(dǎo)致垂直段積水，從而產(chǎn)生壓力。必須手動(dòng)將壓力釋放到大氣中以“卸下井”，這是一個(gè)潛在的危險(xiǎn)操作，必須密切監(jiān)控并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

油藏工程師監(jiān)控每口井的工藝數(shù)據(jù)，包括水和氣體的流量以及油管和套管的壓力。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，當(dāng)產(chǎn)量開始大幅下降時(shí)，就會(huì)決定對油井進(jìn)行修井。

在氣井開采初期，生產(chǎn)率和速度通常足夠高，以保持井筒內(nèi)沒有積液。任何存在的液體都會(huì)被氣流夾帶到地面。氣體的高湍流和速度很容易將液體舉起，井以穩(wěn)定的流速生產(chǎn)。

隨著油井老化，儲(chǔ)層壓力、流速和速度都會(huì)下降。氣體舉升特性發(fā)生變化，液體開始聚集在生產(chǎn)油管壁上。液體仍會(huì)向上移動(dòng)并流出油井，但隨著時(shí)間的推移效率會(huì)降低。

隨著氣體流量和速度持續(xù)下降，管道壁上原本向上流動(dòng)的液體開始停滯，限制了氣體的流動(dòng)。當(dāng)液體積聚到一定程度時(shí)，就會(huì)形成液體“塊”。

在生產(chǎn)階段，油藏在液塞下仍能形成足夠的氣壓，以克服靜水壓力，迫使液塞回到油管上。氣體膨脹，一部分?jǐn)y帶液體，一部分滑過液體。這會(huì)將大部分液體帶出井筒，但會(huì)阻礙氣體流動(dòng)，導(dǎo)致流速變慢。液塞會(huì)給下游設(shè)備造成巨大壓力。

最終，由于不再有足夠的氣壓將液體帶出，流速會(huì)降至臨界值以下，氣體生產(chǎn)會(huì)受阻，從而導(dǎo)致油井死亡。需要采取更直接的措施來清理井眼并維持生產(chǎn)，例如 Gulfport Energy 使用的柱塞舉升輔助方法。

柱塞舉升系統(tǒng)不排放甲烷，不使用任何消耗品，并且所需的功率極小。該設(shè)備由位于井頂部的柱塞頭組件（也稱為潤滑器）組成。本地 PLC 會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間保持和釋放柱塞。需要各種閥門、多個(gè)壓力和溫度儀表以及差壓 (DP) 流量計(jì)。

操作很簡單。柱塞的尺寸接近但小于井管的直徑，柱塞落到井底，落在緩沖彈簧上。然后關(guān)閉井口，使壓力積聚。當(dāng)壓力足夠高時(shí)，井口打開，壓力可以將柱塞推上油管，將液體抬起，釋放氣體，以便恢復(fù)生產(chǎn)。柱塞彈出時(shí)被捕獲，并被保留，直到水柱最終重新形成，整個(gè)循環(huán)重復(fù)。在一些井中，清理循環(huán)可能每小時(shí)運(yùn)行幾次。

柱塞舉升系統(tǒng)是在修井過程中安裝的，但在斷開和重新連接儀器時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)問題。

修井問題

每次修井作業(yè)都需要斷開和重新連接五臺(tái)壓力儀表。這些儀表測量以下壓力參數(shù)，每個(gè)參數(shù)取決于井況和位置：

管道壓力，130-1,000 psi套管壓力，130-1,200 psi表面套管壓力，1-600 psi中間套管，1-2,800 psi流線壓力，1-1,000 psi。

使用傳統(tǒng)的有線儀器，一個(gè)由 Gulfport Energy 生產(chǎn)工頭或主管和承包商 I&E 技術(shù)人員組成的 6 到 8 人團(tuán)隊(duì)每天可以修井兩口井。這是假設(shè)一切按計(jì)劃進(jìn)行，沒有不可預(yù)見的問題，但事實(shí)往往并非如此。

承包商的 I&E 技術(shù)人員需要在修井前拔掉保險(xiǎn)絲、斷開接線并移除電纜，并在修井后重新進(jìn)行這項(xiàng)工作。他們通常要在現(xiàn)場花費(fèi) 5 個(gè)小時(shí)來完成 15 分鐘的工作，而且錯(cuò)誤和損壞通常不會(huì)被注意到。因此，預(yù)算為修井工作的 4 到 6 個(gè)小時(shí)可能會(huì)變成一整天甚至更長時(shí)間，承包商需要全程在現(xiàn)場并支付費(fèi)用。

由于管道內(nèi)的電線被擠壓或斷裂，儀器電纜損壞的情況相當(dāng)常見（圖 2）。這種情況通常直到油井恢復(fù)在線時(shí)才會(huì)被注意到，通常需要將油井重新下線進(jìn)行維修。這增加了修井的危險(xiǎn)，并增加了作業(yè)所需的時(shí)間和金錢。

需要一個(gè)更好的解決方案來消除有線儀器重新安裝問題，理想情況下是通過消除接線。

升級(jí)至無線

在評估了各種無線儀器解決方案后，Gulfport Energy 于 2014 年實(shí)施了無線HART 壓力和溫度儀器（圖 3）。有線儀器的可靠性和性能方面的經(jīng)驗(yàn)是積極的，唯一的問題是修井期間的接線問題。所有新井都安裝了無線儀器，許多現(xiàn)有井也進(jìn)行了改裝。

每個(gè)無線儀器都與配備天線的網(wǎng)關(guān)通信（圖 4）。儀器和網(wǎng)關(guān)構(gòu)成無線HART 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，確保可靠的通信。網(wǎng)關(guān)通過硬線以太網(wǎng) Modbus TCP/IP 數(shù)據(jù)鏈路連接到本地 PLC。

PLC 通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)與中央控制室通信，從而創(chuàng)建監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集 (SCADA) 系統(tǒng)。該系統(tǒng)允許遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制每口井，這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)樗芯际菬o人值守的，并且可以在兩次現(xiàn)場訪問之間連續(xù)運(yùn)行數(shù)月。

有了無線技術(shù)，PLC 和每個(gè)儀器之間就不再需要保險(xiǎn)絲、導(dǎo)管或電線。這樣就無需在修井前后進(jìn)行電氣接線工作。儀器只需留在井口設(shè)備上，修井時(shí)也不再需要簽約的 I&E 技術(shù)人員。唯一的維護(hù)是更換電池，電池壽命超過五年。

成本節(jié)約使 Gulfport Energy 能夠取消 I&E 承包商，并聘請兩名全職 I&E 技術(shù)人員來改善運(yùn)營。更重要的是，減少了油井現(xiàn)場的潛在危險(xiǎn)情況。

概括

由于無線壓力和溫度儀表的成功應(yīng)用，Gulfport Energy 現(xiàn)在使用物聯(lián)網(wǎng)無線HART 儀表來監(jiān)測水和冷凝水箱的水位（圖 5）。

Gulfport Energy 還使用離散無線發(fā)射器將現(xiàn)場安裝的遠(yuǎn)程緊急停止按鈕的激活信息傳送給 PLC。這樣，現(xiàn)場人員就可以從遠(yuǎn)處關(guān)閉油井的運(yùn)行，如果出現(xiàn)問題，這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)榫嚯x油井越近，危險(xiǎn)就越大。

目前正在探索使用無線儀器測量油管、生產(chǎn)套管、中間套管和表面套管壓力以及其他診斷測量，以便通過 SCADA 系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控情況。研發(fā)測試是另一種非常適合無線儀器的應(yīng)用，因?yàn)樗鼈円子谠谂R時(shí)設(shè)置中安裝。

修井就像是一次小規(guī)模的周轉(zhuǎn)。修井速度快，成本低，但斷開和重新連接儀器線路成本高，風(fēng)險(xiǎn)大。通過在新舊井上升級(jí)無線儀器，Gulfport Energy 節(jié)省了時(shí)間，降低了成本，并減少了工人接觸危險(xiǎn)的機(jī)會(huì)。