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影响未来油气勘探开发的前沿技术(下)

能源情报2019-01-10 02:55:52

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文/杨金华 朱桂清 张焕芝 李晓光 郭晓霞 张华珍 郝宏娜

中国石油集团经济技术研究院科技研究所

11 岩性扫描测井技术

现今油藏复杂性不断增加,要求准确了解地层组分和矿物含量,特别是非常规油气藏,定量测量矿物和有机碳含量对资源评价至关重要。岩性扫描仪器是一种新的地球化学能谱测井仪,结合了非弹性和俘获伽马能谱测量的优点,为详细描述复杂油藏提供了重要手段。与前一代能谱仪器相比,岩性扫描仪器测量地层元素的精度更高,还能独立定量确定总有机碳含量(TOC),使得TOC测井成为现实,对非常规油气和常规油气的评价具有非常重要的作用。仪器结合了现代闪烁探测器、高输出脉冲中子发生器和非常快速的脉冲处理系统,极大地提高了能谱测井质量。

仪器采用了大型铈掺杂溴化镧(LaBr3:Ce)伽马射线探测器及先进的耐高温光电倍增管。LaBr3:Ce 是一种非常快速的闪烁器,具有如下优异性能:光输出量大,对于每个入射光子,能够比其他材料产生更多的光,比NaI 高约50%,提高了光谱分辨率;高温性能优异,200℃时光输出和分辨率只有少量降低;光衰减时间比NaI 和BGO 要快一个数量级(表2),计数率非常高,能够提高测量精度和测速。LaBr3:Ce 在高温下仍具有较高性能,仪器耐温175℃,无需采取热保护措施,可延长作业时间。

仪器采用了新一代脉冲中子发生器(d-T PNG),每秒至少能产生 3 亿个中子,是放射性同位素源的 8倍。如此高的中子产额利于仪器结合利用 LaBr3:Ce 闪烁器,提供非常高的计数率。为了优化非弹性和俘获伽马测量时序,使俘获测量不受非弹性伽马的影响,要求中子脉冲形状是可重复的,且边界清晰。为此,PNG 利用热阴极微型中子管,产生脉冲的宽度为8μs,上升和下降时间不到400ns。这种脉冲的时序稳定、可预测,便于在非常靠近脉冲时开始采集俘获能谱,使计数率最大化。

仪器采用的专用电子元件具有优良的光谱性能和出色的堆积抑制能力,限制因近同步伽马射线造成的能谱失真。脉冲高度分析系统可以完成这些工作。LaBr3:Ce 闪烁器探测到的伽马射线被耦合到光电倍增管进行预放大,然后送入积分器,对数字化的积分信号进行处理,得到脉冲高度,最后生成脉冲高度图谱。

早期现场测试说明,新仪器的测量结果及应用潜力是已有仪器或仪器组合无法实现的:镁和硫元素的测量精度使得仪器能够在标准电缆测井速度下求解碳酸盐岩的矿物成分;钠和钾等元素测量精度的提高及锰元素的定量测量,可以更全面和准确地解释矿物成分;提供连续的TOC 测井曲线,避免了常规模型引入的偏差和等待实验室岩心分析结果的时间延误。在操作性方面,测速更高、更安全,可以用电缆、钻杆或牵引器传送仪器,在小井眼中使用,可以与多数电缆裸眼井仪器组合使用。

12 三维流体采样和压力测试技术

对于低渗、未压实、含高黏度流体的地层或流体饱和压力接近储层压力的地层,地层压力测试与流体采样面临着诸多技术挑战。斯伦贝谢公司新推出的三维流体采样和压力测试器解决了上述难题。该仪器不仅能够在极低渗透率地层完成压力测试和流体采样,还大幅降低了压力测试和流体采样时间,降低了作业风险和成本。

三维流体采样和测试器采用4个椭圆形探头,探头分布在仪器四周,间隔90°,这种排列有助于从井眼四周抽取流体,而不像传统探头那样只有一个流体抽取点(图19)。每个探头的表面流动面积都是1.28m2,4个探头总的流动面积5.12m2,是传统标准探头的500倍。

三维流体采样和压力测试技术的创新点在于:

(1)采用4个椭圆形探头抽取地层流体,实现井周地层流体的三维流动,利于快速清除钻井液滤液和抽取未被伤害的地层流体,更好地表征地层的非均质性。

(2)探头的表面流动面积更大,有助于诱发并保持低渗、未固结和稠油油藏中流体的流动。当流度接近10mD/(mPa·s)时,普通的超大直径探头无法完成压力测试,而新探头在流度低到0.01mD/(mPa·s)时仍能完成有效的压力测试,在流度低至0.03mD/(mPa·s)能够采集流体样品。

(3)探头吸附在井壁上,实现自密封,无需封隔器,直接抽取地层流体。

(4)机械弹簧系统具有较大的累计闭合力,可以保证探头回收,大幅降低作业风险。

Saturn 三维探头已经在未固结砂岩地层、低流动碳酸盐岩含油层等地层中进行了流体采样和压力测试,取得了很好的效果。

13 示踪剂智能化技术

在当今恶劣的作业环境及复杂井眼条件下,用常规测井方法获取油藏监测信息的风险大、成本高,有时甚至无法获取油藏信息。挪威RESMAN 公司研发的RESMAN 无线油井产液剖面监测技术,可以在这些环境下有效获取产液信息,无任何风险。该项技术获得2013 年世界石油最佳生产技术提名奖。

RESMAN 技术利用合成化合物(智能示踪剂)识别各层段产出流体的类型,量化各层段产出的油和水量,从而获得产液剖面。RESMAN 技术优势包括无需井下作业、成本低、风险低、只需对完井设备做很小的改动、示踪剂寿命长(数年)、对于特定的完井设备可获得产量剖面。RESMAN公司目前已生产出80 个独特的RESMAN体系(40 个油敏体系、40 个水敏体系)。水敏示踪剂和油敏示踪剂一起使用,可以确定水突破的位置和时间。

示踪剂通常被封装在智能示踪剂棒中(图20),完井时将含有不同示踪剂的智能示踪剂棒置于不同井段的完井设备中(比如防砂网或特别设计的载体)。当示踪剂棒与储层流体接触时,示踪剂释放到流体中,在地面对产出流体进行采样,进行实验分析,即可获得油(水)相关信息,确定油(水)产出位置及对产量的贡献。分析结果显示为示踪剂浓度与产量图。如图21、图22 所示,高产层段示踪剂的浓度高(层段7 和层段8),下降速度快;低产层段示踪剂浓度低,下降速度慢。通过智能示踪剂对一口井进行了流量分布分析,结果显示大概有一半的产量来自这两个层段,另两个低产层段产量只占3%。根据这一结果对油藏的生产特性进行重新评价,调整后续井的钻井和完井策略。

了解油产量分布、水突破位置和完井设备的完整性是油藏管理决策的基础。RESMAN 技术可以用于油田开发决策,优化完井设计、增产处理、注水策略及其他油藏管理。截至2013 年1 月底,该项技术已在世界各地130 多口井中使用,用户包括壳牌、BP、雪佛龙等公司。

14 钻井远程专家支持中心

随着钻井提速、提效及安全作业的要求不断增加,综合钻井、地质、测井、录井、油藏工程等多学科基于现代信息技术和通信技术的远程专家支持中心逐渐获得推广应用。

钻井远程专家支持中心,即钻井远程作业中心,集成了一体化共享地学平台、实时地质建模、油井三维可视化、实时水力模拟、随钻测量、井眼轨迹控制、地质导向等地质方法和工程技术,借助虚拟容错计算机主机服务器、IP 通信技术、视频监测和分析技术及图形化桌面共享等先进的信息技术,实现远程实时井场支持。将采集并传输的井下和地面实时数据与庞大的数据库信息、实时更新的地质模型相结合,辅助定向钻井工程师、地质导向工程师和随钻工程师进行定向指挥和地质导向决策。一组工程师可同时指挥多口井的随钻定向和地质导向作业。除常规地质导向外,一些井场还能将随钻地震数据传送到远程实时作业中心,通过实时地层评价开展随钻地震导向,实现随钻前探。

钻井远程专家支持中心将 IT 技术和通信技术配合,软硬件工具、自动化系统相互融合,实现地质、钻井等多学科统一规划、统一部署、各专业专家集中会诊。通过实施不间断的远程监控优化钻井决策,更加连贯协调的作业流程,减少非生产时间,降低作业风险和综合成本。

目前,国际上大的油公司和服务公司都建立了覆盖全球的远程专家支持中心,以充分发挥多学科专家团队的作用,进行远程实时分析和钻井决策支持。哈里伯顿在全球共有50 个左右的远程专家支持中心,大约有 1000 名员工为其工作,每年实时服务收入约为4000万美元。斯伦贝谢在全球共建有近20 个远程专家支持中心,每天24h 监控着分布于全球的约1000 个井场的钻井作业(图23)。壳牌最早于2002年在美国新奥尔良建立第一个实时作业中心(RTOC),在深水和页岩气领域取得很好的应用效果,2011 起将原有的实时作业中心升级为远程操作中心(DART),在全球布置了6 家,以应对日益复杂、高成本和高技术挑战的钻井业务。

远程专家支持中心是钻井信息化的产物,在现代复杂环境钻井作业中正发挥着越来越重要的作用,应用范围越来越广。壳牌、斯伦贝谢、威德福、NOV 等公司正在开发更加智能的下一代自动化钻井软件包,以更好地支持自动化钻井,进一步推动钻井智能化。

15 高造斜率旋转导向钻井系统

在美国非常规油气开发中,常规导向钻井因成本相对较低而得到了广泛应用。近年来,为了提高导向精度和效率,旋转导向钻井的应用不断增加。为缩短靶前距,增加水平段长度,提高油气产量,斯伦贝谢和贝克休斯相继推出了高造斜率旋转导向钻井系统(图24、图25),最大造斜能力达(15°~18°)/30m,实现“直井段+ 造斜段+ 水平段”一趟钻,提速、提效显著。

例如:2012年初,美国Eagle Ford页岩气产区的一口水平井中(一口三维水平井,造斜井段的设计造斜率为8°/30m),应用贝克休斯公司的φ171.45mm AutoTrakCurve系统和φ222.25mm PDC钻头一次下井钻开表层套管的套管鞋,从801.9m 钻至总井深4019.7m,共钻进3217.8m,其中包括直井段、造斜井段和水平井段,实现了二开“一趟钻”完钻,减少了两次起下钻。共用时5.95d,平均机械钻速为27.43m/h,比邻井缩短2.5d,节省钻井费用约80000 美元(图26)。

再如:2013年初,Eagle Ford页岩气产区的一口水平井中,应用斯伦贝谢公司的φ171.45mm PowerDriveArcher系统(长5.06m,最大造斜率为15°/30m)和该公司为页岩层定制的φ215.9mm Spear SDi513 钢体PDC钻头,一次下井钻开表层套管的套管鞋,接着钻了直井段、造斜段和水平段,共钻进3277.8m,实现了二开“一趟钻”完钻,平均机械钻速为16.76m/h,钻井用时8d,比邻井节省4d 时间(图27)。

迄今为止,在美国页岩气水平井钻井中,二开直井段、造斜段和水平段各段一趟钻已司空见惯,“造斜段+ 水平段”一趟钻越来越多,二开“直井段+ 造斜段+ 水平段”一趟钻完钻已成为现实,尽管目前还只是个案,但因其简化井身结构、缩短钻井周期和降低钻井成本等优势深受业内青睐。随着钻头、钻井液、旋转导向钻井等技术的不断发展,水平井二开“直井段+ 造斜段+ 水平段”一趟钻完钻将成为水平井钻井的一个重要发展方向。

16 钻井井下声波遥测网络技术

加拿大XACT井下遥测公司在壳牌和BP 两大国际石油公司的支持下,成功开发了钻井井下声波遥测技术,并投入商业应用。该技术是使用压电或电磁材料产生纵波,使之沿钻柱高速传输至地面的一种信号传输技术。该技术可消除钻井液脉冲传输只能针对井下单一位置进行传输的局限,沿管柱多点测量压力、温度、扭矩、挠度、拉力、压力等数据,全程连续提供全井筒和管柱信息,可在任意环境下提供高速、实时数据传输,并实现地面与井下的双向通信,传输不受井深和水深的影响。

声波遥测网络工具(图28)由信号发生系统、传输系统和接收系统组成。信号发生系统采用压电或电磁换能器作为声波发生器,其他组成部分还包括驱动电路、信号产生电路和电源等。传输系统的关键是克服传输过程中信号的衰减(尤其是长距离传输)。声波遥测网络采用钻柱作为传输信道,需要每隔一段距离设置一个中继器,进行信号的接收、放大和再发射。每个中继器的长度及操作与钻杆大致相同。中继器同时又是传感器,可多点测量压力、温度、扭矩、挠度、拉力、压力等管内外数据,由此构成了一个地下的测量与传输网络,从而实现全井筒测量与传输,数据传输速率最大可达33bit/s。地面接收系统是利用安装在顶驱上的一个小型的加速度计收集和解码井下传输的声波数据流,采用无线方式传输至控制计算机,还可以通过互联网传输至远程客户。

XACT 声波遥测网络技术已在北美400 多口井中应用,在欠平衡钻井、空气锤钻井和长水平段水平井钻井作业中均获得良好的应用效果。

17 射频识别技术

射频识别(RFID)技术是一种非接触式的自动识别技术,通过无线电信号识别特定目标并读写存储相关数据,识别系统与特定目标之间没有机械或光学接触,无需人工干预。近30 年间,RFID 在物流、制造业、零售业、交通运输、医疗保健等非军事领域快速发展,目前已在国外油气行业获得了日益广泛的应用,在人员安防、资产管理和工具制造等方面发挥了重要的作用。

RFID系统由应答器和阅读器两部分组成。应答器是附着在目标上的物理电子标签,包括一个小型的射频发射器和接收器。阅读器通过天线与应答器进行无线通信,可以实现对标签识别码和内存数据的读出与写入操作。

目前,RFID技术在钻井中应用最多的是进行资产管理与质量控制。已有多家石油公司、钻井承包商和设备供应商开始了利用 RFID 标签追踪钻井设备的尝试。如Trailblazer钻井公司,将RFID 标签嵌入钻杆和油管中,电子标签记载了该管件的ID 号及其使用的相关历史数据,如使用时间、地点、管件磨损维修情况等,还包含每次作业的相关数据,如压力、温度、深度、钻井液等情况。每节钻杆或套管上都安装了 3 个相同的RFID标签,不管阅读器在哪个方位,都可以顺利读到这些数据。全球最大的陆上钻井承包商,加拿大Nabors 公司正在采用 RFID 技术来帮助维护和管理钻机设备,帮助实现发电机、钻井泵、马达等设备的信息记录与远程追踪,帮助操作人员了解每个设备的位置、检修历史等信息的实时电子记录。

RFID的另一个应用是替代投球,进行井下工具的开关控制。这是RFID技术在应用上的一个突破,为井下工具设计开辟了新思路。这项技术由威德福公司率先推出,首次应用是将射频识别技术应用于扩眼工具,推出了采用射频电子标签代替投球的 RipeTide 随钻扩眼工具(图29)。从钻柱内泵入射频电子标签,当标签通过扩眼工具时,向其发出激活打开命令,工具内植入的电子阅读器自动读取并接受命令,实现切削块的自动打开。所有的命令都储存在工具内的存储器中,并可以随时下载,无需投球即可实现扩眼工具切削块的多次打开和关闭,具有安全、可靠的优点。

RFID还可以用于海上钻井平台的人员安防。在北海,康菲公司已经将这套系统用于十余座海上平台的安防及演练中。每个海上平台的作业人员都佩戴存有该员工信息的RIFD标签,这种标签可以在500m 以内的地区被迅速识别。

18 深水双作业钻机

深水钻井需要采用深水浮式钻井装置——深水半潜式钻井平台和深水钻井船。近几年,在高油价下,全球深水钻井活动持续升温,深水浮式钻井装置总体供应吃紧,甚至供不应求,日费高昂。为降低深水钻井成本,惟有大幅度提高钻井效率。而双作业钻机具有显著提高钻井效率的特点,因而在深水浮式钻井装置上得到了广泛应用。

目前双作业钻机主要有3 种类型:一个半井架钻机、双井架钻机和多功能箱式钻塔。它们都配备钻机自动化设备,属自动化钻机。

(1)一个半井架钻机。在单井架的基础上将井架内部向一边扩展半个井架的空间,即主井架内设有一个辅井架,两井架一高一低,辅助作业不占用钻机时间,因而又称为离线钻机。中海油“981”深水半潜式钻井平台配备的就是挪威Aker Solutions 公司的一个半井架钻机(图30)。

(2)双井架钻机。并不是指在平台甲板上安装两台独立的井架,而是一种联体井架,一个井架用作主井架,另一井架用作辅井架,各有一套提升系统、顶部驱动装置、管子处理系统;能够在进行正常钻进的同时,并行完成组装、拆卸钻柱,下放隔水管柱,下放与回收水下器具等脱机作业。按驱动方式,双井架钻机分为液压驱动和电驱动两种。双井架作业钻机市场几乎被国民油井华高公司(NOV)和挪威 Aker Solutions 公司所垄断,其设计制造的双井架钻机如图31 和图32 所示。

(3)多功能箱式钻塔。由荷兰Huisman 设备公司为深水浮式钻井装置设计的结构独特的双作业钻机,井架为箱形梁结构,内装两台主动式升沉补偿型绞车。为确保安全,为绞车配备被动式升沉补偿系统。井架的提升力达1090t。井架两侧各有一个旋转式钻杆排放架,钻杆立柱高度增至41m。钻机额定钻深能力达12192m。采用该井架可减小深水浮式钻井装置的尺寸,显著提高钻井作业效率。Noble钻井公司已建造了4 艘配备这种多功能箱式钻塔的深水钻井船(图 3 3 )。Huisman 设备公司还设计了配备多功能箱式钻塔的深水半潜式钻井平台(图34)。

双作业钻机已在深水浮式钻井装置上得到广泛应用。据统计,近几年新建成的几乎都是双作业钻机;在建的全部是双作业钻机。双作业钻机已成为深水钻井利器,成为深水浮式钻井装置的标配钻机。

19 Reelwell无隔水管钻井技术

挪威Reelwell公司研究Reelwell钻井方法已有多年,在2013年OTC会议上推出了Reelwell无隔水管钻井方法(图35),主要由公司研制的管中管、顶驱旋转接头、井下双浮阀、地面流量控制装置组成,具有如下主要特点:

(1)钻井液在管中管内反循环,实现无隔水管钻井。这种管中管既充当钻柱,又充当隔水管。钻井液通过顶驱和顶驱旋转接头向下泵入管中管的环形空间,从钻头喷嘴喷出,带着岩屑向上流入底部钻具组合与井壁之间的环形空间。因防喷器上方装有旋转控制头,将管中管与井壁之间的环形空间封死,上返的钻井液连同岩屑只得通过双浮阀进入管中管的内管,上返至地面。

(2)管中管充当电力和数据传输通道。值得关注的是,管中管的内管外壁经过绝缘处理(图36),充当同轴电缆,可以向井下供电,还能实现数据的高速、大容量双向传输,数据传输速率高达 6.4 万bit/s。

(3)实现全过程控压钻井。井筒环空充满清洁流体,与管中管内的钻井液具有不同密度,实现双梯度钻井,可通过地面流量控制装置实现控压钻井,更好地解决窄密度窗口问题,减少非生产时间,提高作业安全性。

该方法的主要优势是:一是不用隔水管,可减少浮式钻井装置的承重,省去隔水管相关操作,即使应用未配备双作业钻机的第三代或第四代半潜式钻井平台,也能在3000m 的超深水区高效钻井,明显降低了深水钻井成本。

二是钻井液在管内循环,大大减少了钻井液用量,并始终保持井筒清洁,有利于减少井下复杂情况,更好地保护储层。

三是无需使用海底钻进液回收系统,就可实现无隔水管钻井,大大简化了钻井作业,更适用于深水和超深水钻井。

四是实施全过程控压钻井,提高作业安全性。

五是通过管中管向井下供电,解决井下仪器和工具的用电问题。

六是数据传输速率高,双向通信更畅通。

Reelwell 无隔水管钻井同样存在一些不足,主要包括:

一是管中管比常规钻杆重,刚性比常规钻杆大(钻杆外径为168.275mm,内管外径为88.9mm、内径为76.2mm),不利于定向钻井,也会影响钻机的钻深能力;

二是内管的绝缘层和密封件的可靠性和耐久性是个潜在问题;

三是钻井液在管内反循环,需增加流动阻力。

Reelwell 无隔水管钻井技术的研究得到了多家国际石油公司和国家石油公司的支持。该技术还有待通过大量的现场试验进行验证,一旦验证成功并投入商业应用,无疑将给深水钻井带来一次革命,大幅度降低深水钻井成本。

20 大型浮式液化天然气储卸装置(FLNG)

浮式液化天然气生产储卸装置(FLNG)是一种用于海上天然气田开发的浮式生产装置,通过系泊系统定位于海上,具有开采、处理、液化、储存和装卸天然气的功能,并通过与液化天然气(LNG)船搭配使用,实现海上天然气田的开采和天然气运输,克服了海上天然气通过天然气管道输送到陆上的液化厂进行液化、或是至管道终端将天然气储存、再与陆上管道相接外输的传统资源开发方式的局限性。经过近几十年的发展,解决了液化、储存、卸载、安全等一系列技术难题,目前FLNG 已从概念设计进入实际建造阶段。

在液化技术方面,FLNG 装置要求工艺流程紧凑,符合岸上液化天然气工厂的流程一般不能满足此需求,而且在设计液化工艺时,需考虑海上运动环境(如海上风浪等)对分离过程等的影响,一般必须增加材料设计强度,减少设备占用空间。目前的LNG 液化工艺中,单循环混合制冷剂工艺(SMR)和双循环混合制冷剂工艺(DMR)均具有较好的浮式条件适用性。

在储存技术方面,由于FLNG 装置在船上,机械设备要求高度集成化,设备模块化,以增加灵活性和可靠性。FLNG 仍可应用岸上和运输船所用的液化天然气储罐型式。为了节约甲板空间,壳牌FLNG 项目将储罐设计在处理装置的下方,这些储罐可储存22 万m3 LNG、9万m3 LPG、12.6万m3冷凝液,同时创新性地抽取深海低温海水冷却天然气,节约冷却装置空间,每小时可抽取5000万L 海水。

海上卸载系统是FLNG的一个非常关键的部分,也是FLNG技术链的薄弱环节。目前,不同公司提出了多种卸载概念,主要分装载臂式和软管式两类,其中适用于深海的软管式卸载方式被证实可用于FLNG。另外,壳牌与FMC 共同开发海上装载吊臂 OLAF 和铰链式纵列海上装载设备ATOL,可满足严苛的海上条件。

FLNG 除须遵循岸上液化天然气安全技术原则外,还要高度关注装置所处的海洋运动环境。壳牌FLNG在荷兰以 1∶55 的比例进行模型测试,确认极端天气条件下系泊及转塔的承载,评估并排卸载方案,确认其支撑系泊系统、立管及控制管缆,旋转的接头允许流体从海底系统输送到顶部,可以抵抗极端天气条件,同时有效降低了晃动对货仓造成的影响,以使FLNG 设施抵御最猛烈的五级飓风袭击。

与其他海洋工程装备类似,FLNG 的设计工作一般分为基本设计、工程设计和详细设计3类,其中,基本设计难度最大,也最具创新能力。法国Technip公司在FLNG 设计上独占鳌头,新型FLNG 设计不断涌现。

FLNG 建造方面,韩国企业优势明显,韩国三星重工、现代重工、大宇造船海洋和STX 造船海洋等几家船厂占据了主导地位。

利用FLNG 进行海上气田开发,可结束海上气田只能采用管道运输上岸的单一模式,节约运输成本,且不占用陆上空间。FLNG 可二次使用,经济性较好。

与相同规模的岸上液化天然气工厂相比,FLNG投资减少20%,建设工期缩短25%。2011年5月,壳牌公司同法国Technip 及三星重工签署了全球第一艘年产350万t天然气的超大型FLNG建造合同(图37),预计2017年交付使用。目前,全球已有两个海上天然气田项目确定采用FLNG 方式进行开采,至少有12 个FLNG 项目处在筹划或招标阶段,还有数十个海上天然气项目计划采用 FLNG 进行开采,未来5 年全球将产生 4~7艘FLNG订单。FLNG一系列创新成果对推动海上天然气资源的开发具有重要作用。


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