影响未来油气勘探开发的前沿技术已确认

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影响未来油气勘探开发的前沿技术已确认


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影响未来油气勘探开发的前沿技术 201412 当今世界油气勘探开发正面对着自然环境恶化、资源品质劣化、油气目标复杂化、安全环保严格化和能源结构多元化的严峻挑战,越来越多的人们把油气资源的发现和产量的增加寄希望于技术的革命,特别是页岩气、致密油等非常规油气资源以及深水资源的勘探开发,使新技术、新方法、新装备、新工具得到急速发展,许多高端技术如雨后春笋般涌现出来,出现的一些前沿技术令人感叹。 1、LPG无水压裂技术 美国页岩气的大规模开发,引发了公众对水力压裂技术在水资源利用及环境保护方面越来越多的不满和质疑,这一问题已经成为制约页岩气等非常规油气资源开发的瓶颈。为此,加拿大Gasfrac能源服务公司推出一项无水压裂技术——液化石油气(LPG)压裂技术。

以解决人们的疑虑。该技术在2011年世界页岩气大会上获得首次设立的年度“世界页岩气奖”之后,2012年又获得美国《勘探与生产》(E&P)杂志评选的增产技术创新奖。 LPG无水压裂技术主要是应用丙烷混合物替代水作为压裂液进行压裂作业,它是将丙烷压缩到凝胶状态,与支撑剂一起压入岩石裂缝;这项技术具有有效裂缝长、支撑剂悬浮能力强、油藏类型适应范围广、无污染、零二氧化碳排放、可实现闭环循环、能够100%回收利用等诸多优势。 在延长有效裂缝长度方面,常规水力压裂在实际生产中只有20%~50%的裂缝长度对生产有贡献,而LPG压裂产生的裂缝全部为有效长度,因此,可以获得更高的产量,可将最终采收率提高20%~30%(图1)。

在提高支撑剂悬浮能力方面,LPG以较高的黏度使支撑剂完全悬浮,避免了普通压裂液由于黏度较低造成的支撑剂沉积现象,使产层打开更加完全,从而达到更好的压裂效果。在环保方面,与水力压裂液相比,LPG压裂液具有低表面张力、低黏度和密度,以及能与储层中的烃类物质相溶合、可再利用等多项优良属性,从而获得更多的有效裂缝、更大的初始产量、更优的环保效果和更长的油气生产寿命(表1)。在节约用水方面,LPG压裂无需耗水,平均每口井可节省压裂用水(1.14~4.54)万m3。 自2006年开始,Gasfrac公司应用LPG进行压裂作业总计达1200多次,其中在加拿大有700多口井,在美国已相继在得克萨斯、宾夕法尼亚、科罗拉多、俄克拉荷马和新墨西哥等州开始试验井的应用。

最近,在纽约泰奥加县,由200多户居民组成的土地拥有者小组同意在其546km2的土地上实施LPG无水压裂技术。到目前为止,LPG技术的最大作业记录为水平段长度1188.72m的水平井10级压裂,支撑剂用量453.59t;最大作业压力为13050psi;最大泵速为50bbl/min,支撑剂的浓度0.96g/cm3。在作业的45个不同的油藏、气藏及凝析气藏中,最大垂深达4008.12m,地层温度分布在15~135℃范围内。LPG无水压裂技术已经得到雪佛龙、赫斯基、EOG、戴文能源、尼克森、Paramount、加拿大自然资源等超过50家公司的应用。 作为一项发展中的新技术,LPG无水压裂技术的推广应用正在逐渐由部分单井向大盆地或区块发展。

并有可能成为众多石油公司的优选方案。即便不能完全主导压裂开发市场,它也将在有特定需求的油气区块发挥重要作用。正如油基压裂液成本高出水基压裂液20倍,但一直持续应用至今,该技术对特殊地层的应用效果是不可替代的。 2、纳米材料压裂技术 纳米材料压裂技术是指用纳米压裂球替代常规压裂球进行多级压裂作业的技术,它有助于在恶劣条件下经济有效地开发石油资源,降低压裂成本。目前,很多石油公司和技术服务公司实施了纳米技术研发计划,如贝克休斯、康菲、壳牌、沙特阿美、雪佛龙等。 在多级水力压裂中,当投球速度由44.7m/s突变为0时,尼龙等材料制成的压裂球会发生变形,卡在滑套中,造成产量下降;当水平井段长度达到1828。

8m以上或压裂达到20级以上时,压裂球的取出或清除变得困难,如果不能快速清理,会降低井的生产能力。 InTallic纳米压裂球解决了这些问题。这种压裂球由镁、铝、镍等合金材料制成,相对密度小、强度高,可以在井中随流体运移,打开滑套时能够承受多重因素的影响,当压裂作业完成后还可以自动溶解消失(图2、图3)。这种球虽然制造成本稍高,但与不良作业造成的油气井产量损失相比,其费用要低得多。 贝克休斯公司已应用第一代纳米技术开发了InTallic18mon压裂球,目前每周可以生产1500个,已商业化用于FracPointTM水平井多级压裂系统中。 纳米技术除了用于压裂作业外,未来还可以用于配制新型钻井液。

提高钻具冷却效果;用于生产碳纳米管,取代制造水下电缆的铜导线,具有更高的电能传递效果;还可以用于强化采油的化学剂等方面。 3、井下气体压缩技术 气井开采一般采用地面压缩技术,地面压缩技术要求压缩机必须靠近气井,但是对于海上的气井来说,这是很难达到的,而且对于深海气井,压缩机性能要求较高,即使功率、压缩能力等能达到海上气井的要求,压缩机的安置运行、设备维护等方面的投资也比较大。于是,人们开发了一项新的提高气井生产能力的人工举升技术——井下气体压缩技术(DownholeGasCompressor)。 井下气体压缩技术的工作流程与一般的人工举升泵基本相同,其不同之处是完井的时候就在井下放置了气体压缩机。

这种办法尤其适用于海上和深海环境的气井。该技术是由CoarcGroup提出,Geary、Tullio等人研制了适合高温高压环境的井下气体压缩机(图4)。科廷大学的MdMofazzalHossain等人提出了井下气体压缩技术的理论背景,并研究了影响该技术开发效果的主要影响因素。 研究发现,压缩比是影响井下压缩机运行的关键参数。气井生产能力提高值受压缩机压缩比和运行功率的影响。安装井下压缩机的气井,生产规律受气藏 供应能力、气藏压力、油管直径、井深、井口压力、压缩比等参数的影响显著。井下压缩机的放置位置影响整个气井的开发特征,放置到较低深度或者靠近中间射孔位置有利于获得较高的生产速度。井下压缩机最优的放置位置需要同时考虑生产能力、操作需要、射孔限制条件及压缩比等参数的影响。

井下气体压缩技术可以提高气体产能30%,解决大量的多相流问题,可用于提高湿气藏、干气藏的开发效果和采收率,并可通过最小化流动压力梯度,实现气藏生产系统的优化。 4、天然气水合物开采技术 天然气水合物(可燃冰)是一种地球上尚未商业化开采的新能源,资源量十分丰富,据估算全球资源总量约为2.1万万亿m3,相当于全球已探明传统化石能源总量的2倍左右,主要分布在美国阿拉斯加北坡、加拿大北极、墨西哥湾北部、日本南海海槽和中国南海等区域。目前已有30多个国家和地区开展了天然气水合物的开发研究。2012年美国、日本等国合作在阿拉斯加北坡进行了水合物开采试验,2013年3月日本在其近海海域的水合物开采试验采用降压法和二氧化碳置换法取得成功。

降压法是利用储层与井筒之间的压力梯度驱动可动流体从储层流向井筒,压力降迅速传遍整个储层,使天然气水合物在局部区域内失去稳定条件,导致天然气水合物分解为天然气和水;二氧化碳置换法是通过向天然气水合物沉积层中注入二氧化碳置换出天然气,在释放天然气的同时,以水合物的形式埋存二氧化碳。在日本爱知县和三重县近海海域的开采经过3个阶段的生产试验成功采出12万m3天然气。试验取得成功,这意味着天然气水合物的开采迈出了重要的一步。 天然气水合物开发前景广阔,全球众多国家积极投入相关研究。2013年11月,美国能源部宣布投资500万美元资助13个单位开展7个针对天然气水合物的研究项目。加拿大、日本、韩国、中国、印度、德国、新西兰等国家也都制订了天然气水合物研究计划。

组织开展了资源调查、钻探、试验开采及环境影响评价等一系列研究。美国和日本分别计划在2015年和2018年实现商业化开采。美国国家石油委员会预测,美国将在2050年前实现墨西哥湾等海上天然气水合物的大规模开采。但是,与常规油气资源相比,天然气水合物的开发依然面临着技术、成本和环境等多方面的难题与挑战。 5、建立海底工厂技术 海洋油气资源,特别是深水油气资源是未来能源的主要来源之一,现已成为世界各国争相开发的重要领域。建立海底工厂系统将在其中扮演着重要角色。 海底工厂主要由四部分组成:海底增压系统、海底气体压缩系统、海底分离与产出水回注系统、未净化海水输送系统(图5)。其中最前沿和最核心的技术是油气井采出流体的海底增压和分离技术。

其成功实施能够提高油气最终采收率,减少海面处理设备的投入,减少对环境的破坏,在海底进行水和砂的处理,从而提高海洋油气田的经济效益。 威北海Asgard油气田首次商业化部署了海底天然气压缩系统,包括气体冷却器、气液分离器、增压机和水下管汇等,可将油气田采出流体经相同管线输送至50km外的海洋平台,预期可大幅提高气藏最终采收率,新增产量约2.8亿bbl油当量。挪威国家石油公司的远程控制带压开孔封堵技术是在不停输情况下,通过遥控装置在管道上进行T型焊接,然后远程控制打孔机在输送管道上打孔,对管线压力和流量不产生任何影响。该技术获得了2013年OTC聚焦新技术奖。挪威国家石油公司的海底工厂计划将在2015年一季度竣工并投入使用。

安哥拉Pazflor油田部署了多品级合采海底分离系统,利用世界首创的大型海底设施来分离天然气和凝析油(油和水),从4个独立的储藏中生产出两种不同黏度的油产品。该系统采用管式分离器,这是整个油井产出物多相分离技术的创新性突破,可以使一些采用常规海底生产系统无法开采的油藏变得经济可采。 巴西坎坡斯盆地Marlim油田部署了世界上第一个用于分离深水海底重质油与水的系统,打破了浮式生产装置的瓶颈,可以在水深近900m处分离重质油、气体、砂屑和水,产出水经净化处理后被重新注入油藏。 海底工厂可以节约更多的能源,提高了能源效率,是深水和恶劣环境下油气田开发技术的一个重大突破,将成为北极等恶劣环境、深水卫星油田开发的有效手段。

6、宽频地震勘探技术 宽频地震勘探技术是实现高精度地震勘探的重要方法之一,能够获得薄层和小型沉积圈闭的高分辨率图像,并实现深部目标体的清晰显示,提供更多的地层结构及细节信息,提高地震资料的解释水平,同时提供更加稳定的反演结果,有利于更快、更准确地自动拾取层位,甚至可以用来指导岩性和流体的直接检测。西方地球物理公司、CGG等多家公司相继推出宽频地震采集与处理技术,并已经在全球很多地区进行了应用。 要获得宽频谱的地震信息,可以在震源激发时尽可能产生较宽的频谱,还可以在接收和数据处理过程中尽量保持宽频信息。在陆上地震数据采集中,对于可控震源进行适当设计,定制扫描,激发低频信号,利用检波器能够记录低于2Hz的低频信息。

在海上数据采集中,可通过对拖缆的不同布设方式,如变缆深采集、上缆与下缆采集方法获得宽频信息。变缆深拖缆采集技术的拖缆深度是一个变量,由浅到深,随着偏移距的增大而增加,通常缆深变化范围在5~50m内,以优化地震信号的带宽(图6)。变缆深采集的地震数据频谱范围为2.5~150Hz,比常规数据频谱宽很多。ION、TGS等公司开发了宽频数据处理技术,通过数据处理拓宽常规拖缆数据的频谱。 宽频地震技术从设备、采集设计、处理、反演各个方面进行研究,在各种情况下,低频端和高频端频谱的拓宽均显著提高了地震资料品质,尤其改进了对盐下、玄武岩下深部地质环境的穿透力和照明,为地震资料解释提供依据,提高了地震资

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