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【2017 OTC】油气乱世 唯技术革新者称英雄(六)

【2017 OTC】油气乱世 唯技术革新者称英雄(六)

2017年OTC会议已过。尾声之后,给石油天然气工业留下的不仅是行业现状,更给从业者留下了对未来技术发展的思考。

来自 | OTC
编译 | 二丫

据油服贝克休斯公布的数据显示,截至5月12日,美国当周石油钻井总数升至712口,较上周增加9口,连续17周录得增加。该数据已经创2015年4月以来最高水平,与美国原油产量最高纪录仅相差2%。

根据摩根士丹利的数据,在过去一年中,如果按照头尾净增量进行周化平均的话,美国原油钻机数的增量达到了7.3台/周,超过了2009年页岩油气革命处于爆发期的钻机增速,创下过去30年最高水平

如今,与去年同期相比,油价已上涨了35%之多,对比以上公司第一季度业绩不难发现,大型油企已逐渐适应了新的油气价环境。这些可喜的业绩,足以为整个油气业新一轮的复苏定下积极基调。壳牌、阿帕奇等石油公司第一季度业绩也陆续出炉,根据分析师的预期,大多数公司也将盈利,2017年或是国内外油气业快速增长的一年

抛开油价的起伏,技术创新始终是从业者投入的重点,甚至将变成油气行业内竞争的必备筹码

GE力求改变井下传感器技术格局

纵观全局,在陆地和海洋开发挑战加剧的大背景下,油气行业对传感器技术提高的需求是迫切的。

由于井下传感器在油气行业有着巨大的应用潜力,对现有技术改进带来的缓慢进步已不能满足GE的要求,当前GE正致力于带来改变现有技术格局的新型传感器。

19世纪50年代,GE开始进军传感器领域,目前主要有三种成熟产品:中子传感器、伽马射线传感器和定向传感器。但GE并不满足于此,他们认为,这三种传感器涉及的技术范围挑战,严重限制了其在传感器领域的研发潜力。

在三种传感器中,伽马射线传感器在上世纪70~80年代就已投入商业应用,目前最常见的伽马传感器材料是一种名为碘化钠的盐晶。该种传感器应用性能良好,但也存在一定的弊端。首先,在高温环境中,伽马传感器性能会“打折”,其信号输出强度会降低40%左右,而在钻井过程中通常会钻遇高温地层,因此传感器信号变差,降低钻井效率和准确性,因此碘化钠型传感器在高温环境中并不适用。

其次,碘化钠的另一个缺点是密度较低,传感器材料密度越大,数据的传输速率就越高,测量准确性就越高,操作精确性也随之提高。即使操作人员对现有碘化钠传感器准确性满意,更高精度传感器(如紧凑型)在工具优化方面的优势确不可忽视。碘化钠的衰减时间过长,限制了其在复杂测量系统中的应用,如碘化钠传感器无法分辨中子脉冲检测中弹性接触与非弹性接触的区别。

为了解决碘化钠材质传感器的缺点,GE开发了一种新型材料—卤化镧,该材料在复杂钻井环境中耐用性更强,数据准确度更高,光输出速率更快。新型卤化镧材料由GE油气、GE医疗、GE安保(前)以及GE全球研发中心共同开发,在新型卤化镧面世前,类似性质的材料已经在某些领域取得了应用,GE在原有技术的基础上对材料的化学组成进行了优化,提高了材料的光输出性能和信号分辨率。

然而,卤化镧材质的传感器成本高达5万美元,油气公司在如此高的价格面前非常犹豫,尤其是在复杂作业中,还存在着传感器失效、作业终止的风险。除了价格因素外,在作业过程中可能由传感器失效诱发的停工时间也是油气公司的关注点之一。以往的作业中,尤其是海洋油气开发作业,开发商通常要为非预期停工付出上百万美元的成本。为了提高新型传感器的耐用性,GE在过去的两年中进行了大量的测试,包括将卤化镧传感器应用于最复杂、苛刻的井下环境中,新型传感器的耐用性、稳定性已经完全能够满足用户的要求。

为了解决高温、高压作业中传感器的稳定性问题,GE更换了伽马传感器中的传统光电倍增管。光电倍增管是一种传统的传感器元件,主要利用双碱阴极和放大倍增管检测光波信号,之后将其转化为电信号,该技术对高电压的依赖性极高,而且随着温度升高、使用时间延长其稳定性会大幅降低,这在很大程度上限制了传感器的应用范围和使用寿命。为此,GE开发了SiC光检测器,其运行电压更低,可稳定性更高,在230℃高温下的稳定性是传统检测器的3~4倍。SiC光检测器的研发成功得益于GE全球研发中心和GE动力研发部门在SiC发电设备、火焰检测测试中的工作和经验。

除伽马传感器之外,GE在提高定向传感器反面也做了很多努力。定向传感器技术在近几十年中几乎原地踏步,进展缓慢。受设计水平限制,定向传感器对电磁干扰非常敏感,限制了其在钻井管串、电缆测井中的应用。同样,由于其易受电磁干扰,定向传感器在磁性物质存在的井中都不能使用(例如临井有套管存在时,定向传感器不能使用)。最后,由于传感器设计存在缺陷,该类传感器的信号频率也很低,在使用新的钻井管串或泥浆泵关闭的情况下,定向传感器只能每间隔90ft提供一个信号。

为了弥补以上缺点,定向传感器必须使用特制的随钻陀螺,造成作业时间和成本增加。GE的新型技术避免了随钻陀螺的使用(该技术最初为GE航空分公司设计使用),可以集成到现有定向传感器设计中,可以节省作业时间1~2天/井,降低成本2万美元/井。通过新技术对传感器进行改装后,传感器的稳定性将提高2倍,同时可以进行全程、连续监测(而不是每隔90ft监测一次),数据更准确,从而使更小的井间距成为可能,提高油藏采收率达40%。

页岩开发的迅速发展,促进了GE提高传感器技术水平方案的制定。其中,提高钻进速率是GE计划内容之一。在2009年,每口井的钻井时间约为15~20天,而随着技术的进步,现在钻一口井只需5天左右。随着钻进速率的迅速提高,井下工具承受的振动更加剧烈,而GE的每一款新型传感器都能满足在剧烈振动、高温条件下的稳定性和准确性。

膨胀封隔器技术攻克缓慢膨胀难题

膨胀封隔器所受青睐无需多言,消除技术短板,是眼下当务之急。

膨胀封隔器技术是极少数在出现后短时间内就被油气行业接受的技术之一,从其出现至投入应用,时间跨度约为15年。得益于该技术的迅速发展,目前,数以千计的膨胀封隔器已经投入了应用。最初,膨胀封隔器只用于稀油油藏中水平井段的隔离,一般封隔器之间安装有割缝衬管、防砂筛管、流入控制装置(ICD)等。除了遇油膨胀封隔器,遇水膨胀封隔器也得到了推广,主要用于非水泥注入完井的隔离作业。

膨胀封隔器技术自出现以来,很快就被油气行业接受,并进行了大量的应用。其中水平井多级压裂作业中,膨胀封隔器的应用最为广泛。此外,使用膨胀封隔器进行井筒完整性测试也是其主要用途之一。在此类应用中,膨胀封隔器主要用于辅助水泥固井,提高固井完整性和使用寿命。

相比于常规封隔器,膨胀封隔器具有一些独特的优点,这也在一定程度上促进了该技术发展和应用。例如,膨胀封隔器的安装过程简单,由于膨胀封隔器是通过橡胶与井下液体发生接触引发的膨胀坐封,所以通常不需使用作业管串、控制液压来完成坐封。封隔器的橡胶与井下液体接触时,会发生一定的化学反应,密封橡胶会逐渐膨胀,最终完全填满套管-油管之间缝隙,达到密封的目的。当然,膨胀封隔器的使用也存在一定挑战,主要在于控制封隔器膨胀速率、平衡膨胀速率与其他作业进程等。

显然,封隔器的膨胀速率也不能太快,以防止封隔器与井壁、井下液体的不良接触降低密封完整性。然而,目前看来,实际作业时,很少会因封隔器膨胀过快而影响后期生产。在绝大多数的应用中,膨胀过快都可以通过其他方法控制。目前,膨胀封隔器应用的最大难题主要是由井下环境较差引起,导致封隔器膨胀缓慢,坐封时间太长。

封隔器膨胀缓慢通常与井下温度过低有关,在低温条件下,原油较重、粘度较大,遇油膨胀型封隔器的膨胀受到影响,在此类环境中,可通过改变封隔器密封橡胶化学成分解决问题。

与此原理相同,遇水膨胀型封隔器在低温环境中膨胀速率也会下降,但其原因却与上述不同。遇水膨胀型封隔器膨胀速率降低,通常是由井下液体中矿物含量过高引起,这些矿物元素通常来自完井液或地层水,常见元素如Na、K、Ca、Cl等,一般来说,矿物含量越高/水盐度越大,封隔器膨胀越慢。

通常在高温情况下,尤其是在温度高于250℉的应用中,膨胀封隔器的坐封速率还能符合要求,但这也与井下液体的化学组成有关。相对于遇水膨胀型封隔器膨胀诱因单一,化学诱发型膨胀封隔器应用更灵活,其密封橡胶成分可根据井下液体情况进行改善,从而优化膨胀速率,降低坐封时间。

为了克服膨胀速度慢为封隔器带来的应用束缚,TAM公司推出了TAM FastSwell技术。TAM FastSwell是一种生产改造技术,可以显著提高膨胀封隔器的膨胀速率、减少坐封时间。该技术为TAM独家拥有,已经得到了现场应用验证,可以应用于任何采用化学膨胀技术的封隔器中,该技术完美的利用了所有封隔器化学膨胀原理相同的特点。TAM FastSwell能够提高膨胀速率的秘诀在于其可以增加井下液体—密封橡胶的接触面积,从而缩短坐封时间。

采用该技术提高膨胀封隔器性能的同时,封隔器的长度及压差均不受影响,完全不影响作业设计。通过大量的研究和测试,研发人员终于建立了一种提高封隔器-井下液体接触面积的方式,达到加速封隔器膨胀的目的。除此之外,该技术的独特之处在于能够以多种方式达到接触面积增加、提高膨胀速率的目的。根据作业要求、封隔器构造的不同,该技术可以衍生出多种实施方式,应用灵活性极强。

常规膨胀封隔器使用时需要在完井液中加入10 ppg的盐水,以NaCl为例,盐水的盐度必须达到26%。而即使加入了额外量的盐水,常规遇水膨胀型封隔器的膨胀、坐封(以5000psi密封压力为标准)时间也要将近25天;而同等条件下,采用TAM FastSwell技术的封隔器坐封时间仅需16天,可减少约7天的等待时间,效果显著。

当井下温度为120°F、原油API为22°时,常规膨胀封隔器的膨胀、坐封时间为39天,而采用TAM FastSwell技术的膨胀封隔器坐封时间仅为18天。由此可见,该技术的出现使膨胀封隔器的应用性能大为改观,面对以往膨胀封隔器不适用的复杂井况,采用该技术的封隔器也足以应对。

鉴于该技术是一种生产改造过程,所以现存的封隔器也能采用该技术进行深度改造,无疑为这些不适用于高难度作业的封隔器带来了新生,也为生产商节约了大量的成本。

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