logo
专注油气领域
与独立思考者同行

TOP 10!哪些技术创新改变了石油工业的历史?

http://www.oilsns.com/
世界石油工业的历史是一部技术创新史。

作者 | 子衿

技术是油气行业的灵魂。小到随钻测井工具内的微型地质导向定位电子元器件,大到庞大如办公大楼般大小的海底防喷器,油气行业里这些技术设备都是按照能够在恶劣环境下完美运行的要求来设计的,可以说,他们是各个学科的技术结晶。

技术不仅贯穿油气行业各个技术装备,也贯穿着油气行业发展的整个历程。在今年的IPTC大会上,王宜林说的,“世界石油工业的历史,就是一部技术创新史”。自20世纪80年代以来,油气行业经历了一场轰轰烈烈的技术革新,正是无数技术创新成就了今日的油气行业。

那么,在油气行业技术革新历史上,哪些技术为油气行业带来了翻天覆地的变化呢?国际石油工程师协会(SPE)网站上推出了上世纪80-90年代的十项核心技术。这是一场技术评选,更是对每项技术背后的灵魂人物/企业的致敬。这些技术可谓“点石成金”,推动着油气行业实现跨越式发展。SPE认为正是这10大核心技术开创了今日的油气行业。这10大“点石成金”的技术是哪些,如今又有哪些进展?

1981年:水平井技术,提速增产

在油气田开发中,水平井可以增加目的层长度,增大泄油面积,数倍地提高油气产量。

事实上,20世纪60年代末苏联就率先开发水平井技术,但后来却放弃了在该技术上进一步发展,转而开发更简单、更快速的直井技术。但是,法国Elf Aquitaine石油公司的钻井工程师Jacques Bosio重拾苏联的“衣钵”,利用水平井钻井技术,使井筒与裂缝相交,提高了位于意大利海岸的Rospo Mare油田岩溶储层的产量。

http://www.oilsns.com/                                                                                                                                                                           开展开创性技术的平台仍然矗立在意大利近海
1981年,尽管水平井的成本是直井的两倍,但由于油价在每桶35美元左右,高油价推动人们重新燃起对水平井的兴趣,随即水平钻井投入应用。第一口水平井的日产量达到3000桶,为直井的20多倍。到20世纪80年代中期,水平井广泛应用于德克萨斯、中东和北海的薄油藏。多年来,油公司很早就知道这些油气藏,但苦于没有相应的开采技术,只能“望洋兴叹”。而通过水平井技术,增大与油藏的接触面积,油公司获得巨额收益,Jacques Bosio也于1993年成为第一位非美国裔SPE总裁。

发展到如今,随着随钻测井、连续油管、水力压裂等配套技术的出现和发展,进一步推动了水平井的发展,例如“长水平井+超级压裂”技术,成为推动北美页岩油气增产的核心技术之一。

1982年:顶驱提效,开启钻井自动化

如今几乎无处不在的顶驱钻井技术,其实来自于一位航天工程师。航天工程师George Boyadjieff职业生涯的大部分时间都在Varco International公司工作,他不断挑战自己,想找到一条更好的创新路线。其早期的创新引领了20世纪70年代中期铁钻工的发明,这对钻井工业本身来说是一个开创性的创新。另外,钻井平台上也取得了一些进步,加快了钻速,比如动力水龙头。不过,尽管这些节省了时间,但起下钻仍是瓶颈。

http://www.oilsns.com/
在签约帮助设计两个新的自升式钻井平台后,George Boyadjieff意识到这些问题,并设想了一种能够悬挂在游车上的机器,该机器用90英尺长的钻杆支架,而不是和动力水龙头搭配使用的30英尺长的支架来钻井。1982年,Varco公司发布顶驱技术,实现了George Boyadjieff这个想法。十年后,大部分大型钻井平台使用顶驱钻井,如今这项技术已经无处不在。

目前我国在顶驱钻井技术方面也取得了长足进展,例如,中石油自主研发的“新型顶部驱动钻井装置与顶驱小套管”。该项装置为机电液体一体化产品,可以覆盖3000米—12000米钻井深度需要和页岩气等特殊地层,目前已在30多个国家的地区实施超深井、长水平井、丛式井等复杂井作业。

1983年:油藏数值模拟使油田整装开发成为可能

今日油藏模拟器的发展,可以说与英国政府以及理论物理学博士Ian M. Cheshire密不可分。

http://www.oilsns.com/
自20世纪50年代初以来,油气行业一直在努力模拟油藏的储量。英国能源部需要预测该国北海的远景储量,于是找到了核工业的理论物理学家Ian M. Cheshire提供帮助。因此,在英国政府的推动下,这一工作得以迅速发展。而Ian M. Cheshire 作为油藏模拟器发展的灵魂人物,功不可没。

Ian M. Cheshire 先后曾经在NASA、原子能管理局(AEA)等机构工作。1971开始,他开始领导AEA商业软件部门。1977年,Ian M. Cheshire和他的团队发布了一套新的模拟软件,该软件以三维地质结构和多相流的形式模拟储层。1981年,Ian M. Cheshire加入伦敦的Exploration Consultants (ECL)公司工作,担任软件总监,钻研石油工业的数字模拟软件。

而他的最高成就当属1983年发布的ECLIPSE油藏模拟器。一经发布,Eclipse就得到了广泛的采用,因为它允许工程师更改油藏模型的单元大小,以帮助匹配独特的几何形状。换句话说,它使模拟更接近真实情况。1995年,ECL公司被斯伦贝谢 GeoQuest收购,Eclipse也随之成为斯伦贝谢资产,目前该软件已在70多个国家使用。

1983年:连续油管使老井“焕发生机”

关于连续油管技术,有很多报道表示,该技术起源于二战时期盟军代号为“PLUTO”的绝密计划,即在英法之间铺设一条穿越英吉利海峡、总长近49000米的海底输油管道,为盟军穿越法国、直推德国提供燃料。

但事实上,首次提出在石油/天然气中使用连续油管的概念可见于1934年7月10日授予Clyde E. Bannister的美国专利1,965,563 “Well Boring Machine,”中。而记录在案的第一个在油井作业中使用连续长度钢管的概念是由George D. Priestman和Gerald Priestman提出的,见于1951年4月10日授予的美国专利2,548,616“Well Drilling”。

http://www.oilsns.com/
现代连续油管技术发展始于20世纪50年代初,见于1951年9月4日授予George H. Calhoun and Herbert Allen的美国专利2,567,009“Equipment for Inserting Small Flexible Tubing into High Pressure Wells”。1962年,美国加里福尼亚石油(California Oil)公司和波温石油工具(Bowen Oil Tools)公司联合研制了第一台连续油管轻便修井装置,主要用于墨西哥海湾油、气井的冲砂洗井作业。20世纪70年代,中国引进第一台Bowen Oil Tools的连续油管设备。

然而,使用连续油管进行井间干预的结果发现,绕放/收取柔性管会造成管的疲劳损伤使其寿命缩短,这意味着,从油井中打捞连续油管所消耗的成本,要比它们产生的生产改进所带来的收入还要高,因此,连续油管并没有受到油服公司和运营商的追捧。

1983年,连续油管的命运迎来改变。1983年日本的Quality Tubing开始生产更长的钢板,这意味着制造连续油管需要的焊接点变少,从而使失效点减少。到了20世纪90年代,由于持续的改进,连续油管成为修井的代名词,这项技术后来也广泛应用于油气田修井、钻井、完井、采油、测井和集输等各个作业领域。如今的连续油管技术也不仅仅局限其本身,而是结合大数据和智能化等新技术,取得进一步发展。

例如,在测井作业方面,TeleCoil智能连续油管业务,可以提供实时数据,帮助用户识别确认井深、提高井下钻具组合的功能性,监视工作进程以及验证井下操作是否成功;在射孔作业方面,ACTive OptiFIRE连续油管实时选择射孔工具和光纤实时遥测的连续油管射孔激活系统可以一次下钻,在不同井深进行多次射孔作业,射孔作业中可主动检测每次射孔作业和静水压力控制过程,进而减少作业时间和成本。

1985年:三维地震成为油藏工程的日常工具

数十年来,油气公司一直在研究二维地震解释,但是仍无法满足现实需要。地下垂直剖面对于勘探至关重要,但对于储层开发却远远不够。为了在储层最佳位置打井,工程师需要三维立体的地震数据。

1964年Esso在休斯敦郊外进行了第一次三维地震实验。之后,由石油公司和独立机构组成的财团对这项技术进行了改进。但是,由于整理和解释这些新数据集所需的计算机非常昂贵,而且体积庞大,只能依赖配给制度才能获得计算机的使用机会,进展甚微。

到了20世纪80年代,决定性的发展到来了。当时的技术进步开创了一种新型计算机——工作站。工作站变得不可或缺,它让工程师能够在办公桌上进行油气三维藏数值模拟。

http://www.oilsns.com/
当时的软件开发和收购方面的关键参与者包括Sun Microsystems,Landmark Graphics,GeoQuest Systems和Geco地震公司。当越来越多的从业者采用他们的技术,没有三维地震,大型项目将难以开展。

随着时间推移,如今通过重复进行三维地震勘探,一种被称为四维(4-D)地震的技术甚至可以监测储层中的流体运动。四维地震技术,即时延三维地震,是近年来发展起来的一项储层开发和管理新技术。该技术研究的是地下储层中流体变化所引起的时延三维地震资料的差异。

4-D地震被认为是优化油气生产的关键工具。油气开采会引起储层的变化,导致地震时间、速度和振幅的变化,进而影响反演结果。通过准确重复4-D监测勘查来监测地震信号中的这些变化,可以推导出储层性质的变化。这通过绘制不排水体积且为动态地质和油藏模拟模型提供输入数据,可以提高采收率。

如今,油气生产商已经认识到4-D地震是一项经济有效的技术,有利于成功实施加密井作业和提高采收率,如注气和水平钻井,其附加价值是获取4-D地震数据成本的数倍。


1985年:MWD和LWD保证水平井的未来

随钻测量(MWD)的商业化应用经历了许多挫折,包括电子元器件和遥测技术的局限性以及行业的不信任。但到了20世80年代,这些问题开始得到解决,MWD在定向井工程师中广受欢迎,因为钻定向井时需要知道钻头在地层中的具体位置。

随之而来的就是测井以类似的方式进行。这项创新被称为随钻测井(LWD),它为工程师提供了一种无需等待电缆测井就能评价储层的方法。在1985年,Sperry Sun率先推出了自己的第一套LWD工具,并发表SPE论文。

LWD的引入给了测井作业更多的选择。当电缆测井在水平井无法使用时,作业人员可以选择LWD进行测井作业,甚至可以看到钻头前方和周围的地层情况。这极大地增加了命中储层和储层中甜点的几率。

http://www.oilsns.com/

1989年:第三代电缆地层测试

自20世纪20年代以来,工程师们就已经知道地层测试的价值。而测量储层压力和流量的工具是引发技术创新的源泉。到了20世纪50年代,作业人员首次进行地层压恢和压降测试,获取了地层渗透率的信息。基于此,很快发展了一套确定井筒到封闭断层和其他储层结构之间距离的方法。1955年,斯伦贝谢投入这项技术,推出第1个商用电缆地层测试器,用电缆代替钻杆进行部分测试。20世纪60年代至70年代,斯伦贝谢公司的重复式地层测试器RFT和阿特拉斯公司的多次地层测试器FMT是第二代产品,主要功能是取样、测压,测试精度较以往有了提高。

然而,由于作业过程中无法控制钻井液和泥浆滤液的侵入,电缆地层测试仪器并不能准确地获得未被污染的储层流体作为测试样品。后来,一家位于休斯顿的服务公司解决了这个问题。他们借鉴产量检测的方法,对井下工具进行封装,从而获得真实的储层流体作为样品。自1989年投入市场以来,他们的模块化动态地层测试仪结合了许多其他技术的特点,增强了整个行业计算储量的能力。20世纪90年代中期,斯伦贝谢和阿特拉斯先后推出了MDT和RCI,成为第三代,相对于前2代仪器进行了重大技术革新。

目前,在国内,中海油田服务有限公司牵头研制了第3代电缆地层测试器FCT(Formation CharacterizationTool),其目标是开发和国外MDT等第3代地层测试器技术相当的基本功能型仪器,它可以实现MDT的基本功能。

如今,除了电缆地层测试技术外,地层深层探测技术的出现也给了油气行业更多的选择。

为了预防钻井风险、优化钻井方案、减少钻井复杂故障,斯伦贝谢、贝克休斯等公司开展了地层深层探测技术研究。斯伦贝谢公司研发的PeriScope 随钻电磁波电阻率测井技术,具有360°连续测量和深度成像功能,可探测井眼周围及钻头前方33m 地层情况,提高钻井井眼轨迹控制精度。贝克休斯公司研发的SeismicTrak 随钻地震技术能够探测钻头前方数百米甚至上千米的地层压力变化和储层特性,为及时调整井眼轨迹、钻井密度、避免井下复杂情况提供预见性指导。

1990年:海洋工程进入深水时代

自20世纪40年代以来,海洋石油工业一直通过使用钻井船和固定井架的生产设备,缓慢地进入深水水域。但是在更深的水域有更多的矿藏等待开采,油气企业需要投资开发浮式生产系统,尤其是那些能够应对恶劣海洋环境的系统。

其中两个关键的解决方案——张力腿平台(TLP)和Spar(深吃水立柱式平台),均来自Edward E. Horton——Deep Oil Technologies(DOT)公司的工程师兼创始人。他的设想始于上世纪70年代。1984年Edward E. Horton成立了DOT公司,研发Spar(深吃水立柱式平台)和其他深水钻井及生产技术。1987年,Edward E.Horton在柱形浮标和张力腿平台(TLP)概念的基础上提出了用于深水生产的Spar平台概念。1996年世界上第一座Spar平台问世,作业于墨西哥湾1930英尺(约588米)水深海域的Neptune油田。

http://www.oilsns.com/
到了上世纪90年代,随着越来越多的企业开始在水深超过1500英尺的水域作业,Edward E. Horton的成就被广泛应用于海洋深水油气开采。例如,1998年雪佛龙为其水深达2590英尺深(约789米)的Genesis项目选择Spar,埃克森美孚为其位于4800英尺深(1463米)的Hoover/Diana项目选择了Spar,这些表明Spar概念在逐渐向更深的水域延伸。

在墨西哥湾Edward E. Horton的成就最为明显。在那里TLP和Spar主宰着深水海域。其中包括壳牌的Perdido Spar,它在2010年创造了全球最深海底项目记录。这个记录在2016年被自家公司的Stones(同样位于墨西哥湾)打破,Stones使用了巴西的一项创新技术——浮式生产储油卸油装置(FPSO),可在9500英尺(约2896米)水深进行生产。

除了张力腿平台(TLP)和Spar(深吃水立柱式平台)外,当前主流的浮式生产装置还包括浮式生产储油卸油装置(FPSO)、半潜式平台(Semi)。其中,FPSO 应用最为广泛,2018 年全球大约有180 艘FPSO 在役。经过数十年的发展,FPSO 相关技术已经成熟,并持续升级换代,张力腿平台(TLP)已发展到第3 代,Spar 平台已发展到第4 代。

http://www.oilsns.com/
在缺乏海底管道设施的海域,国外正大力发展浮式 LNG 装置(FLNG)。该装置集天然气生产、处理、液化、储存、卸载功能于一体,开创了全新的海上天然气开采方式。就在今年3月底,世界上最大的海上浮动设施、最大的FLNG-Prelude号“开花结果”,已经从西澳大利亚布鲁姆的Prelude FLNG项目中运出了第一批冷凝物。在中国石油集团经济技术研究院石油科技研究所看来,FLNG也是未来 10 年极具发展潜力的20 项油气勘探开发新技术之一。伴随越来越多的FLNG 装置投入运营,将推动海上边际气田、远海气田和深水气田的高效开发。

1992年:水平井生产流量控制装置

流量控制装置的出现源自于挪威Norsk Hydro公司(这家公司后来并入了挪威国油)。该公司是挪威大陆架上最长水平井的运营商。在开发薄油层时,由于水平井能够使井眼的泄油面积最大化,因而在上世纪90年代初深受作业者的青睐。

但令Norsk Hydro公司措手不及的是,随着油井开采的持续,水平井眼段会出现意想不到的气窜或者底水锥进,或者由于水平段压降而造成的产液剖面不均匀。随着钻井和测井的作业量越来越多,人们总结发现,产量并不是沿井筒均匀分布的。Norsk Hydro公司的工程师发现在油井中75%的产量是由最靠近套管的产层区域贡献的。

为了扩大产层剖面,1992年Norsk Hydro公司的工程师设计了一种叫做流量控制装置(ICD-Inflow Control Device)的完井工具,它使用了沿着水平井井段分布的过滤器和节流器,可以对其进行调整以优化产量。其他人也意识到了ICD代表的机遇,比如沙特阿美,该公司目前是ICD最大的用户。对于沙特阿美来说,ICD的出现意味着可以用多分支井经济地开发致密地层,大大增加井筒的储层接触面积。

http://www.oilsns.com/
如今,随着智能化的发展,ICD也逐渐实现智能化、自动化。例如,哈里伯顿自动流入控制装置(AICD)通过采用新型的流径和通道设计来识别并控制液体的流动,该系统具备自动化的运行特性和耐腐蚀耐堵塞,通过限制水和气的流量来延缓油层的见水/见气,使油井的产量达到最大化。

中国海油能源发展工程技术公司研发推出了智能化—粘度敏感AICD控水技术。该技术利用ACP管外分段,下入AICD控水中心管柱至生产层,适用于地层原油粘度大于20cp,液量大于50m³/d,含水小于95%的井况,可实现边底水油藏流体流量的平衡控制和全水平段的均衡产出。粘度敏感AICD控水技术中的流量控制阀(发明专利),利用流体动力学原理,根据流体粘度差异来控制阀门开度,适用于水平井控水完井以及生产井剩余油挖潜等领域。

1997年:水平井与水力压裂

当石油商人George Mitchell的一个天然气油田枯竭时,他受到启发,想要找到一种方法,从巴涅特页岩的超致密岩石中开采油气。在政府资助的课题研究和MWD/LWD技术发展的基础上,Mitchell和他的工程师想到了一个方法,即结合水平井和水力压裂来实现这个目标。

1991年,第一口试验井钻成并压裂,尽管付出了许多努力但仍未能获得预期的天然气产量。随后在1997年,为Mitchell工作的石油工程师Nick Steinsberger,由于一个偶然发现而载入史册。他无意中将凝胶加入压裂液中,导致比之前的压裂液含水更多,这似乎起到了作用。

http://www.oilsns.com/
这项技术后来被称为“滑溜水压裂”(slickwater frac”),并使Mitchell Energy公司天然气产量翻了一倍。该公司在2012年被出售给Devon Energy公司,几年后,报纸头版头条报道称,页岩气革命已然发生。在随后几十年里,美国改变了其能源历史,成为世界最大的油气生产国。加拿大,阿根廷,中国和沙特阿拉伯也正在进行着不同成熟度的项目,水力压裂和水平井钻井结合目前在全球范围内得到应用。

随着水平井与压裂技术的发展,2006年开始出现“连续油管定点压裂技术(多级压裂技术)”,至2010年前后,这一技术被用于全球范围内近万口非常规井。近年来,各大油服公司相继推出多级压裂及其配套技术。

另外,由于水力压裂面临水资源紧缺、水处理和再利用等难题,无水压裂是当下不少学者的研究课题。在这项技术中,推进剂以亚音速爆燃(无需外部氧气的快速燃烧)。推进剂的能量密度接近高爆物,除了核能,它比其他的任何主要能源密度都要大。但是这种技术仍然存在缺陷,比如目前的推进剂压裂方法只利用了高压极速上升的特点,无法延长将压力控制在目的层的时间,还无法发挥固体推进剂的其他性能。

自20世纪80年代以来,油气行业经历了一场技术革新热潮。颠覆性技术的出现推动油气勘探开发进入全新的时代。时至今日,这些技术仍然深刻影响着当下的油气行业。而随着大数据、人工智能等新技术的涌现,油气行业迎来新的、更深刻的技术革命,一场技术大融合革命。在你的身边有哪些新技术呢?欢迎大家留言探讨。

未经允许,不得转载本站任何文章:

评论 抢沙发