石油圈
大型油服公司继续在美国页岩区块推出先进技术，本文介绍了最新进展。
编译 | 二丫
经历2020与2021年的行业动荡之后，业内部分专家宣布了页岩油气的死亡。但这些结论大多数都出现在油价突破80美金/桶（2014年以来最高点）之前。而如今也依然存在着页岩油气的质疑者。
事实上，许多大型油服公司都已离开美国市场，并将目光投向更稳定、竞争更小的国际市场包括南美、中东和俄罗斯等，不同公司的目标市场则有所不同。
实际上，活跃在页岩领域的公司往往都意识到了一点，那就是未来将处于平衡状态，盈利与否取决于提高钻完井效率以及产量。在早期页岩热潮中，石油价格达到100美元/桶，资本支出预算没有限制，这种“激情燃烧的岁月”在2015年、2020年的经济低迷中迅速消亡。如今，油服公司和提供设备的主要制造商正在试图将大数据与人类的智慧相结合，促使页岩油气在任何油价水平上都具有可行性。
01. 同步压裂实现作业提效
SPM油气公司负责压力泵的工程总监Bryan Wagner认为，提高效率是推动市场与研发的因素。
也许最基本的改变是用采出的天然气代替现场的柴油。这为设备供应商提供了新机会，使其能够制造运行燃气轮机的更大设备。无论是通过现场发电还是电网输送，使用电力也成为了新的选择。
为满足同步压裂更高的功率需求，SPM公司开发出5000马力的压裂泵产品
同步压裂作业需要同时将两口井的压裂液泵入井中，更高的功率需求推动了设备升级。一般来说，要想达到4万马力，通常需要20台常规压裂泵。设想如果是在同步压裂作业中，功率增加一倍，那么就需要在现场放置40台泵，这一数量将为现场空间带来巨大挑战。
柴油发动机体积太大，还需要依靠公路运输，并且功率上限仅为3000马力。而现场供电则打破了柴油发动机的“天花板”。
相比之下，5000马力的燃气轮机“比冰箱还小”。涡轮机在速度上不如往复式发动机灵活，这在一定程度上限制了它们在直驱应用中的使用。然而，若将这种动力转换为电能，则提供了更多样化的动力选择。如此一来，就减少了设备在现场的占地面积，并为大型压裂泵提供了新的动力选择。
基于新的动力选择，SPM公司推出了能够连续输出5000马力的泵。该公司表示：“随着性能与作业周期的提高，用户可将现场泵的数量减少约60%。”
同步压裂还需将诸多外围设备（如管汇与拖车）以及现场作业人员的数量增加一倍。因此， SPM等设备供应商正在潜心研究如何开发一套真正优化的系统，协同完成原动机、电动机、涡轮机、齿轮减速器、拖车、泵和管线的设计，以最大限度地提高效率，减少现场占地面积。新型5000马力电动压裂泵，一半是电驱压裂泵，一半是涡轮直驱泵，所有泵都在满负荷运行。
早期的同步压裂作业以50%的排量泵入两口井，而不是常规排量120桶/分钟，但随着更强大设备的发展，作业排量很快就会增加。
Rystad能源研究公司的数据显示，电动压裂目前约占所有压裂作业量的10%。
基于对提高效率的强烈追求，业内也会更加关注同步压裂作业。随着作业者不断提升作业能力，通过天然气处理与液化天然气转换，来简化天然气输送至压裂现场的方式，或寻求电网供电方案将是当务之急。究竟是第三方设备供应商、服务商还是勘探开发公司，电力的归属权将成为另一个问题。
02. 技术创新在低迷期发挥优势
2020年的疫情与油价暴跌对整个行业来说都是痛苦的，但NOV等公司，都在利用这段时间专注于技术创新。
在此期间，NOV公司在页岩压裂领域的创新主要集中在优化流体处理与延长磨损期限。
名为Orange Crush的改进压裂泵阀就是其中一项技术。它的设计初衷是以具有竞争力的价格获得更长的使用寿命，通过优化阀门的形状，来减少停机时间与维修费用。
NOV公司的Ideal电动压裂系统简化了压裂作业，降低了温室气体排放
另一个挑战是现场压裂管汇的数量，用于将高压流体从压裂泵输送到井口。虽然管汇与管线被认为只是整个井场设备的一小部分，但这些都会对安全、装配时间与环境造成影响。
“当你查看安全记录时，你会发现，它其实是导致泄漏以及其他问题的主要因素之一。装配也需要花费大量的时间与精力。这些年，有多少人在该过程中受伤？我们能做些什么来防止这些受伤？”
针对这些问题，NOV公司开发出FlexConnect，这是一种连续高压软管，一端连接压裂装置，另一端连接管汇，以减少现场的安全问题，并加快连接速度。
“通过大口径软管降低压裂装置至管汇以及管汇之间的接头数量，从而减少了泄漏风险，并大幅加快连接过程。而且还有助于提升井场效率，例如与硬质管线相比，检查与维护软管所需的成本更低。”
FracMaxx铰接式管线是NOV公司在该时期推出的另一项技术。NOV公司将其描述为“一种铰接臂，可快速断开，然后连接至附近的其他油井，从而无需使用拉链式压裂管汇”。FracMaxx系统可在井口之间进行连接，避免了拉链式管汇所需的额外阀门维护。
该系统还消除了压裂作业前耗费数天装配所有管线的需要。但该系统也存在局限性，每次仅能应用于一口井，因此并不适用于同步压裂作业。但NOV认为，该行业仍有大量传统的单井压裂，因此在可预见的未来，它应该是具有价值的。这是当今石油行业许多创新背后的驱动力。
03. 电动压裂技术逐步发展
随着压裂作业的规模与复杂性不断增加，在不增加更多装置的情况下，压裂作业需要的功率密度已经超出了往复式柴油发动机的极限。这种困境催生出电动压裂技术，使用电动机来增加现场的功率密度。
在这个市场上，NOV提供了Ideal电动压裂机组。NOV公司表示，Ideal电动压裂系统拥有5000马力泵、重新设计的作业流程以及优化后的流体与动力分配系统。与传统柴油发动机相比，Ideal电动压裂系统减少了现场的压裂装置数量，同时提高了设备的可靠性。
Supak说：“对于同步压裂作业尤其如此，因为他们的目标是必须将泵速提高一倍。同步压裂作业最初的尝试是增加几台泵，排量降为一半。如今，为了使两口井都能实现最高排量，泵速越来越高。这是设备与资源的真正翻倍，双倍的压裂液、压裂砂、化学品，所有这些都必须纳入到压裂队，因为它们必须在给定时间内全速泵至井下。”
未来，NOV公司期待通过Ideal电动压裂平台衍生出更多技术，因为更高马力可持续提高设备效率，延长服务寿命。他说：“电动压裂有更大的上升空间，凭借更少的旋转组件以及更多的设备与控制数据，推动效率的提高。”
FlexConnect软管将接头减少至两个，而不是传统管汇所需的多个接头，提供了更好的性能，并为装配与拆卸提供了更简单的解决方案。
04. 同步压裂技术成趋势
Liberty公司油田服务领域Permian盆地销售经理Kevin Schey表示，在美国，由于勘探开发公司希望节省资金，加快新井的资金回笼，同步压裂技术虽然只是完井市场中一个很小的分支，但目前正在快速发展。过去的几个月，在Permian盆地的完井作业中，同步压裂几乎占了10%的份额。
Schey指出，在目前的功率水平下，同步压裂作业只是意味着同时对两口井进行压裂。它不一定等同于完井作业的速度实现翻倍。事实上，通常情况下，两口井的泵速仅为每分钟60-90桶，低于单次压裂的泵速。
他回忆说，Liberty公司于2019年在Denver-Julesburg盆地启动了首次同步压裂作业，每口井的泵速约为40-50桶/分钟。
他说：“Permian盆地中同步压裂作业的两口井总泵速通常为120-180桶/分钟，但极限一直被推高，有些公司试图达到200桶/分钟。在这些情况下，常规压裂泵组已经无法实现该目标。需要引入更多功率来满足这些更高要求。”
Schey表示，虽然同步压裂目前还无法实现完井速度提高一倍，但它确实加快了流程，设备增加了约25%，但成本却没有相应增加。“现在最大的推动力是成本节约指标。运营商可以在压裂作业上节省部分资金，还可使这些油井更快投产，从而更快地产生资金、获得收益。”
电动压裂技术也在不断发展。最初主要依靠燃气轮机驱动，使用20-30兆瓦的燃气轮机为压裂泵组提供动力。还有一些较小的拖车式直驱涡轮机为单个压裂泵提供动力。但由于往复式燃气发动机的排放量似乎更低，多家公司正开始做出改变。Schey将这种趋势归因于ESG驱动的二氧化碳净零排放目标。
“从作业者的角度来看，如果他们在电网之外进行压裂作业，从技术上讲，尽管在能源循环过程中仍有排放，但这也属于零排放标准。”
05. 大数据的应用
除了压裂技术外，贝克休斯还是数据分析的领导者。
如今，石油行业可以获得地层、生产方式、过往作业等多方面的大量详细信息。随着人工智能（AI）和其他数据挖掘与分析系统的飞跃发展，这些数据可为设计与施工的各个方面提供信息。
压裂油藏技术商务经理Javier Franquet说：“没有一种方法能够适用于所有页岩油气藏。当利用人工智能技术来寻找最优的储层射孔间距、每段射孔数量以及射孔井段数量时，每个页岩油气藏几乎都是独一无二的。”
他补充道，美国的人工智能比其他地区更先进，是因为美国拥有大量的井与生产数据。
压裂作业技术总监Tom Royce说：“贝克休斯由于其规模庞大、产品覆盖面广、数据库众多，几乎在默认情况下就利用了大数据。关键在于，对于任何大数据，你如何处理这么多数据？”
在公司内部，重点是协调这些数据，以便油气井的压裂设计能够无缝结合油藏与钻井信息，预测问题与挑战，进而优化压裂施工设计。
Franquet说：“贝克休斯的数字服务部门与C3.ai公司以及微软建立了关键联盟，以解决油气领域的人工智能应用难题。”
一些数据具有前瞻性，可用于地层分析，以找出最佳井位与井深。其他数据具有回顾性，可用于分析各种类型的事故，有助于知晓如何才能避免出现同样的问题。
作为一家能源技术公司，贝克休斯正在向更小的碳足迹与更环保的解决方案迈进。Royce表示，该公司是油气行业中最早做出零碳承诺的公司之一。贝克休斯致力于优化作业流程与技术，积极与客户合作，帮助他们在下个世纪依然保持在行业的领先地位。在创新与完善油气技术的同时，扩展至其他能源选择。Royce将氢能、地热与碳封存列为公司最感兴趣的领域。
06. 南美页岩压裂技术进展
威德福在国际舞台上的重点是俄罗斯与南美的致密气。在南半球，阿根廷的Vaca Muerta、Neuquen盆地、哥伦比亚的常规油藏以及智利的致密气市场是他们的首选。
2016年，该公司离开了美国压裂市场，专注于上述国际市场。当时，在油价下跌的同时，作业成本却在上升。威德福驻休斯顿的压力泵作业总监Francisco Fragachan表示，采用更细的本地产出砂（100目，而不是之前的40-70目）大幅增加了维护成本，再加上其他因素影响，盈利能力大幅下降。
该公司目前正努力将一系列技术推广至国际市场，包括减摩剂、提高效率、多级压裂等技术。
在致密气储层开发中，往往需要更高的支撑剂浓度，并且还要应对减摩剂相关的沉降问题。基于此，威德福长期致力于开发一种压裂液体系，在维持较好的减摩效果的同时，保持支撑剂的悬浮浓度为8-10ppa，促使整个压裂区域不会发生沉降。该公司的Amplifrac产品解决了这些问题。
Fragachan补充道，更润滑的流体可实现更高的泵速，从而每天能够完成更多的压裂段。它还有助于美国的同步压裂作业。在美国，一次泵入两口井意味着每口井的排量将降低一半。更高泵速还可减少泵功率所需的现场占地面积。这将在降低碳足迹的同时，为物流与成本节省带来好处。
威德福的压裂参数曲线有助于提高每项工作的效率与准确性。
该公司的增产技术经理Victor Exler表示，在阿根廷地区，最后一英里物流是一项重大挑战。支撑剂的运输、化学品的运输、所有散装货物的运输都是典型难题。缩短这些物资的运输距离也在考虑之列。“最大的变化之一是发展当地的支撑剂开采业。”
随着矿场数量的增加，目前在当地即可提供40-70目支撑剂，大幅降低了该地区的作业效益。
威德福在俄罗斯的作业中，油井更深，压裂段更多，这种情况受益于摩阻的降低。控制着陆段的摩阻有别于控制井底段的摩阻，由于泵送时间不同，两者都存在挑战。
减少压裂作业的用水量是重点。Fragachan说：“增加支撑剂的浓度，若将原来的标准1ppa提高至2ppa，甚至提高到8-10ppa，可显著减少大型压裂作业的用水量。”由于它的浓度更高，因此需要的支撑剂也更少。
总体而言，与美国的勘探开发相比，国际公司对油田开发的布局更长远。成本仍然是海外关注的问题，但Fragachan表示他们不建议在钻完井作业方面缩减成本，因为这可能会缩短油气井的生产寿命。他们希望油气井能持续生产10-15年。
延长油气井寿命的其中一种高效方法是重复压裂，这也是威德福的主要关注点。利用重复压裂新技术，可以跨层位选择性地对死油区进行压裂。
Fragachan与Exler认为，在未来，如今压裂作业的经验可复制到地热井的开发上。“利用压裂行业的独门绝技，再进行一些适用性优化，对输送水流的井进行大规模压裂，可将更多热量带到地面，以优化、提高地热井的产能。”
从油气公司到服务商再到设备供应商，每个人都明白，页岩压裂的未来是在前端实现经济效益，同时在后端进行完井作业（或二次完井作业），以延长油气井的生产寿命。也许在历史上，创新从未达到如此疯狂的速度，也许它也从未像现在这样举足轻重。
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