全球钻完井技术发展趋势研究(下)

2014-01-27 01:27:52 0

完井技术 压裂技术 钻井新方法 全球 趋势 钻井 完井

 

   

|汪海阁 等

中石油勘探开发研究院钻井所副所长,研究生导师

 

 

2、国外完井、压裂技术新进展

    2.1  完井新技术

    完井是连接钻井和生产的关键环节,完井技术是影响油气井开发效益的关键技术。近两年完井技术革新主要围绕水平井开展,膨胀管技术和多级完井工艺得到不断发展和走向成熟。

    i-Frac 完井工具:挪威 i-TEC 公司新推出革命性的 i-Frac 完井工具,主要用于致密储层增产作业,可以显著减少作业时间,加快投产进度,从而降低成本。i-Frac 新型投球滑套工具包括 2 种尺寸类型:Ф5.6in×37.9in 和 Ф6.732in×36.4in,分别用于 4.5in 和 5.5in 套管,最高工作压力达 10kpsi 和15kpsi,最高抗温 177℃,使用的投球尺寸分别为 1.875~3.625in 和 1.875~4.5in。使用 i-Frac 完井工具进行压裂施工,仅需一次投球即可打开超过 20 个滑套,大大提高了作业效率。今年 4 月对北海挪威大陆架一口水平井的碳酸盐岩储层实施分段压裂,井深 4921m,水平段长 839m,分 3 次投球完成3 级 56 个滑套的压裂施工,第 1、2 个球分别打开 19 个滑套,第 3 个球打开剩余的 18 个滑套,共计用时 1.5d。如使用常规作业方式,每次只能打开一个滑套,累计需要 40~50d。该技术同样适用于页岩油气井,尤其是在美国的致密页岩气田和中国的低压低渗致密油气田,预计至少可以节省一

半的投产作业时间。采用这种方式进行压裂作业也意味着能够将压裂作业所占用的资源快速转移到其他地方去,最大限度地降低对环境的影响,明显减少压裂作业对水资源的需求,而水资源对于美国页岩油区是一个棘手的问题。

    套管下深工具(DST):Shalerunner 的套管下深工具(DST)是在页岩储层井中应用完井管串的新型运载工具,能够确保完井工具成功着陆。该工具添加了一个高速旋转的扩眼引鞋,允许作业者必要时钻掉完井工具。工具可以减少起下钻,具有清洗、扩眼和重入井眼的能力,可使完井管串下入准确位置而无需旋转,避免下尾管系统过早坐挂的任何系统风险。

    可膨胀防砂筛管完井系统:由 Weatherford 公司研发的可膨胀防砂筛管完井系统已成功应用于沙特阿拉伯油田的一口陆上水平井中,这是世界上首次成功完井的实例,创立了多项世界纪录。

    智能完井技术:Weatherford 公司的微密封膨胀封隔系统使用了一种专有弹性体,能根据微环空内的排出液类型进行膨胀,防止微环隙内的流体和压力运移,不必进行修井和补救注水泥作业;Baker Hughes 公司发布的新型膨胀尾管悬挂器 TORXS 系统能够在固井施工之前安装,以消除在固井、打捞作业或弃井过程中下放该工具被卡的风险。该工具应用范围广,可在深水油气井、斜井、定向井和未来的单一井径井完井中使用。

    Packers Plus 能源服务公司是多级压裂完井工艺系统的先锋,在设计和制造各种完井系统创新技术方案方面处于行业领先地位,其发布的 QuickFRAC 多级完井系统为行业首创,在 15 次处理作业中完成了 60 级改造。

 

2.2  压裂新技术

近两年,非常规油气开发取得突破性进展,压裂技术成为关注的焦点。水力压裂技术的地位大幅提升,重要性日益凸显,正在页岩气、致密气、致密油等非常规油气的开发中发挥着至关重要的作用。目前主流技术有水力喷射、裸眼封隔器、快钻桥塞 3 种工艺,压裂呈现出平均分压段数、平均水平段长度、平均单段加砂量不断增加,平均段间距不断减小的发展趋势。

压裂段数倍增技术:通过一个允许重复投球的滑套实现同一尺寸的球多次投放和准确坐封在特定位置,可成倍增加压裂段数、减少完井时间、提高单井产量。该技术已成功进行现场测试,2011年实现了 60 级分压,研发目标是用于更长的水平井,缩短段间距,使分压段数达 100 段。

缝网压裂技术(同步、拉链式):同步压裂和拉链式压裂已经被成功地用于多个页岩气田的开发。同步压裂平均增产 30%以上。两步跳压裂法还处于概念阶段。

    高速通道压裂技术(HIWAY):改变了依靠支撑剂形成导流能力的方式;在压后支撑剂充填层内建立稳定的通道;大幅提高压后裂缝导流能力;特定射孔、脉冲式注入、专有纤维三者结合。在全球超过 3000 个层段的作业,施工成功率大于 99.9%,压后产量显著提高(20%以上),单位生产成本降低。我国已在长庆油田成功实施了一口试验井。

    快速压裂技术(QuickFrac technologies):作为一套全新的批压裂工艺,在两个封隔器之间安装若干专有滑套把目标层分割成独立的小段,投一次球打开该层内所有滑套,节约泵送时间和成本,降低压裂液用量。

双分支水平井、多分支井分段压裂技术:每个分支长 1500m 以上,15 段以上分压,与单分支井水平井相比,产量提高 25%,成本节约 35%,内部收益率由 51%提高到 98%。  

井下混液技术(CobraMax DM):从环空高速注入清洁压裂液,从连续油管低速注入支撑剂,压裂液与支撑剂在井下通过特殊工具实现均匀混合。可实现一次注入完成多段压裂;根据井下情况与需要灵活控制支撑剂浓度,有效提高完井效率;预留支撑剂段塞用于隔离各压裂层段,有助于提高近井筒导流能力。

    环保型压裂新技术:包括闭环压裂作业、LPG 无水压裂、集中压裂等。 压裂技术的发展趋势是:随压甜点监测,实现压裂段数少、精、准;增加储层接触面积,提高压后裂缝导

流能力;工厂化作业,降低压裂成本,提高作业效率;研发“绿色”添加剂,大幅降低用水量,减少占地。

 

 

 3 、国外钻完井前沿技术

    3.1  双壁同心钻杆钻井新方法

    双壁同心钻杆钻井(Reelwell Drilling Method,简称RDM)是应用双层同心钻杆作钻井液流入流出通道来解决钻井难题。循环钻井液和钻屑是从双层钻杆的内部通道返到地面,而不是如常规钻井那样从井壁与钻杆的环空中返到地面。

系统的关键技术是井下压力隔离系统,以保证无限次开关操作都能实现井下隔离。通过在双壁钻杆上下安装的一系列流量控制阀,确保复杂地层的钻井更安全有效。主要技术优势有:采用反循环技术,管外环空内充满清洁的钻井液,可维持井筒清洁,井壁不受冲刷;内管外壁有绝缘涂层,管中管充当同轴电缆,向井下供电,实现数据的高速、双向传输;在水平井段和大位移井中,推动钻柱前进,给钻头施加更有效的钻压,解决了长水平段水平井的加压问题;钻井安全方面,RDM 提供一个良好的闭路循环系统,非常适合于深水窄密度窗口储层的安全钻井,能精确控制井下压力和循环量,对钻井液的体积变化作出即时响应、控制和调整,在钻井液停止循环或接单根时实现井内关井。而不改变井底压力,从而避免压力波动导致油气入侵;可膨胀尾管代替 BHA 接入,可用于套管钻井或尾管钻井;井下压力隔离系统相当于给井控增加了一道屏障。该技术可应用于复杂深井、大位移井和长延伸段水平井。

RDM 钻井的概念最早由挪威国家石油公司、挪威科学研究委员会提出,Reelwell 公司于 2004年开始研发,现已通过了几次全尺寸测试,2009 年首次在挪威陆上的一口 MPD 定向井上应用,2010年第一次在加拿大的一口页岩气井上应用,证明了其有效性和潜在能力,预计 2015 年能达到工业化应用。目前 Reelwell 无隔水管钻井技术的研发得到了 Petrobras、Dockwise、Shell、Total 和挪威国家研究委员会的支持。一旦投入商业应用,必将给深水钻井带来一次革命。

    

3.2  无钻机技术

海底钻井技术(海底无人值守钻机):这项指钻机坐落在海底的钻井技术,不受水深和海况限制,能够解决深水作业中面临的各种海况问题,可应用于台风、飓风频发海域的油气钻探。由于深水钻井环境恶劣,一般需要大型浮式钻井装置——半潜式钻井平台和钻井船,其造价极高,作业费用更高。如果能够不用大型浮式钻井装置就能钻井,必将节省大量的钻井成本,还能避开恶劣的海洋环境对钻井作业的干扰。为此,提出了海底钻机的设想,设计了多种方案。如美国 Gregg 海洋公司新推出的一种机器人海底取样钻机,其最大作业水深 3000m,可钻取 150m 深的岩心,预示未来随着技术的进步,用海底钻机进行深水石油钻井将成为可能。海底钻机的共同特点包括:不用钻井船、半潜式钻井平台,也不用隔水管和升沉补偿装置,容许浮式辅助船有很大的漂移范围;不受海况、水深和天气的限制,无需动力定位;无需钻工;压力补偿式密闭装置;全自动化;遥控等。海底钻井通过电缆来提供动力和必需的作业流体,并依靠各种技术控制水下工程作业。国外从 20  世纪 90年代已经开始研究,Seabed Rig 公司的 Seabed  钻井技术、Shell 公司的 Seafloor 钻井技术、德国布莱梅大学研发的 Mebo 海底钻井系统、Maris 公司的海底钻机都属于这一类,但多停留在概念设计阶段。Seabed Rig 公司已完成概念设计,正在进行关键部分的实体设计。此技术难度较大,预计 2020 年前能达到工业化应用。

獾式钻探器:獾式钻探器是一种不用钻机钻孔,靠自掩埋钻探工具将监测仪器随身带入地下永久监测地下地质状态与活动的一种地质勘探技术。1999 年,挪威技术专家首次提出了獾式钻井概念,这种无钻机钻井方式可在很大程度上解决深海、极地等特殊复杂区域的探井所面临的难题。钻入时,钻探器通过电缆供电,驱动前端电动钻具带动钻头破岩,同步将岩屑输送到后端挤埋到地层中,如此实现獾式钻进。随同钻探器带入地下的监测站将监测到的信息以 2Mbit/s 以上传输速率从电缆传输到地面。目前 ExxonMobil、Shell 和 NOV 等石油公司通过联合工业组织资助挪威的獾式钻探器公司开展研发,现已进入室内地表全尺寸自掩埋试验阶段,其远期目标是 3000m 钻深。

无钻机钻井技术的应用前景主要有:作为油气资源勘探的一项技术,用以代替深水野猫井采集地层信息,降低勘探风险;利用獾式钻探器地下监测站和电缆高速信道,采集 VSP 信号,提高物探精度;利用獾式钻探器自身携带的永久监测站代替常规监测井进行地下微地震监测及连续的三维地震,监测油藏中各种流体运动和压力变化,为确定剩余油分布、优化开发方案、提高采收率提供技术手段;极地(北极)资源钻探与监测。

 

3.3  天然气水合物开发钻采技术

开采方式的高成本是制约可燃冰产业发展的一大瓶颈,各国正在加快推进开发可燃冰的步伐,日本、美国、加拿大、俄罗斯、印度、韩国等国政府都制定了有关天然气水合物的长期研究计划。美国 2000 年起将“可燃冰”作为政府项目进行勘测,2012 年斥资 2900 万美元在阿拉斯加试验开采,曾用潜艇开采海底可燃冰,成本高达每立方米 200 美元。日本 2001 年发布《甲烷水合物开发计划》,至今已拥有 7 口钻井,2013 年掌握海底分离甲烷技术,刚在海底采样可燃冰气体的日本石油天然气和金属矿物资源机构(JOGMEC)希望 2019 年前可将开采成本达到实际应用水平。

日本 JOGMEC 近期启动了甲烷水合物的钻探试验作业。按照计划,钻探工作中使用顶端装有人造金刚石的超高强度钻头,从水深约 1000m 的海底向下钻探约 260m,触到蕴藏可燃冰的地层后再其中一口用于可燃冰的实际生产试验,其余钻井用于观测生产前后周围环境及温度变化情况。2012 年,位于阿拉斯加北斜坡带的 Ignik Sikumi 1 号井成功进行了CO2/CH4的置换现场试验,从井内返出的气体点火成功,持续燃烧,验证了该方法的可行性。与其他方法相比,置换法对环境影响小,具有很明显的技术优势和发展前景。预计该项技术在 2018 年前能达到工业化应用。

由日本研究人员提出的 CO2开采法的试验模拟方法是注入 CO2气体,使之与所接触的天然气水合物分子发生置换反应,置换出 CH4气体,返出地面。其显著特点:一是 CO2置换水合物中的 CH4,在热力学上有利;二是形成 CO2

水合物的热量比分解甲烷水合物所需的热量大 20%,此外,CO2水合物的形成抵消了 CH4

水合物分解造成的变冷;三是水合物重新充填的孔隙空间有望维持气体产生物的机械稳定性,从而保证了气体开采的安全;四是这个过程对气候有利,  CO2 因质量比空气大而通过下沉作用离开大气,同时开采出可干净燃烧的天然气。

 

    3.4  太空钻探技术

    钻井正在探索更高的环境挑战。美国宇航局阿姆斯研究中心联合约翰逊航天中心、Baker Hughes油田服务公司和两家加拿大的高校建立了火星科学实验室,共同开展火星极端条件钻探项目,准备开发一种用于太空钻探活动的钻井技术。该技术将突破超低温、近真空环境等诸多难题。目前已经开发出了一种新型旋冲钻机,可在火星南极地区钻进数百英尺,并可开展取心作业。

 

    3.5  深冷压裂技术

美国科罗拉多矿业大学正在研究针对页岩油气开发的深冷压裂技术,该项目得到了美国能源部能源安全研究合作组织的支持。深冷压裂的基本概念是:将深冷(温度极低)的液态氮和(或)二氧化碳注入井底;使制冷剂接触含油气岩层;温差导致的应力产生裂缝;深冷液体受热膨胀、气化,钻进裂缝,导致地层内压力增加,进而使裂缝扩张;由于剪切—滑移碎石化和(或)注入支撑剂的作用,产生的渗透通道其后不会被地层关闭。相对于传统水力压裂,深冷压裂的优势表现在:减少产层损害,无黏土膨胀或水锁问题;用水少;不会导致地下水污染;解决公众担忧和环境问题。

项目目前分别经过了室温条件和储层条件下深冷压裂过程的实验室研究、模拟与分析及现场测试和验证,但还有很多问题需要解决。

    美国《Oil & Gas》杂志预测未来可能最具影响力的油气钻探技术包括:极大储层接触井技术、智能流动控制技术、数字油田技术、无源地震监测技术、千兆网格技术、智能流体技术、仿生井技术和纳米机器人技术等。

 

 

4、钻、完井技术发展趋势

    近几年来,强劲的国际油价推动勘探开发投资持续增加,钻井活动持续活跃。勘探开发主战场逐步向非常规、深层、海洋区域转移。为不断认识和突破新的挑战,研发预算继续增长,其中大多数资金将投入到水下、自动化、浮式生产设施革新及非常规的技术研发上。美国在全球油气技术研发中仍然占据主导地位,中国近些年正逐步成为油气技术研发的主力之一,以中国为优先权的专利申请已成为全球油气领域专利申请增长的主要驱动力。技术服务公司是油气上游技术的研发主力,其每百万美元研发投入专利产出明显高于油公司,其中 Schlumberger、Halliburdon、Baker  Hughes首次专利申请量处于明显领先地位。

    随着页岩气开发和非常规油气收益增长的快速升级,预测未来几年水力压裂、水平井钻井和完井、油藏监测及水处理技术将继续成为关注重点。

    海上关注的焦点主要是深水作业。美国能源部 2011 年 11 月宣布资助的“超深水和非常规天然气及其他石油资源”计划中有 6 个以减少超深水钻井风险和环境保护为目的的油气研发项目,研发内容包括:通过改进固井、连续管修井、流量控制等技术手段预防不可控的油流,应用水下机器人进行 3D 激光成像实现监测与检查,通过特殊管道间接测量多相流,更有效的全电动深水安全系统,以及海洋设施的优化设计等。钻井新技术、新材料、检测控制、微电子技术、通信和计算机、机器人和超微加工等技术的进一步发展,将为复杂的深水油气勘探开发提供条件。

    闭环钻井和钻井自动化将成为未来发展的主要技术领域。随着作业移向更偏远和恶劣的环境,远程监控中心正在建立,协作将变得更加重要。网络工具的不断普及和应用,人们沟通的方式也将继续发生改变。闭环钻井和钻井自动化两种技术具有广泛适用的优点,其任何创新应用都将加强海上和陆地作业,采用自动化技术的公司将受益于作业效率和安全性的提高。

    全球技术研发近年来呈现如下新特点:

    一是油公司与工程技术服务公司结合越来越密切。技术服务公司紧跟生产商扩能步伐,加大开发资源节约型技术;研发新技术,提高作业效率;提高装备性能,为市场做准备;通过收购增强实力。目前,Schlumberger、Halliburton、Baker Hughes 世界三大技术服务公司主要在油气资源国进行专利布局。

二是重视开放式创新,全球化的工业界联合越来越多。当前主要有 DeepStar、深水技术开发工业界联合组织、DEA、美欧钻井工程联合会 PTAC 和加拿大石油技术联盟等。单一井径技术、獾式钻探器、连续运动钻机、双管钻井等超前技术全部为工业界联合项目。

三是技术创新机制更加灵活多样,包括自主研发、合作研发、委托研发、技术转让和并购等。

    四是技术创新更加依赖信息、纳米、新材料等高技术的发展和融合。国际技术服务公司在钻井、开采、勘探等上游领域技术创新中占据主导地位,近些年着重加强了对模拟计算机和电子信息数据处理技术的研发。如 2012 年 3 月 Schlumberger 收购了一家民营公司 SPT Group,该公司在天然气多相流动态数值模拟方面具有明显的领先优势,在全球各地拥有众多具备较高专业水平的技术人员。此次收购可大大加强 Schlumberger 在钻井软件业务上的不足,提高其模型的精度。

五是集成化、智能化、可视化、实时化、绿色化成为技术发展总趋势。

在各行业各领域创新技术推动下,未来钻井技术将向更加精确、高效、低成本、环保和安全方向发展。

 

 

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