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未來10年極具發展潛力的20項油氣勘探開發新技術!

發布時間:2019年05月17日
來源:石油人公眾號

作者:楊金華,李曉光,孫乃達,張煥芝,邱茂鑫,焦姣, 侯亮,張珈銘,郭曉霞,劉知鑫

單位:中國石油集團經濟技術研究院石油科技研究所

摘 要:為增儲上產和降本增效,未來油氣勘探開發領域在向智能化方向邁進的同時,將陸續推出或應用一些新技術、新裝備、新材料。跟蹤分析世界石油科技最近進展,篩選出20 項在未來10 年極具發展潛力的油氣勘探開發新技術,具體包括:智慧地質、勘探開發一體化智能化協同平臺、智能油田、納米智能驅油技術、井下油水分離技術、地下原位改質技術、高精準智能壓裂、智能化海底工廠、浮式LNG 裝置、海域天然氣水合物安全高效低成本開發技術、壓縮感知地震勘探技術、人工智能地震解釋技術、彈性波成像技術、隨鉆前探與隨鉆遠探技術、光纖測井技術、一趟測測井技術、耐超高溫井下儀器及工具、智能鉆井、連續運動智能鉆機、雙壁管反循環鉆井。

關鍵詞:油氣勘探開發;提高采收率;前沿技術;自動化;數字化;智能化

中國石油集團經濟技術研究院石油科技研究所長期從事世界石油科技跟蹤分析及我國石油科技發展戰略研究。為推動我國油氣勘探開發技術的發展,研究團隊從眾多的候選技術中篩選出20 項極具發展潛力的新技術,現分述如下,以供業內參考。

1智慧地質

大數據、云計算、物聯網等信息技術與地質勘探融合發展,不斷提升地質勘探的數字化水平,地質云平臺的建立就是發展進程中的一個重要里程碑。借助地質云平臺,可實現地質調查信息高效共享和精準服務、地質調查管理業務一體化和協同化、國內外地學科研信息交流與多方協同。

展望未來,人工智能與地質研究的深度融合,將催生出智慧地質,實現由地質大數據向智慧地質的升級。智慧地質涉及地球各圈層,包括地球形成與演化歷史,地球物質組成及其變化,礦產資源形成、勘查與開發利用,人類環境的破壞、修復和保護等。智慧地質可為礦物勘查提供可視化線索,開創礦物學的全新方向。智慧地質在油氣行業應用中,將有助于更高效地圈定最具潛力的區域、儲層和井位,提高探井成功率,促進增儲上產(圖1)。

2勘探開發一體化智能化協同平臺

多學科協作是油氣行業發展大趨勢,相關平臺建設一直是大型油公司和油服公司的戰略競爭制高點。隨著大數據、云計算、物聯網等信息技術的發展,國際油公司和油服公司相繼推出多學科一體化協同平臺(環境),如斯倫貝謝公司的DELFI 平臺、貝克休斯GE 公司的Predix 平臺等。 DELFI 平臺是一個基于云計算的協同平臺,可實現多學科交互融合和勘探開發一體化,包括地質油藏工程一體化,從根本上改變勘探開發工作模式,從而提高工作效率,實現綜合效益最大化。

隨著人工智能的快速發展,未來將打造勘探開發一體化智能化協同平臺,通過提供信息共享、技術創新、生產經營一體化、智能化協同平臺或環境(圖2),大幅度提升勘探開發數字化、網絡化、智能化、一體化水平,促使復雜的計算過程(如建立模型、數值模擬、數據分析和預測等)、更加順暢、智能、高效,加強信息共享、多學科協作,開啟勘探開發一體化、智能化新篇章。

3智能油田

數字油田經過20 多年的發展,油氣田開發已初步實現了數字化、網絡化、自動化,并開始向著智能化目標邁進。從最初的油田歷史數據歸檔管理以及生產、管理、經驗數據的實時采集及存儲;到集成油田員工、油井、設備等信息,實現互通互聯、統一管理;再到生產數據的自動采集、傳輸和儲存,油井與設備的遠程控制、自動優化,自動報警、自動關停;最終實現利用已有的大量知識及經驗對油田進行智能化開發的目的。相應地,數字油田技術的應用范圍也逐漸從井筒、油井擴展到油氣藏、油氣田,并將最終實現全資產覆蓋。

智能油田是數字油田未來的發展方向,將以一個統一的數據智能分析控制平臺為中心,無論固定資產、移動設備還是工作人員,都將成為數據的收集者和接受者,并直接同控制中心建立聯系。智能控制中心結合人工智能、大數據、云計算等技術,通過分析海量數據,在全資產范圍內實時完成資源合理調配、生產優化運行、故障判斷、風險預警等,最終實現全部油田資產的智能化開發運營(圖3)。

 

4納米智能驅油技術

納米技術與提高采收率技術(EOR)融合集成,可解決傳統EOR 技術不能解決或難以解決的問題,如波及效率低、費用昂貴、苛刻環境適應性差及存在潛在儲層傷害等。納米智能驅油技術的研發思路是:納米驅油劑的尺寸足夠小,能夠基本實現全油藏波及;強憎水強親油,遇水排斥,遇油親合,具有自驅動力,實現智能找油;分散油聚并,能夠捕集分散油,形成油墻或富油帶并被驅出。納米智能驅油技術有望成為提高采收率的戰略接替技術,預期將大幅度提高最終采收率,應用前景廣闊。未來油田開發將以納米材料為基礎,以化學改性為手段,在同一納米材料上集成多種功能,真正賦予納米材料目標性與智能性,將一劑多能”“一劑多用變為現實(圖4)。

 

5井下油水分離技術

高含水是成熟油田面臨的重大挑戰之一,高含水油井開采過程中產液量高、含水率高,產液量與產油量成正比。為了增加產油量,一般采取大泵抽汲開采方式,該方式油水日處理量巨大,導致開采成本上升,而污水處理也會帶來潛在的環境問題。井下油水分離技術將油水混合物在井下直接分離,石油、天然氣和剩余水被開采出地面,地面產出液大幅降低,含水率大幅下降,可極大緩解地面處理站油水處理壓力,降低潛在的環境風險,是實現高含水油田經濟穩定開發的有效措施之一(圖5)。目前該技術正朝著結構小型化、功能集約化、管理智能化的方向發展,未來將開辟井下工廠開發新模式。

 

6地下原位改質技術

地下原位改質是通過對地下儲層進行高溫加熱,將固體干酪根轉換為輕質液態烴,再通過傳統工藝將液態烴從地下開采出來的方法。該技術具有不受地質條件限制、地下轉化輕質油、高采出程度、低污染等優點,一旦規模化應用,將對重質油、頁巖油和油頁巖開采具有革命性意義。

殼牌公司地下原位改質技術采用小間距井下電加熱器,循序均勻地將地層加熱到轉化溫度(圖6)。該技術通過緩慢加熱提升產出油氣的質量,相對于其他工藝可以回收埋藏極深的巖層中的頁巖油,同時省去地下燃燒過程,減少地表污染,降低對環境的危害。為了避免地下水污染,殼牌公司開發了獨有的冷凍墻技術,可有效避免生產區域在頁巖加熱、油氣采出和后期清理過程中地下水的侵入。對于一個商業開采項目,根據加熱器間距和加熱速度,將地層加熱到轉化溫度的時間估計需要2 4 年。試驗結果顯示,電加熱原位改質工藝所生產油氣的能量值是所消耗能量的3 倍。

 

7高精準智能壓裂

近年來,水平井分段壓裂呈現壓裂段數越來越多、支撐劑和壓裂液用量越來越大的趨勢。從長遠看,實現壓裂段數少、精、準,才是水力壓裂技術的理想目標。目前業界正在探索大數據、人工智能指導下的高精準壓裂技術和布縫優化技術,但是真正能夠聞著氣味走的壓裂技術還有待研究和突破。美國Quantico 能源公司利用人工智能技術,將靜態模型與地球物理解釋緊密耦合,對不良數據進行質量控制,形成高精度預測模型,用于壓裂設計,在二疊盆地和巴肯油田的100多口油井中使用后,與鄰井對比結果表明,優化后的完井方案不僅可以使產量提高10% 40%,還能有效降低整體壓裂作業成本(圖7)。

隨著甜點識別、壓裂監測技術和人工智能技術的發展,未來的高精準智能壓裂技術有望實現每一級壓裂都壓在油氣甜點上,可有效提高儲層鉆遇率和油氣產量,降低開發成本,降本增效意義重大。

8智能化海底工廠

為應對風、浪、流等惡劣海洋環境對海上油氣生產的影響,海上油氣生產尤其是深水油氣生產日益海底化。海底生產系統已得到規模應用,并呈現以下發展特點。

1)功能及處理能力不斷增加:主要包括水下分離、水下舉升、水下多相流計量、水下干濕氣壓縮、產出水回注等。

2)適應水深不斷增加:海底采油樹的最大安裝水深紀錄已達2934m

3)自動化水平不斷提升。為進一步提升海底生產系統的自動化水平,國外已有公司在深水油氣開發中應用了全電動海底生產系統,進一步削減深水油氣開發支出,預示海底生產系統將迎來全電動化時代。隨著技術的不斷進步,未來將發展海底生產系統的升級版——海底工廠(圖8)。集油氣水三相分離技

術、水下增壓技術、處理后的原油存儲海底、產出水處理后進行回注于一體的海底油氣生產及處理廠,可大幅減少海面油氣生產設施投入,甚至最終可實現全海底化生產。

人工智能快速發展,海底生產系統和海底工廠也將向著智能化方向發展,催生智能化海底生產系統和智能化海底工廠。

9浮式LNG 裝置(FLNG

當前主流的浮式生產裝置包括浮式生產儲油卸油裝置(FPSO)、半潛式平臺(Semi)、張力腿平臺(TLP)和Spar(深吃水立柱式平臺)四大類。其中,FPSO 應用最為廣泛,2018 年全球大約有180 FPSO 在役。經過數十年的發展,FPSO 相關技術已經成熟,并持續升級換代,TLP 平臺已發展到第3 代,Spar 平臺已發展到第4 代。這些浮式生產裝置適合的油氣生產模式是:海底生產系統+ 浮式生產裝置+ 油氣管道(或穿梭油輪)。

在缺乏海底管道設施的海域,國外正大力發展浮LNG 裝置(FLNG)。該裝置集天然氣生產、處理、液化、儲存、卸載功能于一體,開創了全新的海上天然氣開采方式。目前全球已有兩艘浮式LNG 裝置投入使用(圖9),其中一艘FLNG 裝置位于馬來西亞沙撈越海上;另一艘位于澳大利亞Browse 盆地,離岸200km,實際作業水深250m,長度為488m,寬度為74m,年生產能力為LNG 360×104tLPG 40×104t,儲存能力為43.75×104m3。伴隨越來越多的FLNG 裝置投入運營,將推動海上邊際氣田、遠海氣田和深水氣田的高效開發。

10海域天然氣水合物安全高效低成本開發技術

全球海域天然氣水合物資源量巨大,經過長期的技術研發,中國、日本等國已成功試采,未來10 年將有越來越多的國家進行試采(圖10)。中國、美國、日本、印度、加拿大、德國、法國、英國等30 多個國家都在大力開展技術攻關,以期早日實現天然氣水合物的商業開采。目前商業開采海域天然氣水合物面臨的最大挑戰一是成本問題,二是安全環保問題。為解決這些問題,需要應用一系列顛覆性技術裝備。淺表層天然氣水合物將主要應用鉸吸法進行開采,埋藏較深的天然氣水合物將應用鉆井法進行開采。

天然氣水合物開采井在海底以下深度不會超過1000m,如應用大型浮式鉆井裝置(鉆井船或半潛式鉆井平臺)及大型鉆機,實屬大材小用,極不經濟。因此,為了降低鉆井成本,必須應用成套的安全高效低成本技術裝備,如定制中小型浮式平臺、中小型海底防噴器、復合連續管鉆機、連續管鉆井、復合材料隔水管等,甚至實施無隔水管鉆井。當天然氣水合物實現商業開采,將開啟一個嶄新的時代——天然氣水合物時代,屆時天然氣水合物將成為重要的接替資源。

11壓縮感知地震勘探技術

油氣勘探目標日益復雜化,對地震數據精細化要求不斷增加。高密度地震數據采集可滿足地震信號的采樣需求,但生產成本過高。基于壓縮感知理論的地震數據高效采集方法,突破了奈奎斯特采樣定理的限制,是地震采集實現降本增效的重要方法,將推動同步震源混采技術快速發展,同時帶動相應的數據處理、成像技術的發展。

陸上、海上同步震源混合采集快速發展,為地震采集降本增效奠定了基礎,BP、斯倫貝謝、中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司在同步震源混合采集方面取得了重大技術進展。康菲公司在壓縮感知地震采集、處理和成像方面進行了多項研究,開發出一套關鍵的集成技術系列,即壓縮地震成像(CSI)技術,其中主要包括非規則優化采樣(NUOS)技術、混源采集技術、數據重建技術等,并已完成商業應用。應用結果證明,CSI 技術在滿足處理、成像、AVO 分析的基礎上,大大提高了采集效率,縮短了施工周期。在阿拉斯加陸上可控震源地震勘探項目中,利用NUOS 采樣方法,克服了季節、環境的限制,采集效率大幅提高,經過數據重建與數據處理,獲得了高分辨率圖像(圖11)。

12人工智能地震解釋技術

地震解釋的速度和精度對勘探工作至關重要。傳統的地震解釋方法越來越難以應對海量的地震勘探數據。為此,國外已經有公司開始將機器學習應用于地震解釋。例如,Geophysical Insights 公司利用機器學習與大數據分析技術進行地震屬性分析,應用于薄層解釋、直接烴類指示(DHI)等方面,減少地震解釋的不確定性,推動定量解釋的發展。

2017 年,帕拉代姆公司開始了基于機器學習的地震解釋技術的應用,應用多層神經網絡進行巖相預測。公司開發了用于巖相分類的機器學習算法,嵌入SeisEarth 解釋平臺,通過概率方法得到巖相數據體,以此描述巖相類型和分布。該方法運行速度快,所需人力少,能夠在量化不確定性分析時減少猜測,提供更加穩定的油藏描述結果。應用巖相分類的機器學習算法對美國二疊盆地地層數據進行分析,獲得了由各類巖性組成的3D 地質體(圖12)。

 

基于深度學習等人工智能技術的地震解釋,充分利用海量數據,通過大數據分析,可大幅縮短模型處理時間,改善地震道屬性實時計算及復雜地區盆地視覺分析,達到獲得更精確的地下信息、提高鉆探成功率的目的。

13彈性波成像技術

使用彈性波方程延拓后得到的多分量波場包含縱波和橫波信息。彈性波成像技術作為基于彈性波理論的地震勘探技術的重要分支,研發矢量信號處理、矢量噪聲壓制、縱橫波聯合初始速度建模等關鍵技術,改進彈性波全波形反演及成像效果,為儲層預測提供更加翔實的資料,是近些年地球物理領域研究重點(圖13)。彈性波成像技術可以分為兩類:一類以標量波場理論為基礎;另一類以矢量波場理論為基礎,矢量輸入、輸出,可以更好地保證地震資料的原始信息。彈性波成像技術目前仍處于理論研究階段,彈性波逆時偏移等研究近幾年不斷深入。實現九分量地震資料處理能力是今后研究重點,以三維彈性波正演為突破口,與高性能計算技術深度結合,可以大幅提升彈性波全波形反演和成像的效率與精度。

14隨鉆前探與隨鉆遠探技術

隨鉆前探技術主要包括隨地震前探技術和隨鉆方位電磁波前探技術兩類。2016 年斯倫貝謝公司推出的EMLA 樣機前探距離達到30m

隨鉆遠探技術可以探測井筒周圍數十米距離內的流體、油藏邊界,具有隨鉆油藏描繪、地質導向功能。2015 年斯倫貝謝公司推出GeoSphere 服務,探測深度達30m,與包括SpectraSphere 井下流體分析服務在內的整套隨鉆測井技術以及地表測井技術結合使用,可產生真實反映油藏結構與流體的測繪圖,有利于優化井位,最大化油藏接觸,改善油田開發方案。2018 年哈里伯頓公司推出的EarthStar 服務,將探測距離提高到61m(圖14)。

隨鉆前探與隨鉆遠探技術有利于隨鉆油藏描述和隨鉆地質導向,及時識別前方甜點及儲層邊界,及時調整井眼軌跡和鉆井工程參數,更好地引導鉆頭鉆達甜點,提高儲層鉆遇率和單井產量,降低噸油成本。展望未來,隨鉆前探與隨鉆遠探技術將會探測得更多、更準、更遠、更快,在隨鉆油藏描述和隨鉆地質導向方面發揮更大的作用,并成為智能鉆井、智能油田的重要組成部分。

15光纖測井技術

光纖材料具有抗電磁干擾、抗環境噪聲、電氣絕緣性及自身安全性強等特點,廣泛應用于井下惡劣環境中的儲層參數測量。用于油氣井監測的光纖傳感技術主要有分布式溫度傳感器、分布式應力傳感器和分布式聲波傳感器。這些技術研究發展階段存在差異,其中,分布式溫度傳感器最成熟,已經有近20 年的井下應用歷史;除分布式溫度傳感器,單點光纖溫度和壓力測量已經商業化應用;分布式壓力傳感器還處于開發階段。未來的油氣井檢測將會因光纖技術進步發生重大改變:在井的全生產周期內沿井筒進行連續測量,實現永久性監測;即使在惡劣環境下,也可以提供全面的井下生產數據;在不影響油氣生產的前提下,探測氣、水突破,識別套后竄流,探測泄漏,檢測各種管柱及完井設備的完整性(圖15)。光纖技術的應用有利于促進智能完井、數字油田的發展。

16一趟測測井技術

為了減少占用井場時間和簡化作業流程,目前測井作業已基本實現一串測, 但仍無法滿足現實需求, 以隨鉆測井代替裸眼井測井已成為測井行業的發展方向。實現隨鉆一串測目前已取得一定進展, 仍有很多瓶頸技術亟待解決。如要實現一次下井即可測得所有測井數據, 需要解決的問題則更多, 如數據傳輸、存儲問題等。未來隨鉆測井技術將實現一趟測, 并與一趟鉆同步進行,不占用額外的作業時間,極大地簡化作業流程, 有效降低測井成本。一趟測技術能夠在鉆井過程中測量所需的所有測井信息, 完成井下流體、巖心采樣, 同時提供地質導向、隨鉆油藏描繪等功能, 從而大幅降低作業風險, 提高儲層鉆遇率和單井產量。

17耐超高溫井下儀器及工具

為應對井下高溫高壓情況,需要使用耐高溫高壓的井下儀器、工具和材料,比如隨鉆測量(MWD)、隨鉆測井(LWD)、近鉆頭地質導向儀、井下電池、鉆頭、鉆井液、導向工具、固井水泥、井下管材、完井工具等。隨著技術的進步,井下工具、儀器與材料的耐溫耐壓能力持續提升(圖16)。例如,國外MWDLWD、旋轉導向鉆井系統、螺桿鉆具的最高耐溫能力已分別達到200℃200℃230℃,鉆井液的最高耐溫能力已達260℃左右。

 

未來10 年,隨著石墨烯等新材料的引入以及封裝、冷卻、絕緣等技術的發展,井下儀器、工具的耐溫能力將整體超過230℃,甚至有望達到300℃,將有力地推動深層超深井層油氣勘探開發和高溫地熱開發利用。

18智能鉆井

未來的智能鉆井主要由智能鉆機、井下智能導向鉆井系統、現場智能控制平臺、遠程智能控制中心組成,構成有機整體,實現閉環控制。具有機器學習能力的智能鉆臺機器人和智能排管機器人將取代鉆臺工和井架工,實現鉆井作業的少人化。現場智能控制平臺將代替司機完成所有操控,司機從復雜的操作中被解放出來,不必長時間坐在操作椅上,只需在一些特殊情況下才接管現場操作。地質導向、井下事故處理等關鍵作業可由遠程智能控制中心的智能控制平臺完成,從而實現操作的遠程化。

在未來超級鉆頭的配合下,未來的智能鉆井將推行水平井超級一趟鉆,即表層井段一趟鉆,余下井段一趟鉆,有望大幅度降低鉆井成本(圖17)。

目前,國外已有油服公司和科創公司陸續推出鉆井相關智能產品。預計2025 年有望進入智能鉆井初級階段,開啟智能鉆井新時代。未來的智能鉆井不是現有技術的簡單升級,而是鉆井技術的一次全方位深刻革命,將對鉆井業和從業人員產生深刻影響,大幅度提升鉆井效率、質量和安全性。

19連續運動智能鉆機

為提高起下鉆和下套管的效率及安全性,挪威WeST 鉆井產品公司研制出一種連續運動鉆機,已推出多款設計(圖18),主要具有如下特點。

 

1)連續起下鉆。鉆柱在起下鉆過程中完成上卸扣,而不像常規鉆機那樣需要停下來進行上卸扣。額定起下鉆速度分別為3600m/h2700m/h1800m/h,而常規鉆機起下鉆速度只有600 900m/h

2)連續下套管。套管在連續下入過程中完成連接。額定下套管速度為900m/h

3)連續循環。在起下鉆和鉆進過程中,鉆井液循環不間斷,有利于實施控壓鉆井,提高作業安全性。

4)連續送鉆。在鉆進過程中,不用為接單根而停鉆和停泵,可以邊鉆進邊接單根,從而提高作業效率。連續運動鉆機已進行現場測試(圖19),一旦投入商業應用將成為新一代鉆機,代表了鉆機技術一次新的革命。隨著人工智能引入石油鉆井,未來將出現連續運動智能鉆機,將用人工智能機器人取代鉆臺工和井架工,進一步提高作業效率和安全性。

20雙壁管反循環鉆井

挪威Reelwell 公司經過多年研究,推出了新的反循環鉆井技術——Reelwell 鉆井技術,作為雙壁管反循環鉆井(圖20),主要具有如下特點。

1)鉆井液在管中管內反循環。鉆井液通過頂驅和頂驅旋轉接頭向下泵入管中管的環形空間,從鉆頭噴嘴噴出,帶著巖屑向上流入底部鉆具組合與井壁之間的環形空間。因防噴器上方裝有旋轉控制頭,將管中管與井壁之間的環形空間封死,上返的鉆井液連同巖屑只得通過靠近井底的雙浮閥進入管中管的內管,上返至地面,從而消除巖屑床問題,利于儲層保護。

2)管中管充當電力和數據傳輸通道。管中管的內管外壁經過絕緣處理,充當同軸電纜,可以向井下供電,還能實現數據的實時、高速、大容量、雙向傳輸,數據傳輸速率高達6.4 萬位/s

3)實現全過程控壓鉆井。井筒環空充滿清潔流體,與管中管內的鉆井液具有不同的密度,可實現雙梯度鉆井,且可通過地面流量控制裝置實現控壓鉆井,更好地解決窄密度窗口問題,減少非生產時間,提高作業安全性。

該項技術已在陸上和海上進行了多次現場試驗。一旦投入商業應用,將成為鉆井技術一次重大突破,并有望實現無隔水管鉆井。

21結束語

智能化是世界科技發展的大趨勢,也是油氣工業發展的大趨勢。人工智能與油氣工業融合發展,將引領油氣技術顛覆性創新,推動油氣工業從數字化邁向智能化。智能化將成為未來油氣工業技術創新的主攻方向之一,將給石油工業帶來一場全方位革命,催生智慧地質、智能油田、智能物探和智能鉆井等。與此同時,為了增儲上產和降本增效,油氣勘探開發領域還將陸續推出或應用一些新技術、新工藝、新方法、新工具、新材料,它們與智能化一起將創造油氣工業美好未來。

[責任編輯:dc]

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