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影响油气行业未来的15项勘探开发技术

影响油气行业未来的15项勘探开发技术

当今世界,能源转型步伐加快,新能源蓬勃发展。展望未来20到30年,化石能源的主体地位不会改变,世界对石油特别是天然气的消费需求依然巨大。与此同时,经过长达百年的开采,全球油气勘探开发对象已逐步从常规转向非常规、从陆地转向海洋、从浅层浅水转向深层深水,开采难度越来越大,对技术及装备的要求越来越高。作为国家首批25家高端智库试点单位、国家能源局第一批16家研究咨询基地的中国石油经济技术研究院不久前在京发布《2018国内外石油科技发展与展望》。《展望》集中展示了近两年来石油科技发展与创新管理领域的新成果、新进展,突出在能源转型形势下,油气资源的勘探开发更加依赖技术创新:低成本技术组合正在使超级盆地、老油田焕发青春;石油工业与大数据、人工智能、虚拟现实、物联网、区块链等新技术,以及纳米、石墨烯等新材料的深度融合,将快速推动行业向数字化、智能化转型;国际石油公司的技术创新管理呈现一系列新特点、新动向等。

经研院石油科技研究所研究团队认为,全球油气资源潜力依然巨大,但面临着一系列新形势和新挑战。第一,超级盆地有望引领老油区重新崛起。在含油气盆地累积产量和可采储量都超过50亿桶油当量,产量进入平台期或下

降期时,通过转变勘探开发思路,重新认识盆地,可使其产量保持平稳或不降反升。美国页岩革命就是一个很好的例子,使百年超级盆地“焕发青春”。据统计,全球有25个超级盆地(2017年其石油产量占全球35%),包括中国的渤海湾和松辽盆地。第二,非常规油气正在有效接替常规油气。除北美之外,中国成为非常规油气资源大规模商业化开发的领先者。第三,新区新领域面临更深、更远、更极端环境等挑战。深水、深层、天然气水合物和极地是满足未来油气需求的储备力量,也是未来上游技术攻关的重点和难点。深水正在成为储量发现爆发的新热点。第四,天然气发展进入黄金期。天然气作为资源可靠、价格可承受、发展可持续的优质能源,迎来黄金发展期,需求量和在一次能源中的占比持续增长,被石油公司视作未来业务发展的战略重点。第五,以智能化为代表的油气技术革命拉开序幕。智能钻井、纳米驱油、原位改质等新一代勘探开发智能化技术体系正在形成,新一轮技术革命蓄势待发。

技术创新始终是世界石油工业发展进步的动力源泉。正如经研院副院长吕建中所说,石油工业历史上的每一次跨越,几乎都得益于技术革命的推动,技术必将主导未来。那么,影响油气未来的潜力技术到底有哪些呢?

1.智慧地质

大数据、云计算、物联网等信息技术与地质勘探的融合发展,不断提升地质勘探的数字化水平,“地质云”平台的建立就是这一进程中的一个重要里程碑。借助“地质云”平台可实现地质调查信息高效共享和精准服务,地质调查管理业务一体化和协同化,国内外地学科研信息的交流与多方协同。展望未来,人工智能与地质研究的深度融合,将催生出智慧地质,实现由地质大数据向智慧地质的升级。智慧地质涉及地球的各个圈层,涉及地球形成与演化的历史,地球的物质组成及其变化,矿产资源的形成、勘查与开发利用,人类环境的破坏、修复和保护等。智慧地质为矿物学提供关于去哪里寻找和寻找什么的可视化线索,开创矿物学的全新方向。智慧地质在油气行业中,将更高效地圈定最具潜力的区域、储层和井位,提高探井成功率,促进增储上产。

2.智能油田

数字油田经过20多年的发展,油气田开发已初步实现了数字化、网络化、自动化,并开始向着智能化的目标迈进,也就是从最开始的油田历史数据归档管理以及生产、管理、经营数据的实时采集及存储,到将油田员工、油井、设备等信息加以集成,实现互通互联、统一管理,再到生产数据的自动采集、传输和储存,油井及设备的远程控制、自动优化,自动报警、自动关停,最终实现利用已有的大量知识及经验对油田进行智能化开发的目的。相应地,数字油田技术的应用范围也逐渐从井筒、油井扩展到油气藏、油气田,并将最终实现全资产的覆盖。智能油田是数字油田未来的发展方向,未来将以统一的数据智能分析控制平台为中心,无论固定资产、移动设备还是工作人员都将成为数据的收集者和接受者并直接同控制中心建立联系。智能控制中心结合人工智能、大数据、云计算等技术,通过分析海量的数据实时完成资源的合理调配、生产优化运行、故障判断、风险预警等,最终实现全部油田资产的智能化开发运营。

3.纳米智能驱油技术

纳米技术与提高采收率技术(EOR)融合集成,可解决传统EOR技术不能解决或难以解决的问题,如波及效率低、费用昂贵、苛刻环境下的不适应性及潜在的储层伤害等。纳米智能驱油技术的研发思路是:纳米驱油剂“尺寸足够小”,能够基本实现全油藏波及;“强憎水强亲油”,遇水排斥,遇油亲和,具有自驱动力,能够实现智能找油;“分散油聚并”,能够捕集分散油,形成油墙或富油带并被驱出。纳米智能驱油技术有望成为提高采收率的战略接替技术,预期将大幅度提高最终采收率,具有广阔的应用前景。

未来油田开发将以纳米材料为基础,以化学改性为手段,在同一纳米材料上集成多种功能,真正赋予纳米材料“目标性”与“智能性”,将“一剂多能”“一剂多用”变为现实。

4.井下油水分离技术

高含水是成熟油田面临的重大挑战之一,高含水油井开采过程中产液量高、含水率高,而且产液量与产油量成正比。为了增加产油量,一般采取大泵抽汲开采方式。这种方式所面临问题是巨大的油水日处理量导致开采成本上升,而污水处理也会带来潜在的环境问题。井下油水分离技术是将油水混合物在井下直接分离,石油、天然气和剩余水被开采出地面,地面产出液大幅降低,含水率大幅下降,可极大缓解地面处理站油水处理压力,降低潜在的环境风险,是实现高含水油田经济稳定开发的有效措施之一。该技术正朝着结构小型化、功能集约化、管理智能化的方向发展,将开辟“井下工厂”开发新模式。

5.地下原位改质技术

地下原位改质是指通过对地下储层进行高温加热,将固体干酪根转换为轻质液态烃,再通过传统工艺将液态烃从地下开采出来的方法。地下原位改质技术具有不受地质条件限制、地下转化轻质油、高采出程度、低污染等优点。壳牌公司地下原位改质技术采用小间距井下电加热器循序均匀地将地层加热到转化温度。该技术通过缓慢加热提升产出油气的质量,相对于其他工艺可以回收极深岩层中的页岩油,并减少地表污染,同时省去地下燃烧过程,减少对环境的危害。为了避免对地下水的污染,壳牌公司开发了独有的冷冻墙技术,可以避免生产区域在页岩加热、油气采出和后期清理过程中地下水的侵入。根据加热器间距和加热速度,对于一个商业开采项目,将地层加热到转化温度的时间估计为2~4年。根据试验结果,该电加热原位改质工艺所生产油气的能量值是所消耗能量的3倍。地下原位改质技术一旦规模化应用,将对重质油、页岩油和油页岩开采具有革命性意义。

6.高精准智能压裂

近年来,水平井分段压裂呈现压裂段数越来越多、支撑剂和压裂液用量越来越大的发展趋势。从长远看,实现压裂段数少、精、准,才是水力压裂技术的理想目标。目前业界在探索大数据、人工智能指导下的高精准压裂技术和布缝优化技术,但是真正能够“闻着气味”走的压裂技术还有待研究和突破。美国Quantico能源公司利用人工智能技术,将静态模型与地球物理解释紧密耦合,对不良数据进行质量控制,形成高精度预测模型,用于压裂设计,在二叠纪盆地和巴肯的100多口油井中使用了该项技术。与邻井对比结果表明,优化后的完井方案不仅可以使产量提高10%—40%,还可以降低整体压裂作业成本。

随着“甜点”识别、压裂监测技术和人工智能技术的发展,未来的高精准智能压裂技术有望使每一级压裂都压在油气“甜点”上,对降本增效意义重大。

7.浮式LNG装置(FLNG)

当前主流的浮式生产装置有四大类:FPSO、半潜式平台(Semi)、张力腿平台(TLP)和Spar(深吃水立柱式平台)。FPSO是应用最广泛的一种浮式生产装置,2018年全球大约有180艘FPSO在役。经过数十年发展,浮式生产装置的相关技术已经成熟,并持续升级换代,TLP平台已发展到第3代,Spar平台已发展到第4代。这些浮式生产装置适合的油气生产模式是:海底生产系统+浮式生产装置+油气管道;海底生产系统+浮式生产装置+穿梭油轮。在缺乏海底管道设施的海域,为高效开发边际气田、远海气田和深水气田,国外正大力发展浮式LNG装置(FLNG),它集天然气生产、处理、液化、储存、卸载功能于一体,开创了一种新的海上天然气开采方式。目前全球已有两艘浮式LNG装置投入使用(其中一艘FLNG装置位于马来西亚沙捞越海上;另一艘位于澳大利亚Browse盆地,离岸200公里,实际作业水深250米,其长度488米,宽度74米,年生产能力LNG360万吨,LPG40万吨,储存能力43.75万立方米)。未来有越来越多的FLNG装置投入运营,推动海上边际气田、远海气田和深水气田的高效开发。

8.海域天然气水合物安全高效低成本开发技术

全球海域天然气水合物资源量巨大,经过长期的技术研发,中国、日本等国已成功试采,未来十年将有越来越多的国家进行试采。中国、美国、日本、印度、加拿大、德国、法国、英国等30多个国家都在大力开展技术攻关,以期实现天然气水合物的商业开采。商业开采海域天然气水合物面临的最大挑战一是成本问题,二是安全环保问题。为解决这些问题,需要应用一系列的颠覆性技术装备。浅表层天然气水合物将主要应用铰吸法进行开采,埋藏较深的天然气水合物将应用钻井法进行开采。

开采天然气水合物的井在海底以下的深度不会超过1000米,如用当今的大型浮式钻井装置(钻井船或半潜式钻井平台)及大型钻机,则实属大材小用,极不经济。因此,为降低钻井成本,必须应用成套的安全高效低成本技术装备,比如定制的小型浮式平台、复合连续管钻机、连续管钻井、复合材料隔水管等,甚至实施无隔水管钻井。

天然气水合物的商业开采将开启一个崭新的时代——天然气水合物时代,届时天然气水合物将成为全球天然气产量的重要接替资源。

9.压缩感知地震勘探技术

油气勘探目标日益复杂化,对地震数据精细化要求不断增加。高密度地震数据采集可满足地震信号的采样需求,但生产成本过高。基于压缩感知理论的地震数据高效采集方法,突破了奈奎斯特采样定理的限制,是地震采集实现降本增效的一个重要方法,将推动同步震源混采技术的快速发展,同时带动相应的数据处理、成像技术的发展。

陆上、海上同步震源混合采集快速发展,为地震采集降本增效奠定了基础,BP、斯伦贝谢、东方地球物理公司在同步震源混合采集方面取得了重大技术进展。康菲公司在压缩感知地震采集、处理和成像方面进行了多项研究,并开发出了一套关键的集成技术系列,即压缩地震成像(CSI)技术,其中主要包括非规则优化采样(NUOS)技术、混源采集技术、数据重建技术等,并完成了商业应用。应用结果证明,CSI技术在满足处理、成像、AVO分析的基础上,大大提高了采集效率,缩短了施工周期。在阿拉斯加陆上可控震源地震勘探项目中,利用NUOS采样方法,克服了季节、环境的限制,大幅提高了采集效率,经过数据重建与数据处理,获得了高分辨率图像。

10.人工智能地震解释技术

地震解释的速度和精度在勘探工作流程中至关重要。传统的地震解释方法越来越难以应对海量的地震勘探数据。为此,国外已经有公司开始将机器学习应用于地震解释。例如,Geophysical Insights公司利用机器学习与大数据分析进行地震属性分析,将地震多属性分析机器学习技术应用于薄层解释等方面,减少地震解释的不确定性,推动定量解释的发展。2017年,帕拉代姆公司开始了基于机器学习的地震解释技术的应用,用多层神经网络做岩相预测。该公司开发了用于岩相分类的机器学习算法,并嵌入SeisEarth解释平台,通过概率的方法得到岩相数据体来描述岩相类型和分布。这种方法运行速度快,减少人力,能够在量化不确定性分析时减少猜测,提供更加稳定的油藏描述结果。应用岩相分类的机器学习算法对美国以外地区二叠纪地层数据进行分析,获得了由各类岩性组成的3D地质体。基于人工智能技术的地震解释,充分利用海量数据,通过大数据分析,大大缩短模型处理的时间,改善地震道属性的实时计算以及复杂地区盆地的视觉分析,获得更精确的地下信息,提高钻探成功率。

11.弹性波成像技术

使用弹性波方程延拓后得到的多分量波场包含纵波信息。弹性波成像技术作为基于弹性波理论的地震勘探技术的重要分支,是近些年地球物理领域研究重点。弹性波成像技术可以分为两类,一类以标量波场理论为基础;另一类以矢量波场理论为基础,矢量输入、输出,可以更好地保证地震资料的原始信息。弹性波成像技术目前仍处于理论研究阶段,近几年弹性波逆时偏移等研究不断深入。

弹性波成像技术是改进弹性波全波形反演及成像的效果,为储层预测提供更加翔实的资料,并将推动基于弹性波理论的矢量地震勘探技术的发展。研发矢量信号处理、矢量噪声压制、纵横波联合初始速度建模等关键技术,改进弹性波全波形反演及成像的效果,实现九分量地震资料处理能力是今后研究重点。以三维弹性波正演为突破口,与高性能计算技术深度结合,可以大幅提升弹性波全波形反演和成像的效率与精度。

12.随钻前探/远探技术

随钻前探/远探技术有利于随钻油藏描述和随钻地质导向,有利于及时识别前方的“甜点”及储层边界,有利于及时调整井眼轨迹和钻井工程参数,更好地引导钻头钻达“甜点”,提高储层钻遇率和单井产量。随钻前探技术主要包括随地震前探技术和随钻方位电磁波前探技术两类,随钻声波前探技术尚处于研究阶段。2016年斯伦贝谢推出的EMLA样机前探距离达到30米。随钻远探技术可以探测井筒周围数十米距离内的流体、油藏边界,提供随钻油藏描绘、地质导向功能。2015年斯伦贝谢推出GeoSphere服务,探测深度达30米,与包括SpectraSphere井下流体分析服务在内的整套随钻测井技术以及地表测井技术结合使用,可产生了一个真正的油藏结构与流体测绘图,有利于优化井位,最大化油藏接触,改善油田开发方案。2018年哈里伯顿推出的EarthStar服务,将探测距离提高到了61米。展望未来,随钻前探/远探技术将探测得更多、更准、更远、更快,在随钻油藏描述和随钻地质导向方面将发挥更大的作用,并成为未来智能钻井、智能油田的重要组成部分,进一步提高单井产量,降低吨油成本。

13.光纤测井技术

光纤材料具有抗电磁干扰、抗环境噪声、电气绝缘性及自身安全性等特点,广泛应用于井下恶劣环境中的储层参数测量。用于油气井监测的光纤传感技术主要有:分布式温度传感、分布式应力传感和分布式声波传感,它们处于不同的发展阶段。其中,分布式温度传感器最成熟,已经有近20年的井下应用历史。

除分布式传感器,单点光纤温度和压力测量已经商业化应用,分布式压力传感器还处于开发阶段。

未来的油气井检测将因光纤技术的进步而发生重大改变:在井的全生产周期内沿井筒进行连续测量,实现永久性监测;即使在恶劣环境下,也可以提供全面的井下生产数据;在不影响油气生产的前提下,降低探测气、水突破,识别套后窜流,探测泄漏,检测各种管柱及完井设备的完整性。

光纤测井技术的应用有利于促进智能完井、数字油田的发展。

14. 耐超高温井下仪器及工具

为应对井下高温高压,需要使用耐高温高压的井下仪器、工具和材料,比如MWD、LWD、近钻头地质导向仪、井下电池、钻头、钻井液、导向工具、固井水泥、井下管材、完井工具等等。随着技术的进步,井下工具、仪器、材料的耐温耐压能力持续提升。例如,国外MWD/LWD、旋转导向钻井系统、 螺杆钻具的最高耐温能力已分别达到200摄氏度、200摄氏度、230摄氏度,钻井液的最高耐温能力已达260摄氏度左右。

未来十年,随着石墨烯等新材料的引入以及封装、冷却、绝缘等技术的发展,井下仪器、工具的耐温能力将整体超过230摄氏度,甚至有望达到300摄氏度,将有力推动深层超深层油气勘探开发和高温地热开发利用。

15.智能钻井

未来的智能钻井主要由智能钻机、井下智能导向钻井系统、现场智能控制平台、远程智能控制中心组成,它们构成一个有机的整体,实现闭环控制。具有机器学习能力的智能钻台机器人和智能排管机器人将取代钻台工和井架工,实现钻井作业的少人化。司机也能从复杂的操作中解放出来,现场智能控制平台将代替司机完成所有操控,司机不必长时间坐在操作椅上,只是在一些特殊情况下才接管现场操作。地质导向、井下事故处理等关键作业,可由远程智能控制中心的智能控制平台完成,从而实现操作的远程化。

在未来超级钻头的配合下,未来的智能钻井将推行水平井超级一趟钻,即表层井段一趟钻,余下井段一趟钻,有望大幅度降低钻井成本。国外已有油服公司和科创公司陆续推出钻井相关智能产品。预计2025年钻井进入智能钻井初级阶段,开启智能钻井新时代。未来的智能钻井不是现有技术的简单升级,而是钻井技术的一次全方位深刻革命。对钻井业和钻井人产生深刻影响,大幅度提升钻井效率、质量和安全性。

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