过去十年和未来二十年最具影响力的上游技术

原创 暗潮  2008-11-01 10:08:29  阅读 332 次 评论 0 条
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摘要
    本文描述了未来二十年最具影响力的技术。全球对能源的持续需求增加了对传统油气资源的需求。这种增长对油气工业带来了不可忽视的挑战。几家公司已经宣布了未来几年的野心勃勃的扩张计划。然而。需求的增长将是一个长期现象,因此必须要开发新技术,来有效的发现、开发和开采油气资源。
    本文主要描述了在过去十年中最具影响力的技术,即三维地震、水平钻井和地质导向技术。每一个技术对石油工业都有着意义深远的影响。作者还描述了在未来可能最具影响力的技术,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(gigacell)技术、智能流体技术、仿生井技术和纳米机器人技术。尽管大部分技术还只是一种梦想,得到这种想法已经迈出了很有意义的一步。
一、未来的挑战
    全球对能源的持续需求增加了对传统油气资源的需求,这促使石油工业尤其是上游部门更加关注新技术。据美国能源信息管理局2005年统计,全球目前对能源的需求很高,并而且,这种需求在接下来的几十年里预计将以每年2-3%的速度增长。能源信息管理局2006年统计,未来二十年世界能源的用量将增长50%。
     尽管替代能源(例如核能和再生能源)可以补充供应,预期的增长也会有所变化,但是这些不会产生大的影响,全球持续增长的能源需求仍然依赖传统的油气资源,满足这些需求将该业界带来巨大挑战。
二、迎接挑战
    世界各大石油公司争相加强努力来迎接能源需求带来的挑战,整个石油工业投入了巨额资金。例如:沙特阿美石油公司正在增加其稳定生产能力(sustained production capacity),到2009年底将增加20%,达到1200万桶/天;据埃克森美孚公司总裁Tillerson2007年讲,在过去5年为此花费了820亿美元,未来几年还将有一个较大的投资项目;巴西石油公司目前正进行一个870亿美元的商业计划;其他石油公司也同样投入了大额资金。因此,预计在未来几年将会增加石油产量。
    然而,这些增产计划只能满足中期的需求增长,全球需求增长是一个长期现象。因此,全球需要的不只是增大供应,还需要大幅度提高效率,凭此可以发现和开发新的油气资源油气资源。例如沙特阿美石油公司已经宣布了长期的计划来应对需求增长。
    沙特阿美公司目前仍有2600桶的可采储量,约占全球常规储量的四分之一。该公司计划在未来20年内,将探明原油储量增加25%,通过改进开采方式和提高采收率将主要生产油田的采收率提高20%,届时很多油田的采收率将高达70%。为了达到计划目标,必须开发和应用新的技术。
三、过去最具影响力的技术
    过去十年在常规资源的勘探开发领域中最具影响力的技术当属三维地震技术、水平钻井技术和地质导向技术,这些主要是指应用于中东常规资源的技术。
1、三维地震技术 3D-Seismic Data.
    地震资料从20世纪20年代开始应用于折射法勘探,之后的几十年反射法勘探更为流行,20世纪70年代三维地震技术的出现使地震资料的应用达到顶峰,彻底改革了资源的勘探和开发方式。现今,三维地震采集技术成了全世界油藏模拟和油田开发的支柱技术。
2、水平钻井技术 Horizontal Drilling.
    水平钻井的起源可以追溯到1891年,1929年美国能源部在德克萨斯州钻出了第一口真正的水平井。20世纪50~60年代,苏联和中国先后钻出了水平井但是成本较高。到了80年代,随着井下钻进马达等工具的出现,水平钻井技术变得经济可行,各大石油公司纷纷开钻水平井。接下来的10年,水平钻井的应用增长了10倍以上。
3、地质导向技术 Geosteering.
    从20世纪80年代开始,应用双向通信技术可以将钻头放置在岩层中需要的位置,地质导向技术成为可能。地质导向技术在钻具总成中加入了传感器和电子仪器,除了为钻头定位和定向之外,还可以测量岩石物性。应用地质导向技术可以提高水平钻井效率,方便准确的将水平井定位在很薄的油层内。
四、未来最具影响力的技术 
    这里所述的未来二十年最具影响力的技术,是目前的一种梦想,然而,只有通过梦想才能实现未来目标。创造梦想的石油公司在这种未来愿景中扮演主要角色,然后和研究中心、服务公司、学术界和其它石油公司合作,来实现这些梦想。
1、极大储层接触井技术
    最大储层接触井(MRC)使一种智能的多分支井,通过分支可以在油层中延伸到距主井筒3英里远的地方。MRC井由于增加了分支,能够有效的提高产能,已经变得很受欢迎。但是,MRC井每一个分支都需要机械控制线路与井口联系,分支很有限。未来,MRC井将被极大储层接触井(ERC,Extreme-Reservoir-Contact)所代替。ERC井利用无线遥测技术控制井底阀门,井下控制模块可以向每一个阀门传输指令,因此,理论上ERC井可以拥有无限多的智能分支,每一个分支可以拥有无限多的智能阀门。
2、智能流入控制装置
    流入控制装置可以帮助作业人员优化水平井与油藏的接触方式,推迟早期水气锥进,从而增加可采储量。但是,现存的流入控制装置一旦放置在井中就没有办法调整他们的结构,因此不能对油井条件的变化作出相应。智能流入控制装置可以根据原油中的水或气体含量自动调节被控制段的流量,或者利用电力或无线控制跟被控制段相连接的井底阀。可以实时对油井条件变化做出响应。
3、智能自控油田技术 Intelligent Autonomous Fields. 
    传统的智能油田是指将所有相关的油田信息累积起来,通过实时数据采集来管理油田,通常是中央处理系统连接许多地下测试装置。然而,未来的智能油田将更先进,不仅仅是自我监控,而是朝着完全自控的方向发展。油田能够将井下储层资料和井口管理信息结合起来实时进行油藏模拟,得出最优的注采比,并向每一口井的井底控制阀发送指令来完成这些自生的生产策略。还可以时常对这些资料进行实时分析,进行有效的数据开发和控制。
4、无源地震监测技术 Passive Seismic Monitoring.
    无源地震监测技术记录储层液面细微的天然地震现象(有时被称为微震),用来推断井筒附近的断层和裂缝分布,由此绘制距离井位较远处的流动通道分布图。这种监测没有活动的震源,比如振荡器或炸药。
    该方法可以实时监测储层,有潜力成为一种监测和分析储层中流体流动的新方法,推动储层管理效率更上一个新的台阶。
5、千兆单元格(gigacell)模拟技术 Gigacell Simulation. 
    目前广泛应用的三维地震技术和高级模拟算法可以建立详细的高分辨率地质模型。然而,当这些模型被用于流动模拟时,由于现有的模拟器不能处理大量的单元格,模拟信息就会失真。这些高分辨率模型在进行模拟之前先将信号放大,由于减少单元格数量所取的模糊数据和平均数据,大大降低了分辨率。由于使用的地质模型可以将信号不经过放大直接应用,未来的油藏模拟器可以高分辨率模拟巨型油田。这种油藏模拟器必须能够处理更多的单元格,从目前的兆单元格升级到千兆单元格。该模拟器新增的能力需要依靠新颖的算法和先进的软件,创新的可视化技术能够让使用者不仅看到数据,还可以感觉到和听到数据。
6、智能流体技术 Smart Fluids. 
    智能流体是指被放入地层中自动完成特定任务的流体,例如:智能流体通过应用相对渗透率改性剂和乳化凝胶,在遇水时可以与水化合膨胀完全堵塞水淹层,遇油时脱水收缩允许油流入其他层位。首先,智能流体被用于改变近井区域地层性质,然后进入地层深处大规模改变地层性质。他们可以钻入地层以自己的方式自动工作,不需要任何复杂的部署技术,如层位封隔和连续管等。虽然目前应用的范围和取得的成功仍很有限,该技术时很先进的。
7、仿生井技术 Bionic Wells. 
    未来的仿生井就和树一样,根部可以有选择的向不同的层位生长。当仿生井的直井段钻完之后,他的智能分支向不排水的含油层延伸,当该层被水淹以后关闭该分支,再向不同的层位延伸。尽管这种想法听起来比较遥远,工业上已经取得了许多成就,如:从直井演变到水平井、多分支井;智能井底控制阀可以通过节流来关闭一些分支;井下监测和地面控制技术可以分析储层流体性质、预测见水时间。目前正朝着更加复杂井的方向发展,就像前面介绍的ERC井。
    让仿生井“自钻井”是目前的难点,但是凭借现有的连续管钻井技术、液力喷射钻井技术和正在研究的激光钻井等技术,可以逐步实现这一愿望。仿生井可以进行裸眼完井,使用粘弹性井底阀代替机械阀门,一旦遇到特定的化学剂,阀门可以改变自身流变性进行打开和闭合,来控制油井分支。
8、储层纳米机器人技术 Reservoir Nanorobots. 
    纳米机器人的尺寸是人头发直井的1%,可以随注入流体大批量进入储层。注入同时可以分析储层的压力、温度和流体类型,并将信息存入单板存储器。然后从采出液中收回机器人下载信息,获得所经过的地层的重要资料,有效的描述(mapping)地层。还可以获得实时通信和迁移率。这些机器人可以先于钻头进入地层来代替地质导向技术,或者从探井进入地层来寻找储层边界和油水界面,代替划界程序(delineation program)。
    机器人能够通过地层长途旅行完成任务,而不被孔喉捕获的最大尺寸是很重要的。目前已经可以制造出显微机器人,但是放入地层容易被井筒附近的孔喉捕获破坏地层。
    沙特阿美公司分析了850块加瓦尔油田Arab-D储层岩心塞,发现孔喉尺寸约大于500nm,为了避免搭桥,机器人的尺寸必须约为孔喉尺寸的约1/4。在加瓦尔岩心塞中注入纳米颗粒进行实验,大量颗粒从岩心塞另一端排出,使用软件模拟将纳米机器人注入岩心塞,取得了同样的效果。
9、Looking Into the Future 前景预测
    未来充满着挑战,同时也充满着机会。像三维地震和水平钻井技术已经影响了油气的勘探和开发方式。同样,像千兆单元格、仿生井和纳米机器人等新技术,将影响未来油气的勘探和开发方式。 
    当然,很可能未来一些最有影响力的技术我们还没有考虑到,这种可能性是一种更令人激动的远景。
致谢
    沙特阿美公司的勘探和石油工程中心(EXPEC)远景研究分中心
(本文摘编自:Saggaf M.M., A Vision for Future Upstream Technologies. JPT 2008 (3):54-55,94-98.)

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