透视石油工业的十大技术

近年来，随着世界经济形势动荡，油气工业持续保持快速发展，非常规油气以及极地、深水和盐下等区域的难采资源逐渐“登场”并扮演重要角色，开始改变世界能源的供应格局和发展趋势。技术进步成为其中最重要的驱动力量，尤其是一些关键技术的创新和突破，是实现油气资源解放、缓解全球能源供应矛盾的重要支撑。《石油商报》特邀中国石油经济技术研究院专家团队提出了对当今世界石油工业发展起到重要影响的十项关键技术，希望能对我国石油科技发展有所借鉴。1连续型油气聚集理论及非常规储层实验分析技术伴随着非常规油气成为全球油气勘探的热点，连续型油气聚集理论和非常规储层实验分析技术研究取得突破性进展，加快了北美致密油、致密气、页岩气等非常规油气勘探开发的进程，极大地推动了全球油气勘探的战略转型。连续型油气聚集理论的核心成果是：（1）指出了连续型油气藏有两个关键标志：一是连续分布，大规模致密储层普遍含油气，无明显圈闭与油气水界限；二是非浮力成藏，持续充注，油气聚集不受水动力效应明显影响；（2）明确了连续型气藏与传统意义的单个常规圈闭油气藏在形成机理、分布特征和评价技术上有本质区别，它们主要受储集层的孔喉直径、孔隙度、渗透率以及烃源岩的残余有机质含量、热演化程度、源储压差等因素的控制；（3）揭示了连续型油气藏在油气运移方式、聚集作用、分布规律等方面的基本地质特征。在连续型油气聚集理论取得进展的同时，非常规储层实验分析技术也取得了重大突破。美国推出一种能够有效解决非常规储层表征、模拟及监测难题的数字岩石物理技术，该技术是基于高分辨率纳米CT扫描系统与FIB扫描电镜的一种纳米级实验方法，具有超高分辨率、实现三维可视化展示、受样品限制小、分析测试时间短、效率高等特点。数字岩石物理技术一经推出就受到业界关注，成为非常规油气储层微米—纳米级孔喉结构研究的关键。这些理论技术的突破，推动了油气勘探从常规向非常规的战略转变，开辟了页岩气等非常规油气勘探的战略新领域。连续型油气聚集理论与非常规储层实验分析技术具有很好的前瞻性和推广应用前景，是非常规油气勘探的关键理论技术。2水平井钻井及分段压裂技术水平井钻井及分段压裂技术的规模化应用是近十几年来影响石油工业的重大关键技术之一。直井向水平井的转变在大幅增加泄油面积的同时提高了单井产量和储量动用程度。水平井分段压裂技术的应用，又使单井产量再上新台阶。目前，国外已形成较为完善的适应不同完井条件的水平井分段压裂技术。这项技术的成功实施有两个要素：一是控制作业成本。北美非常规油气开发经验表明，降低水平井钻井及分段压裂作业成本的一种重要做法就是“工厂化钻完井”作业模式，即多口井从钻井、射孔、压裂、完井和生产整个流程都是通过一个“中央区”完成，大幅降低了钻完井成本、缩短了作业周期。二是保证压裂质量。在水平井分段压裂作业的同时进行微震监测，是保证压裂质量的重要做法。通过微震监测，不但可以在压裂过程中实时获取井下信息（裂缝的方位、高度、长度、复杂度等），还可以实时优化压裂程序。近几年，水平井占新钻井数的比例越来越大，水平井分段压裂技术的应用范围越来越广，压裂段数也越来越多。水平钻井及分段压裂技术已经成为页岩气、致密气、致密油等非常规油气开发的核心技术。水平钻井及分段压裂技术进步和规模化应用大幅度提升了页岩气、致密气、致密油等非常规油气的产量，还由此改变了美国的能源格局，掀起了世界非常规油气勘探开发的热潮。3综合油藏描述技术20世纪90年代以来，油藏描述成为一门综合性较强的应用技术，进入到数字化精细油藏描述的发展阶段，能够把地质、地震、测井、生产测试及计算机技术融为一体进行综合分析，为油气田勘探开发提供了新的研究手段，并逐步实现了从宏观到微观、从定性到定量、从二维到三维、从静态到动态的过渡，其核心是实现高精度储集层预测、定量刻画油藏内幕。油藏描述理论通常要通过相应的油藏描述软件来实现，目前国内外比较主流的软件有Gocad、GeoFrame、Openworks、Petrel、SKUA、GeoEast和PG勘探开发一体化平台等，这些软件具有全三维建模功能，可以提供多学科的综合平台，进行多学科综合运用和集成化项目数据管理，提供高精度的地震解释数据，进行高分辨率处理、复杂地表、低信噪比地区资料处理。近年来油藏描述成像技术进展迅速，典型的多孔介质微纳米CT成像技术是一种无损伤的三维成像技术，不但可获得足够分辨率的多孔介质微观孔隙结构三维图像，而且还可以现场实时监测孔隙中流体的渗流状态，目前在多孔介质孔隙结构及渗流机理研究中得到广泛应用。微米—纳米CT成像技术提供了较好的分辨率，来识别孔隙空间中原始和残余流体的分布，孔隙内部流体形态及配置关系能被清晰识别，这对提高石油采收率技术的研究是非常重要的。数字化精细油藏描述提供了认识油藏的技术方法，为数字油藏的实现提供了思路和手段，是已开发油田挖潜剩余油、提高采收率、保障稳产的重要技术支撑。4三维地震技术20世纪70年代开始的三维地震勘探方法的实际应用，在地震勘探的发展史上树立了一个里程碑，使地震勘探向更深入、更科学的方向发展。三维地震主要在地下条件更复杂的地区，或地表难以进行二维地震勘探的地区采用，可以大大改善记录质量，提高信号的清晰度和分辨率，从而提高解决地质问题的能力，能更准确地确定油气田的位置。21世纪以来，三维地震勘探技术主要朝着提高勘探效率、降低勘探成本的方向发展。数字检波器、可控震源的应用，扩大了地震数据采集装备带道能力，实现了单点激发、单点接收、高密度、宽方位/全方位的三维地震数据采集，加上高性能计算技术使地震成像技术、数据处理解释一体化、可视化快速发展，提高了三维地震数据质量和地震资料分辨率，加强了三维地震技术解决盐下、玄武岩下等复杂地质问题的能力，大大提高了钻井成功率，同时降低了勘探成本，提高了勘探效率。此外，在页岩气勘探开发中，三维地震技术也显示出巨大的应用价值。高质量的三维地震数据能够详细描述局部、微小构造信息，识别页岩储层复杂的裂缝、断层，优化钻探设计，避免钻井危害，降低钻探风险。高精度三维地震勘探获得的信息量丰富，地震剖面分辨率高，发现了许多重大油气发现，为保证全球油气持续增储上产做出了巨大贡献。多数石油公司认为，三维高分辨率地震技术的广泛应用，使全球探井成功率达到70%。20世纪90年代开始应用的四维地震是三维地震的延续，使三维地震技术应用到油气开发领域。四维地震监测技术的使用，明显改善了油藏管理，不仅降低了油田开发生产成本，也使油藏采收率大幅提高，同时在确定剩余油分布方面发挥了重要作用。5随钻测井技术随钻测井是利用钻铤内设置的测井仪器，在钻进的同时实时测量岩石物理参数，并用数据遥测系统将测量结果实时送到地面处理，主要应用于钻井工程优化和地层评价。随钻测井在钻井的同时完成测井作业，减少了井场钻机占用时间，节省了成本。在某些大斜度井或特殊地质环境(如膨胀粘土或高压地层)钻井时，电缆测井困难或风险加大以致于不能作业，随钻测井是唯一可用的测井技术。随钻测井是测井、钻井、机械、电子等专业知识和技术的综合应用。经过20年的快速发展，随钻测井能够完成基本岩石物性分析所需的全部测量，包括随钻电、声、核测井系列，随钻地层压力、随钻核磁共振测井以及随钻地震等。斯伦贝谢、贝克休斯、哈里伯顿等公司都已开发出成套随钻测井装备。目前，国外随钻测井技术比较成熟，已成为油田工程技术服务的主体技术之一。全球随钻测井业务不断增长，尤其是在海上钻井中几乎100%使用随钻测井，应用前景十分广阔。(供稿中国石油经济技术研究院)6旋转导向钻井技术为了提高单井产量和油田采收率以及高效开发非常规油气资源，未来复杂结构井将越来越多，井型将越来越复杂，对定向钻井技术提出了更高的要求。常规的导向钻井技术已无法满足提速和精确控制井眼轨迹的要求。上世纪90年代，国外在自动垂直钻井系统的基础上推出旋转导向钻井系统（RSS），掀起了定向钻井技术的一场革命。RSS是在旋转钻进的同时实现导向功能的定向钻井工具，由地面系统和井下系统组成。地面系统包括信号采集系统、处理解释系统和指令系统；井下系统由随钻测量/随钻测井系统（“眼”）、电子自动控制系统（“脑”）和自动导向工具（执行机构）组成。RSS的主要特点是：旋转导向、连续导向、双向通讯、实时监测、实时可视化。由于实现了旋转钻进，RSS比传统的滑动导向工具井身轨迹控制精度更高、位移延伸能力更强、井眼净化效果更好、卡钻事故更少、机械钻速更高。RSS可以将几何导向和地质导向功能集为一体，使定向钻井既可依据工程参数进行几何导向，又可依据地质参数进行地质导向，根据实时监测到的井下情况，引导钻头在储层中的最佳位置钻进。高端RSS还可进行闭环控制，实时自动调整钻进方向，实现在不起钻的情况下沿修正的井眼轨迹钻进。自投入工业化应用以来，经过短短20年的发展，RSS的服务收入以36.6%的复合增长率实现增长，在定向钻井服务中的市场份额从2000年的5%增长到2011年的30%。如今，旋转导向钻井技术已成为海上和陆上各种类型复杂结构井（水平井、大位移井、多分支井、三维多目标井、薄产层井）的重要钻井方法，并在非常规油气资源的开发中发挥了重要作用。随着RSS技术的不断发展，RSS市场的不断扩展，服务价格必然走低，钻井界普遍认为其应用前景极好，将成为未来复杂结构井的一种常用钻井方法。7控压钻井技术钻井过程中遇到的塌、漏、涌、喷、卡等问题，大部分跟井下的压力系统失衡有关。为减少井下复杂情况，减少非生产占井时间，提高钻井效率和安全性，国外于21世纪初在欠平衡钻井和气体钻井的基础上发展了控压钻井技术（MPD）。控压钻井是一种控制井身环空压力剖面的自适应钻井方法，其目的是确定井底压力安全窗口，并相应地调节环空压力剖面。该技术利用封闭、承压的钻井液循环系统或者欠平衡钻井装备，通过控制钻井液密度、当量循环密度、套管回压等参数，随钻控制进入井眼的流体，防止井下复杂问题的发生，避免通过加重钻井液来解决这些问题。近几年，控压钻进技术发展很快，国际大型油田技术服务公司相继推出了能够实现闭环控制的控压系统，比如威德福公司的精确控压钻井系统、哈里伯顿公司的自动节流控压钻井系统、斯伦贝谢公司的动态环空压力控制系统，使控压钻井进入了自动精细控制精度和效率，也极大地推动了控压钻井技术在陆上和海上钻井中的应用。在BP墨西哥湾漏油事件之后，业界对钻井安全性提出了更高的要求，通过实施控压钻井提高钻井作业的安全性尤为必要。控压钻井是钻井方式和井控技术的一次重大突破，已成为解决塌、漏、涌、喷、卡等井下复杂情况的有效手段，并成为解决窄密度窗口难题的关键技术，可显著提高钻井作业的效率和安全性，实现高效钻井和安全钻井。随着技术的不断进步，控压钻井的应用范围和规模将不断扩大，应用效果将更加显著。8深水油气勘探开发技术和装备深水油气资源是一种存在于非常规环境中的常规资源，全球深水油气资源非常丰富，探明率低，被认为是未来油气生产的重要基地。技术装备是深水油气勘探开发这一系统工程的关键，美国、挪威、巴西等国都高度重视其核心技术装备的发展，有针对性地制定计划，投入大量人力物力，进而推动本地区乃至全球的深水油气勘探开发。深水油气勘探开发技术和装备技术含量高、建造价格高，其发展速度和质量决定着深水油气勘探开发的快慢和成败。其主要包括深水油气地震勘探技术和装备、深水钻完井技术和装备、深水浮式生产装置、海底生产系统、深水工程技术装备等。深水地震船是深水油气勘探的重要装备，多数采用拖缆作业方式，兼做二维和三维数据采集，少数采用OBC采集方式，能够采集多分量（4C）地震数据。高温高压钻完井技术和装备能够在在超高温、超高压、强腐蚀的环境中可靠而稳定工作，双梯度钻井技术等海上专有钻井技术已经在各海域应用；半潜式钻井平台已经发展至第六代，深水钻井平台和钻井船都实现动力定位，装置自动化程度高，最大作业水深已超过3000米。深水浮式生产装置向多功能多样化发展，浮式生产储油卸油系统、半潜式平台生产系统、张力腿平台生产系统和Spar平台生产系统等是主要装置，LNGFPSO、LPGFPSO等各种功能性装置不