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【2017 OTC】油氣亂世 唯技術革新者稱英雄(六)

【2017 OTC】油氣亂世 唯技術革新者稱英雄(六)

2017年OTC會議已過。尾聲之后,給石油天然氣工業留下的不僅是行業現狀,更給從業者留下了對未來技術發展的思考。

來自 | OTC
編譯 | 二丫

據油服貝克休斯公布的數據顯示,截至5月12日,美國當周石油鉆井總數升至712口,較上周增加9口,連續17周錄得增加。該數據已經創2015年4月以來最高水平,與美國原油產量最高紀錄僅相差2%。

根據摩根士丹利的數據,在過去一年中,如果按照頭尾凈增量進行周化平均的話,美國原油鉆機數的增量達到了7.3臺/周,超過了2009年頁巖油氣革命處于爆發期的鉆機增速,創下過去30年最高水平。

如今,與去年同期相比,油價已上漲了35%之多,對比以上公司第一季度業績不難發現,大型油企已逐漸適應了新的油氣價環境。這些可喜的業績,足以為整個油氣業新一輪的復蘇定下積極基調。殼牌、阿帕奇等石油公司第一季度業績也陸續出爐,根據分析師的預期,大多數公司也將盈利,2017年或是國內外油氣業快速增長的一年。

拋開油價的起伏,技術創新始終是從業者投入的重點,甚至將變成油氣行業內競爭的必備籌碼

GE力求改變井下傳感器技術格局

縱觀全局,在陸地和海洋開發挑戰加劇的大背景下,油氣行業對傳感器技術提高的需求是迫切的。

由于井下傳感器在油氣行業有著巨大的應用潛力,對現有技術改進帶來的緩慢進步已不能滿足GE的要求,當前GE正致力于帶來改變現有技術格局的新型傳感器。

19世紀50年代,GE開始進軍傳感器領域,目前主要有三種成熟產品:中子傳感器、伽馬射線傳感器和定向傳感器。但GE并不滿足于此,他們認為,這三種傳感器涉及的技術范圍挑戰,嚴重限制了其在傳感器領域的研發潛力。

在三種傳感器中,伽馬射線傳感器在上世紀70~80年代就已投入商業應用,目前最常見的伽馬傳感器材料是一種名為碘化鈉的鹽晶。該種傳感器應用性能良好,但也存在一定的弊端。首先,在高溫環境中,伽馬傳感器性能會“打折”,其信號輸出強度會降低40%左右,而在鉆井過程中通常會鉆遇高溫地層,因此傳感器信號變差,降低鉆井效率和準確性,因此碘化鈉型傳感器在高溫環境中并不適用。

其次,碘化鈉的另一個缺點是密度較低,傳感器材料密度越大,數據的傳輸速率就越高,測量準確性就越高,操作精確性也隨之提高。即使操作人員對現有碘化鈉傳感器準確性滿意,更高精度傳感器(如緊湊型)在工具優化方面的優勢確不可忽視。碘化鈉的衰減時間過長,限制了其在復雜測量系統中的應用,如碘化鈉傳感器無法分辨中子脈沖檢測中彈性接觸與非彈性接觸的區別。

為了解決碘化鈉材質傳感器的缺點,GE開發了一種新型材料—鹵化鑭,該材料在復雜鉆井環境中耐用性更強,數據準確度更高,光輸出速率更快。新型鹵化鑭材料由GE油氣、GE醫療、GE安保(前)以及GE全球研發中心共同開發,在新型鹵化鑭面世前,類似性質的材料已經在某些領域取得了應用,GE在原有技術的基礎上對材料的化學組成進行了優化,提高了材料的光輸出性能和信號分辨率。

然而,鹵化鑭材質的傳感器成本高達5萬美元,油氣公司在如此高的價格面前非常猶豫,尤其是在復雜作業中,還存在著傳感器失效、作業終止的風險。除了價格因素外,在作業過程中可能由傳感器失效誘發的停工時間也是油氣公司的關注點之一。以往的作業中,尤其是海洋油氣開發作業,開發商通常要為非預期停工付出上百萬美元的成本。為了提高新型傳感器的耐用性,GE在過去的兩年中進行了大量的測試,包括將鹵化鑭傳感器應用于最復雜、苛刻的井下環境中,新型傳感器的耐用性、穩定性已經完全能夠滿足用戶的要求。

為了解決高溫、高壓作業中傳感器的穩定性問題,GE更換了伽馬傳感器中的傳統光電倍增管。光電倍增管是一種傳統的傳感器元件,主要利用雙堿陰極和放大倍增管檢測光波信號,之后將其轉化為電信號,該技術對高電壓的依賴性極高,而且隨著溫度升高、使用時間延長其穩定性會大幅降低,這在很大程度上限制了傳感器的應用范圍和使用壽命。為此,GE開發了SiC光檢測器,其運行電壓更低,可穩定性更高,在230℃高溫下的穩定性是傳統檢測器的3~4倍。SiC光檢測器的研發成功得益于GE全球研發中心和GE動力研發部門在SiC發電設備、火焰檢測測試中的工作和經驗。

除伽馬傳感器之外,GE在提高定向傳感器反面也做了很多努力。定向傳感器技術在近幾十年中幾乎原地踏步,進展緩慢。受設計水平限制,定向傳感器對電磁干擾非常敏感,限制了其在鉆井管串、電纜測井中的應用。同樣,由于其易受電磁干擾,定向傳感器在磁性物質存在的井中都不能使用(例如臨井有套管存在時,定向傳感器不能使用)。最后,由于傳感器設計存在缺陷,該類傳感器的信號頻率也很低,在使用新的鉆井管串或泥漿泵關閉的情況下,定向傳感器只能每間隔90ft提供一個信號。

為了彌補以上缺點,定向傳感器必須使用特制的隨鉆陀螺,造成作業時間和成本增加。GE的新型技術避免了隨鉆陀螺的使用(該技術最初為GE航空分公司設計使用),可以集成到現有定向傳感器設計中,可以節省作業時間1~2天/井,降低成本2萬美元/井。通過新技術對傳感器進行改裝后,傳感器的穩定性將提高2倍,同時可以進行全程、連續監測(而不是每隔90ft監測一次),數據更準確,從而使更小的井間距成為可能,提高油藏采收率達40%。

頁巖開發的迅速發展,促進了GE提高傳感器技術水平方案的制定。其中,提高鉆進速率是GE計劃內容之一。在2009年,每口井的鉆井時間約為15~20天,而隨著技術的進步,現在鉆一口井只需5天左右。隨著鉆進速率的迅速提高,井下工具承受的振動更加劇烈,而GE的每一款新型傳感器都能滿足在劇烈振動、高溫條件下的穩定性和準確性。

膨脹封隔器技術攻克緩慢膨脹難題

膨脹封隔器所受青睞無需多言,消除技術短板,是眼下當務之急。

膨脹封隔器技術是極少數在出現后短時間內就被油氣行業接受的技術之一,從其出現至投入應用,時間跨度約為15年。得益于該技術的迅速發展,目前,數以千計的膨脹封隔器已經投入了應用。最初,膨脹封隔器只用于稀油油藏中水平井段的隔離,一般封隔器之間安裝有割縫襯管、防砂篩管、流入控制裝置(ICD)等。除了遇油膨脹封隔器,遇水膨脹封隔器也得到了推廣,主要用于非水泥注入完井的隔離作業。

膨脹封隔器技術自出現以來,很快就被油氣行業接受,并進行了大量的應用。其中水平井多級壓裂作業中,膨脹封隔器的應用最為廣泛。此外,使用膨脹封隔器進行井筒完整性測試也是其主要用途之一。在此類應用中,膨脹封隔器主要用于輔助水泥固井,提高固井完整性和使用壽命。

相比于常規封隔器,膨脹封隔器具有一些獨特的優點,這也在一定程度上促進了該技術發展和應用。例如,膨脹封隔器的安裝過程簡單,由于膨脹封隔器是通過橡膠與井下液體發生接觸引發的膨脹坐封,所以通常不需使用作業管串、控制液壓來完成坐封。封隔器的橡膠與井下液體接觸時,會發生一定的化學反應,密封橡膠會逐漸膨脹,最終完全填滿套管-油管之間縫隙,達到密封的目的。當然,膨脹封隔器的使用也存在一定挑戰,主要在于控制封隔器膨脹速率、平衡膨脹速率與其他作業進程等。

顯然,封隔器的膨脹速率也不能太快,以防止封隔器與井壁、井下液體的不良接觸降低密封完整性。然而,目前看來,實際作業時,很少會因封隔器膨脹過快而影響后期生產。在絕大多數的應用中,膨脹過快都可以通過其他方法控制。目前,膨脹封隔器應用的最大難題主要是由井下環境較差引起,導致封隔器膨脹緩慢,坐封時間太長。

封隔器膨脹緩慢通常與井下溫度過低有關,在低溫條件下,原油較重、粘度較大,遇油膨脹型封隔器的膨脹受到影響,在此類環境中,可通過改變封隔器密封橡膠化學成分解決問題。

與此原理相同,遇水膨脹型封隔器在低溫環境中膨脹速率也會下降,但其原因卻與上述不同。遇水膨脹型封隔器膨脹速率降低,通常是由井下液體中礦物含量過高引起,這些礦物元素通常來自完井液或地層水,常見元素如Na、K、Ca、Cl等,一般來說,礦物含量越高/水鹽度越大,封隔器膨脹越慢。

通常在高溫情況下,尤其是在溫度高于250℉的應用中,膨脹封隔器的坐封速率還能符合要求,但這也與井下液體的化學組成有關。相對于遇水膨脹型封隔器膨脹誘因單一,化學誘發型膨脹封隔器應用更靈活,其密封橡膠成分可根據井下液體情況進行改善,從而優化膨脹速率,降低坐封時間。

為了克服膨脹速度慢為封隔器帶來的應用束縛,TAM公司推出了TAM FastSwell技術。TAM FastSwell是一種生產改造技術,可以顯著提高膨脹封隔器的膨脹速率、減少坐封時間。該技術為TAM獨家擁有,已經得到了現場應用驗證,可以應用于任何采用化學膨脹技術的封隔器中,該技術完美的利用了所有封隔器化學膨脹原理相同的特點。TAM FastSwell能夠提高膨脹速率的秘訣在于其可以增加井下液體—密封橡膠的接觸面積,從而縮短坐封時間。

采用該技術提高膨脹封隔器性能的同時,封隔器的長度及壓差均不受影響,完全不影響作業設計。通過大量的研究和測試,研發人員終于建立了一種提高封隔器-井下液體接觸面積的方式,達到加速封隔器膨脹的目的。除此之外,該技術的獨特之處在于能夠以多種方式達到接觸面積增加、提高膨脹速率的目的。根據作業要求、封隔器構造的不同,該技術可以衍生出多種實施方式,應用靈活性極強。

常規膨脹封隔器使用時需要在完井液中加入10 ppg的鹽水,以NaCl為例,鹽水的鹽度必須達到26%。而即使加入了額外量的鹽水,常規遇水膨脹型封隔器的膨脹、坐封(以5000psi密封壓力為標準)時間也要將近25天;而同等條件下,采用TAM FastSwell技術的封隔器坐封時間僅需16天,可減少約7天的等待時間,效果顯著。

當井下溫度為120°F、原油API為22°時,常規膨脹封隔器的膨脹、坐封時間為39天,而采用TAM FastSwell技術的膨脹封隔器坐封時間僅為18天。由此可見,該技術的出現使膨脹封隔器的應用性能大為改觀,面對以往膨脹封隔器不適用的復雜井況,采用該技術的封隔器也足以應對。

鑒于該技術是一種生產改造過程,所以現存的封隔器也能采用該技術進行深度改造,無疑為這些不適用于高難度作業的封隔器帶來了新生,也為生產商節約了大量的成本。

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