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关键技术创新发展对非常规能源产业发展的影响

2017-11-01饶海涛石元会

非常规油气 2017年5期
关键词:涪陵页岩勘探

魏 炜,饶海涛,石元会,龚 然.

(中石化江汉石油工程有限公司测录井公司,湖北潜江 433123)

关键技术创新发展对非常规能源产业发展的影响

魏 炜,饶海涛,石元会,龚 然.

(中石化江汉石油工程有限公司测录井公司,湖北潜江 433123)

随着中国经济增速的放缓以及石油产业新常态的行业困境不断蔓延,科学的勘探开发投资、精细化的管理以及低成本的运营模式已经成为各大石油公司积极应对寒冬期的一致选择。但是众多公司对科研的投入并未明显降低,究其原因正是在以石油、天然气为主体的矿产能源结构中关键技术的突破和发展不仅能够大幅降低勘探开发成本,减轻企业经营压力,甚至对相关产业布局以及能源结构的调整都会产生深远影响。本文以近年来国内非常规能源发展的代表作即涪陵页岩气田的大开发为例,从地质和工程等领域多种关键理论和技术的创新突破入手,对企业开发经营和行业发展进行深入探讨,认为关键技术的进步和创新对非常规能源的发展具有深远的影响。

关键技术;创新;非常规能源;页岩气

能源的发展和利用已经成为世界各国的核心战略议题之一[1],如何实现能源的合理开发、高效利用以及绿色环保可持续,成为人类社会发展所面临的客观问题。中国近年来新发现的油气资源中,低孔、低渗、低丰度油气藏所占比例越来越高,油气资源劣质化的现实已经不可改变,各种隐蔽油气藏、非常规油气资源的勘探开发对从业人员的科研技术水平、工程施工质量、规划经营管理以及产业资金投入,都提出了更高的要求。

中国石化一直以来高度重视非常规能源的发展,在2009年开始进行页岩气勘探,先后经历了选区评价、钻探评价和产能评价3个阶段[2-3],到目前为止页岩气已经进入了商业化开采,技术装备水平和产能建设都走到了国内前列。涪陵页岩气的勘探突破和成功开发是技术理论创新和管理创新共同作用、相互融合的结果,其中的核心则是关键技术的创新发展和突破。

1 技术创新对勘探开发方式的变革

在同一盆地的不同核心区,控制页岩气富集的地质因素是不同的,因此针对不同的页岩气储层所采取的钻探模式和开发方式也会有所不同[4]。笔者在吸取国外页岩气成功开发的经验基础上,结合中国在多期旋回的构造和沉积过程中广泛发育了海相、陆相、过渡相多套富有机质泥页岩的地质特征,在分布模式和富集机理上做了大量的研究工作,提出了页岩气的富集成藏理论和具有区域适应性的气藏研究方法和评价标准,进一步加深了对页岩气藏的地质认识,打开了非常规能源的勘探开发局面。在工程施工方面,依托设备的研发和工艺的进步,优化了钻完井、测录井和储层改造等工程技术,淘汰了高成本、低效率、劳动力密集的施工模式,提高了气田的整体开发水平和物质利用率。

1.1 地质理论重新认识

页岩气作为一种非常规能源,其地质特征与常规油气藏相比存在着巨大的差异。通过开展页岩气形成条件研究、富集主控因素分析并结合勘探实践,提出了四川盆地海相页岩气富集高产的“四元富集成藏”理论:一是深水陆棚相优质页岩具有高有机碳和高硅质的特征,高有机碳代表着丰富的物质基础,高硅质含量意味着极大地提高了储层的可改造性;二是伴随着有机质热演化的生烃阶段发育了大量的有机孔,与粒间孔、粒内孔以及微裂缝等无机孔缝共同形成了有利的储集空间(图1);三是主力气层段有机质热演化程度较高,普遍存在着异常高压(图2),较高的地层压力系数往往意味着良好的保存条件和丰富的物质基础,是气井高产的重要原因之一;四是一定厚度的泥页岩储层和优质的顶底板及侧向封堵条件,构成了良好的空间叠置关系,形成了流体封存箱式储集模式。

图1 A井电镜微观结构图Fig.1 Microstructure diagram of A well electron microscopy

图2 录井地压检测图Fig.2 Log formation pressure test diagram

基于对“四元富集成藏”理论的认识,明确了页岩气连续成藏、自生自储的基本地质特征。通过开展区域地质构造研究,精细化气藏描述,对页岩气藏的构造类型、地化特征、储集性能、岩石学特征、工程敏感性参数等做了全面的分析和评价,获得了优质目标层段和有利“甜点区”,并提出了科学合理的产建方案。页岩气田的大开发直接受益于对地质理论的重新认识,也为以页岩气为代表的非常规能源的勘探开发及合理利用提供了宝贵的经验和理论支撑。

1.2 工程依托突破瓶颈

以地质为基础,以工程为依托,是涪陵页岩气田成功开发的关键。通过对外引进和自主研发相结合,在工程技术领域形成了一系列优质的特色技术。

针对涪陵页岩气田的地质特征开展了优快钻井工程技术的公关研究,通过优化钻具组合,使用空气钻、泡沫钻、清水钻、PDC+螺杆复合钻等水平井钻井技术,大大缩短了钻井周期;通过优化井深结构设计对钻遇溶洞、裂缝等复杂地质情况进行有效的风险防控;通过合理选择钻井液体系,尤其是三开后水平段采用油基钻井液施工,把对地层的伤害控制在最小,在平衡地层压力的同时保证了井壁稳定,大幅度降低了井下复杂事故的发生概率。

在测录井施工服务和解释评价方面为适应页岩气藏自身的特点使用了区域录井技术,能同时对多口井的数据进行录取,并且进行实时传输和一定范围内的数据同步共享;成功研发了大驱动力的牵引器(图3a),克服了井眼弯曲使测井仪器难以下放的困难,极大地提高了测井质量和测井可靠性;通过地质录井、气测录井、地化录井与测井解释相结合,弥补了单一技术本身的局限性,完善了储层评价认识手段,尤其针对低孔、低渗、游离气吸附气并存以及高有机碳的页岩气储层特征提出了一系列的解释方法和评价标准;同时,为确保水平段在优质目的层段穿行,在大的地质构造背景下以测录井信息为基础开展地质导向(图3c),对层位进行确认和追踪,明显地提高了“甜点区”钻遇率,改善了开发效果。

为满足工程需求,提高施工效率,在页岩气藏成功实现了泵送桥塞及多级射孔联作技术的突破(图3b),解决了以往桥塞不易钻磨,耐腐蚀性差以及电缆传输一次作业不能实现桥塞坐封与多簇射孔枪分级射孔施工的问题,在简化了施工流程的基础上提高了施工质量,同时根据页岩储层的脆性、可压性、各向异性进行非均匀分段和非均匀布簇,优化了簇间距、段间距,实现储层改造体积的最大化。由于受页岩气藏本身的低孔渗性影响,完钻后试气自然产能较低,需要对储层进行压裂改造制造出“人工裂缝”从而形成有效的渗滤空间,通过优化压裂工艺参数,筛选、评价适用的压裂体系和支撑剂组合,达到了良好的施工效果,形成了复杂缝网,扩大了泄气面积,最大限度地动用了水平段周边地层页岩气储量。

石油工程技术在页岩气田开发中取得了巨大的进步,积累了丰富的施工和技术服务经验,同时催生出了一大批优良的特种设备及其制造产业链,关键技术的突破带来了效率的提升、成本的降低和资源的高效利用,实现了勘探开发一体化、地质工程一体化的产业模式,对我国非常规能源的发展具有很好的借鉴意义。

2 技术创新对企业效益和行业发展的影响

2.1 技术进步提高企业效益,促进行业发展

页岩气作为一种新兴的非常规能源,经历了相对漫长的从无到有的萌芽期,目前正处在从兴起到飞速发展的快速上升期。对于任何一个能源企业既是机遇也是挑战,尤其是目前面对非常规油气资源认识还不充分,技术水平还不够成熟,产业链并不完整等客观存在的问题,无异于进一步加大了从事该领域的风险,因此寻找经济效益的“甜点区”成为能源企业一致的选择。而经济效益“甜点区”,笔者认为主要包括三个方面(图4):一是工区资源本身的丰度和品质决定的,二是经济环境和大行业周期决定的,三是企业自身的技术水平和管理水平决定的。其中第二点经济环境和大行业周期不会因个别人或企业而改变,本文不予讨论。第一点工区本身资源的丰度和品质是自然界客观存在的现实,也不因人的意志而转移,因此从企业自身“甜点区”中深入挖掘才是提高经济效益的最佳办法。对于能源企业,管理水平的提高能促进企业的高效运作,实现人力资源优势最大限度的发挥、资产装备优势最大限度的利用;技术水平的提高则有助于进一步认识自然界客观存在的规律,在地质“甜点区”或工程“甜点区”中找到潜在价值洼地,利用技术优势在降低风险的同时实现高效开发,扩大市场份额,占领行业技术制高点。在良性的市场竞争机制下,通过企业科技创新、技术突破形成一批优质企业,造成产业集群效应推动产业升级,从而以更科学、更合理的方式完善技术发展的产业布局以及产能接替的优化设计,推动整个行业均衡、快速、正确地发展。

图3 工程示意图Fig.3 Schematic diagram of petroleum engineering

图4 经济效益“甜点区”分类Fig.4 Economic benefit “dessert area” classification

2.2 技术创新对涪陵页岩气田经济效益的影响

我国的石油勘探开发经过几十年的积累已经形成了较为成熟的技术力量和装备水平,在此次涪陵页岩气田的大开发中,通过引进和消化国外技术优势,结合页岩气藏自身的特点采取多步走战略,通过优选少量井进行先导试验,发现不足总结经验,科技攻关解决难点,再分区域小规模尝试应用,进一步优化提高技术稳定性,最终大面积推广进行商业化开发。事实证明,这种做法保证了产能建设的稳步推进,同时也把不确定性风险降到最低。

以三维地震资料、区域钻井地质资料和压裂模拟成果等相关资料为基础对平台数量、布井方式和井眼轨迹进行整体优化,广泛采取山地平台式“工厂化”生产作业模式[5],实现了同一平台4~8口水平井“工厂化”钻井和同步拉链式压裂生产方式,单井平均作业周期从2012年的98天降到2015年的76天,平均减少22%,单井综合成本降低15%~25%。在页岩气层长水平段钻井中,开展综合地质导向对井轨迹进行实时跟踪和修正,基本实现了井轨迹在1~3小层“甜点区”的有效穿行,穿行率达到87%以上,大幅度提高了井筒与优质储层段的接触面积。通过采用泵送桥塞与多级射孔联作,连续油管钻塞等技术,单井压裂试气周期由2012年的39天下降到2015年的30天,时效提升23%,成本大幅降低。面对项目快速推进所带来的环保压力,对工业废液、废料进行系统化流水线式处理,建成了年处理量6000 m3的含油岩屑处理中心,累计处理钻完井废液和压裂返排液30000 m3,所处理的废液、废料可直接用作工业生产和农业养殖的原料,真正实现了非常规油气能源的绿色低碳发展。

相比国内以往油气田开发模式,涪陵页岩气田的勘探开发更好地实现了系统化、集成化、流程化、批量化、标准化、自动化和效益最大化,各项技术指标实现了全方位突破,与国外先进技术相比也并无劣势,在成本上甚至还远远低于国外同类产品(表1)。从最初的井位部署到最终的投产运行,完全做到了自主规划、自主研发、自主施工、自主评价,打破了国外对关键技术的垄断,形成了独立且具有特色的运作模式和经营体系,真正实现了技术最优化、效益最大化。

表1 国内外产品的对比Table 1 Comparison of domestic and foreign products

3 产业发展前景和技术创新挑战

涪陵、威远、长宁-昭通3个页岩气工业化生产示范区的基本建成,标志着海相页岩气勘探开发取得了重大突破。除四川盆地及其周缘以外,中下扬子区、塔里木盆地的中西部地区也广泛发育了大量海相页岩;在鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、塔里木盆地等中西部沉积盆地的石炭系—二叠系及南方地区的二叠系则有大面积的海陆过渡相页岩展布;陆相页岩在松辽盆地、渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地的青山口组、沙河街组、延长组和三叠系—侏罗系等地层也形成了一定的规模。根据前人的调查研究结果显示[6],中国页岩气地质资源量为(80.45~144.5)×1012m3,可采资源量为(11.5~36.1)×1012m3,而且页岩油、油砂、煤层气、天然气水合物等非常规油气资源也极为丰富。因此,只要技术上能够实现突破,可利用的资源量就依然十分巨大,非常规油气能源发展的前景依然非常广阔。但是受制于沉积环境、构造影响、地面和地下条件,工程施工区域适应性和难易程度以及各种技术手段的局限性等多重因素的共同作用,导致了涪陵页岩气田勘探开发的成功经验只能借鉴而不能照搬,技术积累只能继承和发展而不能直接移植和使用。

就目前国内页岩气产业发展而言,虽然涪陵页岩气田的勘探开发带来了很多成功的经验,但要进一步打开页岩气勘探开发局面仍然面临着诸多挑战,需要在众多环节实现突破。笔者认为主要有以下几个方面:

(1)海陆过渡相和陆相页岩气研究进展相对缓慢,它们的构造控制、富集机理、成藏规模、资源品位尚不明确,有必要在潜在的有利区带钻探一批评价井,开展更为细致的评价工作,落实“甜点区”和“甜点”层段,并且找出其与海相页岩的相同点和不同点,为进一步推动非海相页岩气产能建设提供参考依据。

(2)通过工程工序以及工艺上的优化和革新,进一步降低成本提高时效是形成以页岩气为代表的非常规能源规模化生产开发的决定性因素。比如涪陵页岩气田的井工厂钻井模式,不仅减少了占地面积,还减少了钻完井施工车辆数量,减少了设备拆装和钻具接甩次数,节约了搬家时间,多口井依次一开、固井,二开、再依次固完井,相同开次使用相同钻井液,减少了钻井液倒换次数,提高了泥浆的利用效率。整个井场的钻井、固井、测井、压裂工程连续作业无停待,极大地提高了设备使用率,降低了作业成本。一个新的工作模式或全新的技术平台搭建起来通常会影响整个体系从而带动各个环节的进步和提高,因此通过加强顶层设计来革新施工模式或进行工艺上的改进和优化都将对产业的发展起至关重要的作用。

(3)材料和设备质量水平的提高将是成功开发以超深层油气为代表的一大批非常规能源的前提保证。在深层油气藏以及相对更为复杂的地质条件下,对井下工具和设备的耐高温、耐高压,以及安全性和稳定性都提出了更高的要求。任何设备的故障都会造成一定量的经济损失或重复性劳动以至于施工失败,尤其在复杂井况下甚至有发生重大事故的风险,因此提高材料和设备的可靠性是保证所有产能建设的前提。

(4)加入信息化元素,全面实行信息化转型。未来能源产业发展方向一定是机械化和信息化的高度融合,以人为核心、设备为工具,大数据库信息作为资料基础,数据链网络连接三者形成联动整体,这将进一步提高决策效率,简化工作流程,压缩运营成本,实现集约化、信息化、智能化的蜕变。

4 结论

(1)中国的页岩气产业从无到有,从有到精,在以我为主的基本原则上借鉴国外的成功经验稳步推进国内页岩气的发展,仅用数年的时间就走完了国外十余年的发展历程。涪陵页岩气的成功打开了非常规油气勘探开发的良好局面,形成了较大的产业规模,标志着国内非常规能源的发展正式进入快车道。

(2)从涪陵页岩气田的生产实践来看,非常规油气资源的地质理论打破了传统认识的局限性,工程领域更加注重高技术含量下的提质增效。在产能建设过程中,大量的技术积累已经形成了独特的页岩气勘探开发技术和上中下完整的页岩气产业链,并且促成了更加科学合理的市场竞争机制和企业运营模式。

(3)一系列关键技术的成功突破和应用是此次中石化涪陵海相页岩气获得巨大成功的最直接原因,它直接解决了页岩气的发现识别、综合评价、规模化开采等关键问题,间接增加了资源利用效率的提高和经营成本的降低所产生的潜在经济效益。技术优势所带来的价值优势将会在未来的发展中体现得更加明显,非常规能源产业必将伴随着技术的进步实现更高效的开发、更经济的运作、更绿色和环保。

[1] 张映红,路保平.世界能源趋势预测及能源技术革命特征分析[J].天然气工业,2015,35(10):1-10.

[2] 王志刚.涪陵页岩气勘探开发重大突破与启示[J].石油与天然气地质,2015,36(1):1-6.

[3] 王书彦,李瑞,王世谦.页岩气勘探开发基本特征与程序[J].天然气工业,2015,35(6):124-130.

[4] 郭彤楼.中国式页岩气关键地质问题与成藏富集主控因素[J].石油勘探与开发,2016,43(2):317-325.

[5] 张金成,孙连忠,王甲昌,等.“井工厂”技术在我国非常规油气开发中的应用[J].石油钻探技术,2014,42(1):20-25.

[6] 董大忠,邹才能,戴金星,等.中国页岩气发展战略对策建议[J].天然气地球科学,2016,27(3):397-405.

ImpactofKeyTechnologyBreakthroughsandInnovationontheDevelopmentofUnconventionalEnergyIndustry

Wei Wei, Rao Haitao, Shi Yuanhui, Gong Ran

(LoggingCompany,SinopecJianghanOilfieldServiceCorporation,Qianjiang,Hubei433123,China)

With China’s economic growth slowing and new normal of the petroleum industry spreading, in order to actively cope with the cold winter period, scientific exploration and development investment, meticulous management and low-cost business model has become all the major oil companies’ choice. But many companies’ investment in scientific research is not significantly reduced,the reason is that in the oil and natural gas as the main body of mineral resources, key technical breakthroughs and development not only significantly decrease the cost of exploration and development to reduce the operating pressure, even to related industry layout and energy structure adjustment will have a profound impact. In the paper, shale gas development in Fuling as an example which on behalf of the domestic development of unconventional energy sources, from several key areas such as geology and engineering theory and technology innovations to discuss enterprise business and industry development. The result is that key technology and innovation have a far-reaching impact on the development of unconventional energy.

key technology; innovation; unconventional energy; shale gas

TE19

A

大型油气田及煤层气开发国家重大科技专项“深层页岩气开发关键装备与工具应用”(2016ZX05038-006)资助。

魏炜(1989—),男,工程师,硕士,主要从事测录井地质研究工作。邮箱:weiweiiew@163.com.

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