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頁(yè)巖氣開發(fā)專題(十) | 鄭子瓊：頁(yè)巖氣
時(shí)間：2020-01-15 10:20
來源：
作者:songxinyuan
以“高效推動(dòng)中國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)”為主題的第九屆中國(guó)頁(yè)巖氣發(fā)展大會(huì)，于2019年12月28日成都勝利閉幕。本屆大會(huì)由中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司、中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司、中海油研究總院有限責(zé)任公司、中國(guó)石油化工集團(tuán)工程技術(shù)顧問有限公司，中國(guó)海洋石油研究院，以及中國(guó)石油大學(xué)、中國(guó)石油工程學(xué)院非常規(guī)科學(xué)技術(shù)研究院、四川省人民政府、成都市博覽局、北京振威展覽有限公司、《石油與裝備》共同組織召開。
海默科技（集團(tuán)）股份有限公司首席顧問兼研究院院長(zhǎng) 鄭子瓊
第九屆中國(guó)頁(yè)巖氣發(fā)展大會(huì)圍繞頁(yè)巖氣開發(fā)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展、高效開發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新管理等層面的熱點(diǎn)話題，進(jìn)行廣泛深入的探討。海默科技（集團(tuán)）股份有限公司首席顧問兼研究院院長(zhǎng)鄭子瓊表示，非常規(guī)油氣開發(fā)全周期方面如何優(yōu)化，發(fā)揮更大效益？控制壓裂返排，延長(zhǎng)液力端壽命，多相流量計(jì)工具解決了很多現(xiàn)實(shí)問題。
據(jù)了解，小工具雖小，產(chǎn)業(yè)鏈上可能微不足道，但能解決很多目前面臨的短板問題，直接影響了效率，特別是油氣生產(chǎn)周期高產(chǎn)延續(xù)的問題。
以下是海默科技（集團(tuán)）股份有限公司首席顧問兼研究院院長(zhǎng)鄭子瓊現(xiàn)場(chǎng)發(fā)言實(shí)錄：
各位院士，專家、領(lǐng)導(dǎo)把中國(guó)近年來在頁(yè)巖油氣開發(fā)中各種的成果已經(jīng)做了非常好的總結(jié)。我從2003年回國(guó)就親身參與了一些頁(yè)巖氣開發(fā)活動(dòng)，對(duì)我們國(guó)內(nèi)取得的種種成績(jī)感到非常激動(dòng)與振奮。
海默科技是中國(guó)最早的一家到美國(guó)投資非常規(guī)油氣田民企上市公司，在學(xué)習(xí)了美國(guó)頁(yè)巖油氣田開發(fā)的一些經(jīng)驗(yàn)后，根據(jù)這些經(jīng)驗(yàn)又開發(fā)出了有助于非常規(guī)油氣開發(fā)的新技術(shù)，在非常規(guī)油氣開發(fā)全周期方面如何優(yōu)化，發(fā)揮更大效益。
多相流量計(jì)優(yōu)化全周期生產(chǎn)
第一，我想介紹一下多相流量計(jì)在頁(yè)巖油氣開發(fā)中的一些特殊應(yīng)用。我會(huì)更加多的聚焦于全周期的生產(chǎn)優(yōu)化。
回顧過去20多年，頁(yè)巖油氣開發(fā)發(fā)展得非常非常快。主要貢獻(xiàn)技術(shù)有兩條：一是水平井，二是分段壓裂。水平井段從早期的幾百米到現(xiàn)在達(dá)到了5公里多。壓裂從十幾段到幾十段。最新的水平井記錄是今年9月份美國(guó)二疊盆地中國(guó)的Surge Petroleum公司打了一口最長(zhǎng)的頁(yè)巖油水平井，長(zhǎng)5.4公里的水平段，壓裂52段。
此外壓裂方面還有最多64段的記錄。這上面列出了其他演變，包括壓裂液從胍膠到只用滑溜水；支撐劑從陶粒到石英砂粒；井場(chǎng)從單井到叢式井；壓裂從單井壓裂到拉鏈?zhǔn)綁毫训鹊龋欢际怯酶鞣N各樣的手段提高鉆井壓裂效率進(jìn)而提高產(chǎn)量降低成本。
剛才談到叢式井，這是我們美國(guó)區(qū)塊周邊一些其他的區(qū)塊中的井眼軌跡設(shè)計(jì)，水平井基本上都是1.5英里到2英里長(zhǎng)的水平段。這個(gè)圖是我們可以直接從衛(wèi)星圖上可以看到的Chesapeake井場(chǎng)，一共五口井。從以上可以看到各種的聚焦于地下施工增效降本的手段非常多。
目前還有一些新的發(fā)展動(dòng)向，大家都在討論頁(yè)巖油氣開發(fā)下一步如何再改進(jìn)。我們既然已經(jīng)鉆了井，既然已經(jīng)壓裂了，在地下能做的我都做了，我們還能做點(diǎn)什么改進(jìn)？我們?nèi)绾文軌蜓娱L(zhǎng)油氣井高產(chǎn)部分的生產(chǎn)壽命？大家也知道頁(yè)巖油氣生產(chǎn)最大的特性就是遞減特別快，早期在一年當(dāng)中遞減80%、90%都有，這些遞減是和地層本身的特性有關(guān)的，同時(shí)也和我們的壓裂返排控制相關(guān)。
中國(guó)頁(yè)巖油氣的開發(fā)環(huán)境比美國(guó)更復(fù)雜、更困難，成本也就相應(yīng)更高。這樣在壓裂之后，如果是返排處理不好的話，很有可能壓裂壓得很好，但是最終生產(chǎn)不好，與實(shí)際上可以生產(chǎn)相差甚多，造成很大的浪費(fèi)。壓裂形成的裂縫在返排過程中，縫內(nèi)壓力的降低不是均勻的而是有先有后的。近井眼部位壓降最大，遠(yuǎn)離井眼處壓降會(huì)小得多。如果返排控制不好會(huì)造成壓裂裂縫近井眼處過早閉合，或者在此部位造成支撐劑破碎堵塞液體流動(dòng)通道。這樣把一個(gè)原來鉆得很好、壓裂得很好的井變成一個(gè)生產(chǎn)能力很低的井。所以最近在國(guó)外有一些討論，看如何能夠在壓裂返排過程中通過控制返排來提高油氣井的生產(chǎn)效率，以減少表層損傷的方式延長(zhǎng)油氣井的壽命。這里有三篇相關(guān)的SPE文章，大家有興趣可以看一下。
拿其中一篇文章為例，這家公司做了兩個(gè)試驗(yàn)，一口A井試驗(yàn)把返排壓降放得最快，目的是越早見油越好；而B井是一點(diǎn)一點(diǎn)摸索著返排，根據(jù)返排流量的表現(xiàn)來控制下一步噴嘴大小。這需要有高頻率的流量計(jì)量。只有有了高頻的數(shù)據(jù)反饋，你才能用它分析返排的效果。這兩個(gè)試驗(yàn)用了多相流量計(jì)做高頻率的多相流計(jì)量，用于返排過程中壓力-流量分析，并反饋來控制返排速度。我在前面說過，由于接近井壁處壓降最大，如果返排過快有可能造成裂縫在井壁附近先關(guān)閉，那么裂縫里面的液體就排不出來，以及有一些支撐劑被壓碎流動(dòng)，造成堵塞。同時(shí)有碎屑高速流出來也會(huì)造成油管以及地面設(shè)施的損壞。這里是A井和B井最后得到的參數(shù)?？梢钥闯鯞井的生產(chǎn)特性要比A井好得多。
這是出于2018年戴文能源公司的一篇文章，它談到在返排過程中要高頻采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)同時(shí)中做瞬間流動(dòng)分析TFA，根據(jù)分析結(jié)果控制返排程序。他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)壓裂返排過程精準(zhǔn)控制的規(guī)范。戴文能源公司強(qiáng)調(diào)這個(gè)規(guī)范在鷹潭地區(qū)實(shí)施以后，他們所達(dá)到的頭30天產(chǎn)量較應(yīng)用這個(gè)規(guī)范之前翻了一番。他們也在鷹潭地區(qū)與其他油氣公司的頭90天產(chǎn)量做了比較。根據(jù)這張圖大家很容易看到這種控制是非常有效的，他們的頭90天產(chǎn)量比其他公司的產(chǎn)量相比高出了一大截。
多相流量計(jì)在壓裂返排應(yīng)用場(chǎng)景
下面介紹一下多相流量計(jì)在壓裂返排方面的應(yīng)用。多相流量計(jì)可以高頻率的在線計(jì)量油、氣、水三相分別的產(chǎn)量，不像使用測(cè)試分離器時(shí)需要等待各相靠重力的自然分離，造成產(chǎn)量計(jì)量數(shù)據(jù)的滯后和人為的數(shù)據(jù)平均化。使用它的最大優(yōu)勢(shì)是可以大大簡(jiǎn)化我們測(cè)試過程中使用的設(shè)備，尤其是測(cè)試分離器。它們大多是3、4米高，6米或者7米長(zhǎng)的大型壓力容器。在返排過程中要是使用高壓分離器的話，成本會(huì)非常高。否則就要在返排過程中進(jìn)行減壓措施，這樣帶來了大大增加的施工費(fèi)用和安全隱患。這張圖里大致列出了使用多相流量計(jì)對(duì)比測(cè)試分離器的眾多優(yōu)勢(shì)，就不一一讀出來。目前海默科技用含砂儀和多相流量計(jì)在美國(guó)與各種各樣的壓裂返排服務(wù)公司合作，用于進(jìn)行壓裂返排過程計(jì)量與控制與。
這是一個(gè)多相流量計(jì)與分離器的比較圖。多相流量計(jì)的體積是0.4米×0.6米×0.3米，壓力可達(dá)35兆帕或者更高，液體緩沖時(shí)間0分鐘。這是一個(gè)高壓3相測(cè)試分離器。所謂高壓就是一個(gè)10兆帕而已。它的大小為2.2米×3.3米，處理量（可用的流量）十分有限，緩沖時(shí)間要幾分鐘。在美國(guó)一些區(qū)塊非高壓測(cè)試時(shí)也有使用兩套容器的，一個(gè)臥式分離器加一個(gè)立式加熱器。而單臥式分離器的尺寸就是2.4米×6.2米。
這是在美國(guó)壓裂返排服務(wù)過程中使用的海默科技的一些產(chǎn)品，包括第一個(gè)是潘多拉數(shù)據(jù)系統(tǒng)，用于采集所有井場(chǎng)數(shù)據(jù)并提供監(jiān)控作用；第二個(gè)是含水/含砂儀；第三個(gè)是短節(jié)型多相流量計(jì)。
這是一個(gè)美國(guó)壓裂返排的設(shè)備安放設(shè)計(jì)圖，采集數(shù)據(jù)時(shí)用我們潘多拉數(shù)據(jù)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳到客戶需要傳送到的服務(wù)器。在井口管匯后放一個(gè)含砂儀，可以把瞬間出砂率是多少計(jì)量并記錄下來。在此之后還是要做除砂的，但是除砂系統(tǒng)就不需要計(jì)量砂子有多少。在美國(guó)除砂器中砂量的計(jì)量是隔一段時(shí)間打開除砂器，用大鐵鍬鏟出砂子放到磅秤上稱重，但是受到砂子干濕的影響無法精準(zhǔn)計(jì)量出砂量以及出砂時(shí)間。在除砂器后面安置的多相流量計(jì)會(huì)把在瞬間流入的油、水、氣流量實(shí)時(shí)計(jì)量并由潘多拉系統(tǒng)遠(yuǎn)傳到預(yù)先約定的服務(wù)器，供辦公室里或者其他地方的工程師分析使用，包括現(xiàn)場(chǎng)返排作業(yè)人員使用。之后返排液還是要分離處理的，不過不需計(jì)量了。工程師利用這些數(shù)據(jù)通過進(jìn)行瞬間流動(dòng)分析，反過來優(yōu)化控制返排速度。同時(shí)，使用含砂儀計(jì)量瞬間出砂率，也可以告訴我們返排程序中什么時(shí)候出砂結(jié)束了，這就等于告訴了我們什么時(shí)候我們的返排作業(yè)可以結(jié)束了。
放在這個(gè)桌子上的就是一個(gè)含砂儀，砂子通過這個(gè)設(shè)備的時(shí)候瞬間出砂率會(huì)被計(jì)量出來。
如果我們同時(shí)用潘多拉數(shù)據(jù)系統(tǒng)的話，就可以把井場(chǎng)各種各樣的參數(shù)瞬間遠(yuǎn)傳，也可以進(jìn)行邊緣計(jì)算。這些是多相流量計(jì)以及含砂儀在非常規(guī)頁(yè)巖油氣開發(fā)應(yīng)用過程中的簡(jiǎn)單介紹，其他應(yīng)用介紹就不多講了。
下面我想介紹一種新型長(zhǎng)壽命液力端碳合金鋼材料。從液力端的破壞失效方面，我們做過很多分析。液力端大家也知道，是用于把壓裂液從大氣壓瞬間提高到壓裂所需高壓后再壓到地下造成裂縫。這些柱塞在動(dòng)力端帶動(dòng)下不停的運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上造成液力端處于一個(gè)加載卸載周期性受力環(huán)境，并形成應(yīng)力疲勞，加上酸液而形成應(yīng)力腐蝕破壞。我們做過很多的壽命分析，發(fā)現(xiàn)液力端的破壞基本上都是在相貫線表面有一些小型裂縫形成以后，周期性載荷使得裂縫擴(kuò)展造成的最終破壞。所以說如果我們想把液力端的壽命提高，最重要的就是把它的斷裂韌性提高起來?，F(xiàn)在北美已經(jīng)有近70%的液力端換成了不銹鋼。不銹鋼的好處就是斷裂韌性非常高，又抗腐蝕。但是不銹鋼的成本也會(huì)高出很多，雖然在北美不銹鋼液力端壽命已經(jīng)達(dá)到了上千小時(shí)，成本也比碳鋼增加了70%以上。
我們現(xiàn)在在試驗(yàn)不用不銹鋼而用其他材料代替較低壽命的碳鋼材料?；诂F(xiàn)在通用的4330碳鋼合金，我們研制了兩組新型的碳合金材料，這是通過一年半到兩年的研發(fā)得到的。它的斷裂韌性從原來的70左右，翻了一番以上。這是它最重要的一個(gè)特點(diǎn)。它的強(qiáng)度和不銹鋼差不多少，但是成本比不銹鋼低很多。
這是一個(gè)電子掃描鏡分析，上面的是4330碳鋼，下面是新的合金碳鋼，大家看到新材料均勻度好很多。
不知道大家搞金屬材料的人有多少，不銹鋼本身一大特點(diǎn)就是奧氏體殘余量較多。在4330這種材料里面幾乎檢測(cè)不到奧氏體殘余量，而這兩種新的碳合金鋼里面奧氏體殘余含量可以達(dá)到17%以上。
這些是裂紋腐蝕擴(kuò)展的試驗(yàn)，上面的是新材料，下面的事4330材料。在固定的壓力環(huán)境，和同樣的邊界條件情況下，上面材料裂紋只擴(kuò)展到2.75mm，而下面的擴(kuò)展到了3.15mm。別看這點(diǎn)差距，它帶來的壽命長(zhǎng)短相差是很大的。
我們還做了一系列其他試驗(yàn)驗(yàn)證新材料的確可以延長(zhǎng)液力端壽命，因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系我就不多介紹了。
把最后一頁(yè)數(shù)據(jù)對(duì)比介紹一下，上面兩個(gè)是我們研發(fā)的新材料，如果用這個(gè)新材料本身數(shù)據(jù)作為基數(shù)的話，4330裂紋長(zhǎng)度比新材料裂紋長(zhǎng)度要高18%，而裂紋擴(kuò)展速度也比新材料高19%。和以前最早的碳鋼比較，實(shí)際上我們這個(gè)新材料的抗裂紋擴(kuò)展的能力已經(jīng)提高了100%以上?，F(xiàn)在實(shí)際上這種新材料造出的液力端已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)使用。以目前使用的結(jié)果看，與原碳鋼的液力端相同的使用條件下比較，已經(jīng)比原碳鋼液力端壽命提升了50%以上，而且還在繼續(xù)用。我們也期待著早些出結(jié)果，因?yàn)樵诜浅Ｒ?guī)油氣開發(fā)過程中水平井壓裂是非常重要的，而壓裂過程中，除了壓裂液，砂子之外還有一個(gè)很大的耗材就是液力端。如果液力端能夠把壽命提高80%、100%，而成本卻不是像不銹鋼那樣一下增加了70%、80%，只是增加了20%、30%，這樣會(huì)給非常規(guī)油氣以及其他油氣資源開發(fā)帶來很大降本效果。
我今天主要就跟大家分享一下這兩個(gè)技術(shù)，希望大家能夠有所受益。謝謝！
（本文系第九屆中國(guó)頁(yè)巖氣發(fā)展論壇系列系列報(bào)道）
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