頁巖氣開發專題(十) | 鄭子瓊：頁巖氣
時間：2020-01-15 10:20
來源：
作者:songxinyuan
以“高效推動中國頁巖氣開發”為主題的第九屆中國頁巖氣發展大會，于2019年12月28日成都勝利閉幕。本屆大會由中國石油天然氣集團公司、中國石油化工集團有限公司、中海油研究總院有限責任公司、中國石油化工集團工程技術顧問有限公司，中國海洋石油研究院，以及中國石油大學、中國石油工程學院非常規科學技術研究院、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）股份有限公司首席顧問兼研究院院長 鄭子瓊
第九屆中國頁巖氣發展大會圍繞頁巖氣開發產業的產業發展、高效開發、技術創新管理等層面的熱點話題，進行廣泛深入的探討。海默科技（集團）股份有限公司首席顧問兼研究院院長鄭子瓊表示，非常規油氣開發全周期方面如何優化，發揮更大效益？控制壓裂返排，延長液力端壽命，多相流量計工具解決了很多現實問題。
據了解，小工具雖小，產業鏈上可能微不足道，但能解決很多目前面臨的短板問題，直接影響了效率，特別是油氣生產周期高產延續的問題。
以下是海默科技（集團）股份有限公司首席顧問兼研究院院長鄭子瓊現場發言實錄：
各位院士，專家、領導把中國近年來在頁巖油氣開發中各種的成果已經做了非常好的總結。我從2003年回國就親身參與了一些頁巖氣開發活動，對我們國內取得的種種成績感到非常激動與振奮。
海默科技是中國最早的一家到美國投資非常規油氣田民企上市公司，在學習了美國頁巖油氣田開發的一些經驗后，根據這些經驗又開發出了有助于非常規油氣開發的新技術，在非常規油氣開發全周期方面如何優化，發揮更大效益。
第一，我想介紹一下多相流量計在頁巖油氣開發中的一些特殊應用。我會更加多的聚焦于全周期的生產優化。
回顧過去20多年，頁巖油氣開發發展得非常非常快。主要貢獻技術有兩條：一是水平井，二是分段壓裂。水平井段從早期的幾百米到現在達到了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月份美國二疊盆地中國的Surge Petroleum公司打了一口最長的頁巖油水平井，長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；井場從單井到叢式井；壓裂從單井壓裂到拉鏈式壓裂等等；都是用各種各樣的手段提高鉆井壓裂效率進而提高產量降低成本。
剛才談到叢式井，這是我們美國區塊周邊一些其他的區塊中的井眼軌跡設計，水平井基本上都是1.5英里到2英里長的水平段。這個圖是我們可以直接從衛星圖上可以看到的Chesapeake井場，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展動向，大家都在討論頁巖油氣開發下一步如何再改進。我們既然已經鉆了井，既然已經壓裂了，在地下能做的我都做了，我們還能做點什么改進？我們如何能夠延長油氣井高產部分的生產壽命？大家也知道頁巖油氣生產最大的特性就是遞減特別快，早期在一年當中遞減80%、90%都有，這些遞減是和地層本身的特性有關的，同時也和我們的壓裂返排控制相關。
中國頁巖油氣的開發環境比美國更復雜、更困難，成本也就相應更高。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，但是最終生產不好，與實際上可以生產相差甚多，造成很大的浪費。壓裂形成的裂縫在返排過程中，縫內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，遠離井眼處壓降會小得多。如果返排控制不好會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通道。這樣把一個原來鉆得很好、壓裂得很好的井變成一個生產能力很低的井。所以最近在國外有一些討論，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效率，以減少表層損傷的方式延長油氣井的壽命。這里有三篇相關的SPE文章，大家有興趣可以看一下。
拿其中一篇文章為例，這家公司做了兩個試驗，一口A井試驗把返排壓降放得最快，目的是越早見油越好；而B井是一點一點摸索著返排，根據返排流量的表現來控制下一步噴嘴大小。這需要有高頻率的流量計量。只有有了高頻的數據反饋，你才能用它分析返排的效果。這兩個試驗用了多相流量計做高頻率的多相流計量，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，造成堵塞。同時有碎屑高速流出來也會造成油管以及地面設施的損壞。這里是A井和B井最后得到的參數。可以看出B井的生產特性要比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據，采集數據同時中做瞬間流動分析TFA，根據分析結果控制返排程序。他們設計了一個壓裂返排過程精準控制的規范。戴文能源公司強調這個規范在鷹潭地區實施以后，他們所達到的頭30天產量較應用這個規范之前翻了一番。他們也在鷹潭地區與其他油氣公司的頭90天產量做了比較。根據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天產量比其他公司的產量相比高出了一大截。
下面介紹一下多相流量計在壓裂返排方面的應用。多相流量計可以高頻率的在線計量油、氣、水三相分別的產量，不像使用測試分離器時需要等待各相靠重力的自然分離，造成產量計量數據的滯后和人為的數據平均化。使用它的最大優勢是可以大大簡化我們測試過程中使用的設備，尤其是測試分離器。它們大多是3、4米高，6米或者7米長的大型壓力容器。在返排過程中要是使用高壓分離器的話，成本會非常高。否則就要在返排過程中進行減壓措施，這樣帶來了大大增加的施工費用和安全隱患。這張圖里大致列出了使用多相流量計對比測試分離器的眾多優勢，就不一一讀出來。目前海默科技用含砂儀和多相流量計在美國與各種各樣的壓裂返排服務公司合作，用于進行壓裂返排過程計量與控制與。
這是一個多相流量計與分離器的比較圖。多相流量計的體積是0.4米×0.6米×0.3米，壓力可達35兆帕或者更高，液體緩沖時間0分鐘。這是一個高壓3相測試分離器。所謂高壓就是一個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，緩沖時間要幾分鐘。在美國一些區塊非高壓測試時也有使用兩套容器的，一個臥式分離器加一個立式加熱器。而單臥式分離器的尺寸就是2.4米×6.2米。
這是在美國壓裂返排服務過程中使用的海默科技的一些產品，包括第一個是潘多拉數據系統，用于采集所有井場數據并提供監控作用；第二個是含水/含砂儀；第三個是短節型多相流量計。
這是一個美國壓裂返排的設備安放設計圖，采集數據時用我們潘多拉數據系統，可以實時遠傳到客戶需要傳送到的服務器。在井口管匯后放一個含砂儀，可以把瞬間出砂率是多少計量并記錄下來。在此之后還是要做除砂的，但是除砂系統就不需要計量砂子有多少。在美國除砂器中砂量的計量是隔一段時間打開除砂器，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計量出砂量以及出砂時間。在除砂器后面安置的多相流量計會把在瞬間流入的油、水、氣流量實時計量并由潘多拉系統遠傳到預先約定的服務器，供辦公室里或者其他地方的工程師分析使用，包括現場返排作業人員使用。之后返排液還是要分離處理的，不過不需計量了。工程師利用這些數據通過進行瞬間流動分析，反過來優化控制返排速度。同時，使用含砂儀計量瞬間出砂率，也可以告訴我們返排程序中什么時候出砂結束了，這就等于告訴了我們什么時候我們的返排作業可以結束了。
放在這個桌子上的就是一個含砂儀，砂子通過這個設備的時候瞬間出砂率會被計量出來。
如果我們同時用潘多拉數據系統的話，就可以把井場各種各樣的參數瞬間遠傳，也可以進行邊緣計算。這些是多相流量計以及含砂儀在非常規頁巖油氣開發應用過程中的簡單介紹，其他應用介紹就不多講了。
下面我想介紹一種新型長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。這些柱塞在動力端帶動下不停的運動，實際上造成液力端處于一個加載卸載周期性受力環境，并形成應力疲勞，加上酸液而形成應力腐蝕破壞。我們做過很多的壽命分析，發現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。現在北美已經有近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高出很多，雖然在北美不銹鋼液力端壽命已經達到了上千小時，成本也比碳鋼增加了70%以上。
我們現在在試驗不用不銹鋼而用其他材料代替較低壽命的碳鋼材料。基于現在通用的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特點。它的強度和不銹鋼差不多少，但是成本比不銹鋼低很多。
這是一個電子掃描鏡分析，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就是奧氏體殘余量較多。在4330這種材料里面幾乎檢測不到奧氏體殘余量，而這兩種新的碳合金鋼里面奧氏體殘余含量可以達到17%以上。
這些是裂紋腐蝕擴展的試驗，上面的是新材料，下面的事4330材料。在固定的壓力環境，和同樣的邊界條件情況下，上面材料裂紋只擴展到2.75mm，而下面的擴展到了3.15mm。別看這點差距，它帶來的壽命長短相差是很大的。
我們還做了一系列其他試驗驗證新材料的確可以延長液力端壽命，因為時間關系我就不多介紹了。
把最后一頁數據對比介紹一下，上面兩個是我們研發的新材料，如果用這個新材料本身數據作為基數的話，4330裂紋長度比新材料裂紋長度要高18%，而裂紋擴展速度也比新材料高19%。和以前最早的碳鋼比較，實際上我們這個新材料的抗裂紋擴展的能力已經提高了100%以上。現在實際上這種新材料造出的液力端已經在現場進行試驗使用。以目前使用的結果看，與原碳鋼的液力端相同的使用條件下比較，已經比原碳鋼液力端壽命提升了50%以上，而且還在繼續用。我們也期待著早些出結果，因為在非常規油氣開發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%，這樣會給非常規油氣以及其他油氣資源開發帶來很大降本效果。
我今天主要就跟大家分享一下這兩個技術，希望大家能夠有所受益。謝謝！
責任編輯：janne | 新媒體主理：姜娜
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