在油气储层中修筑“高速公路”

  奋斗百年路启航新征程·以实际行动和优异成绩庆祝建党100周年
  聚焦重大科技成果⑩：中国石油储层改造技术发展观察
  [中国石油新闻中心2021-07-12]
  近年来，储层改造的对象逐渐向低品位资源转变。随着国内新增油气探明储量品位不断下降，油气勘探对象日趋复杂，开发难度越来越大，单井自然产能极低或者无产能，特别是在深层常规油气与非常规油气储量上提高油气产量成为难点，工程技术面临深层超深层、特低渗、高温、高压等复杂问题关键技术的挑战。
  要在这些储层中打开一个油气流动的通道，就要用到能在油气层中修筑“高速公路”的水力压裂技术。只有水力压裂才能“激活”油气井，大幅度提高单井产能。压裂改造技术作为非常规油气增产的重要撒手锏，催生了美国页岩气革命，已成为破解当前油气产量难题及未来发展的关键。
  “加大勘探开发力度，保障国家能源安全”是集团公司的重大责任和崇高使命。然而，勘探对象日趋复杂，深层、非常规油气资源开发难度大，工程技术的进步和突破是完成使命的“翅膀”。当前，储层压裂改造已经成为工程技术“三把利剑”之一，其作用已经从增产扩展到释放资源潜能，成为油田开发过程中不可或缺的措施和支撑高效勘探开发的核心技术。低品位资源的有效开发寄希望于水平井和压裂技术的进步，同时也推动压裂技术向着“更加规模、更多段数和更高效率”方向前进。目前，储层改造最大作业井深8023米，最高施工温度201摄氏度，最长水平段3056米，压裂最多分段数达到了45段。
  ■复杂地质条件推动压裂技术不断挑战极限
  深层、超深层常规油气普遍埋藏深、地应力高，压裂改造时存在施工压力高、温度高、缝宽窄、改造体积偏小和压后初产效果差等问题。复杂地质条件对压裂增产构成严峻挑战。在西部，塔里木油田库车前陆区超深超高压高温气藏具有埋藏深、压力高、温度高、基质物性差、裂缝发育等特点，博孜凝析气藏还具有低地温梯度、高含蜡的特点。自然产能低，需要压裂改造增产才能效益开发。然而，由于井况苛刻和改造工况复杂、地面压裂施工压力高，安全风险大，规模改造施工存在安全风险，砂堵风险大，提产机理不清，缺乏有效技术手段。
  在西南，川中古隆起太和含气区具有超深、超高压、超高温、高含硫和地面破裂压力高的特点，压裂周期长、储层改造难度大，提质提效面临巨大挑战。
  非常规油气藏储层渗透率极低，自然产能极低或者没有自然产能，只能通过大规模体积压裂改造实现增产。压裂裂缝网络的复杂程度决定了单井产量，需要新技术持续提高压裂改造裂缝的有效改造体积，同时降低大规模压裂成本。
  对比北美非常规油气开发，我国非常规油气压裂面临着比国外更多的技术难题。此外，油气藏渗透率极低、孔隙度低、非均质性强、地应力高等因素，对压裂设备、井下工具、压裂酸化材料、井口及管柱的耐压、耐温能力等提出了更高的要求。
  面对资源劣质化加剧，新动用储量品质差，必须加强压裂核心技术攻关，加速技术迭代，发挥核心技术引领作用，最大限度挖掘油气藏潜力，保障油气资源的规模有效动用。
  ■核心技术攻关助力油气资源高效动用
  “十三五”期间，围绕制约非常规油气勘探开发技术难点，中国石油在储层压裂改造技术领域取得一系列重大突破，形成了具有核心竞争力的高端装备、关键工具、软件和化学助剂。这些丰硕成果的取得，有效加速了深层、非常规油气开发的进程，使中国石油油气业务持续向好发展。“‘水平井+分段压裂’技术是美国页岩气革命的主体技术，大幅提升水平段延伸距离，可增加井筒泄油面积，实现多井低产向少井高产的转变。”休斯敦技术研究中心项目管理部经理杨振周向记者介绍。
  为减少碳排放，助力早日实现碳达峰碳中和，中国石油首创全球单机功率最大7000型电驱压裂装备，实现了零排放环保系统，且大幅减少噪声等污染，达到真正意义上的节能减排，解决了传统压裂车噪音大、单机功率小、污染高、成本高、不能实现自动化控制等问题，燃料成本减少40%以上，压裂综合费用降低20%，操作人员减少一半。
  降本增效同样是压裂技术攻关的“主旋律”。页岩气压裂规模大，单井压裂水资源消耗大。如何重复利用压裂的返排液和产出液、降低压裂成本，摆在科研人员的面前。针对这些难点，研发出超低浓度高效耐盐降阻剂，实现超低浓度和返排液高矿化度水中降阻率均高于70%的重大技术突破，实现降阻、挟砂、耐盐能力突破。解决返排液循环使用、降低施工成本，是保障非常规油气资源可持续开发的关键，为大规模体积压裂注入新鲜血液。
  如何提高油气井压裂效率、快速建产，是科研人员攻关的方向。传统速钻桥塞压后需要钻磨，作业时间长，风险高，复杂处理难度大。可溶桥塞、可溶球座等可溶压裂工具可以避免这些问题。据工程技术研究院副总经理（副院长）兼休斯敦技术研究中心副主任王旭介绍，工程技术研究院立足“自主材料、自主设计、自主产业化、自主知识产权”全产业链突破，创新研发了高性能可溶材料和可溶桥塞等系列产品，已经建成年产1万只桥塞的产业能力，为水平井分段压裂技术提供核心利器。
  精准模拟和优化非常规油气水力压裂的复杂裂缝一直是让科研人员“头疼”的难题。使用常规压裂模拟技术，经常会因为“无法预知”水力压裂裂缝的复杂程度而导致压裂改造不彻底，压裂成功率低，油井增产无法得到保障。对此，科技人员聚焦痛点，致力复杂缝网体积压裂模拟，创新实现了页岩气水平井无限级压裂复杂缝网模拟和暂堵转向工艺模拟，实现多场、多尺度及动态过程的耦合分段多簇压裂缝网扩展模拟，解决了体积压裂复杂裂缝动态扩展模拟和精确计算问题。
  ■数字化智能化转型持续保障油气资源高效开发
  面对日益复杂的地质储层环境，特别是深层和超深层、非常规油气储层改造的技术难题，亟须探索实现体积压裂改造的新方法。
  通过创新理念，积极转变观念，逐渐实现从经典理论下的压裂技术走向体积改造技术。在借鉴美国压裂技术的同时，系统总结国内储层改造技术特色，研究出适合我国的技术体系。同时，需要进一步研发和完善7000以上马力电动压裂泵、240摄氏度超高温深井压裂液、160摄氏度以上可溶桥塞、复杂缝网体积压裂地质一体化设计软件、分布式光纤监测及压后效果评价五大技术，进一步提升储层改造的效果和效率，为深层和超深层、非常规油气开发提供有效助力，保障油气稳产高产。
  数字化、智能化技术对石油行业的影响不可小觑，石油行业变革大势所趋。大数据、云计算、人工智能在压裂技术上的应用正逐渐普及。以人工智能为基础算法的体积压裂技术，将实现理论、经验和管理的深度革命，配套地面压裂智能化系统、智能压裂设备和井下液体、支撑剂、裂缝形态的动态监测技术，将极大提高压裂施工效率，后期通过精细化管理，可实现高效动用油气资源储量，最大限度保障能源安全。（记者耿莉通讯员刘宇）
  亮点技术
  ■可溶桥塞
  桥塞是水平井分段压裂工艺的主体分段工具，由本体、锚定机构和密封机构组成。施工过程中，由电缆泵送入井，到达指定位置后，地面发送电信号，启动坐封工具点火装置，火药燃烧产生高压气体推动坐封工具液缸，使桥塞锚定机构咬合套管内壁实现锚定，同时密封胶筒通过挤压或扩张方式实现胶筒膨胀密封，最终通过泵送压裂球至桥塞球座以实现桥塞上部与下部井筒空间有效分隔，进而实施压裂作业，压后采用连油或油管钻磨掉桥塞，保证井筒全通径。
  可溶桥塞是桥塞的最新发展。可溶桥塞是在常规速钻桥塞材料基础上的突破和创新。桥塞本体、锚定机构和密封机构均采用可溶材料，机械性能与常规桥塞相当，其优势在于压裂完成后，桥塞自行溶解，不需要钻磨或进行简单通井，从整体上优化分段压裂施工工艺，精简工艺流程，节约施工成本，提高作业效率。同时，在桥塞泵送过程中遇井筒沉砂、异物及套变造成的遇阻遇卡等复杂情况，可通过配套化学助溶剂对可溶桥塞快速溶解，恢复井筒通道，极大提高事故复杂处理时效，降低作业风险。
  ■低成本高效压裂液
  非常规油气资源开发离不开大规模水力压裂技术的突破。目前广泛使用的压裂液是滑溜水体系，核心添加剂是高效降阻剂。通过降低液体管路摩阻减少泵注能耗，有利于打开并沟通天然裂缝，形成裂缝网络，提高油气压后产出供给能力。
  近年来，随着非常规油气资源开发不断深入，尤其是页岩油、致密油等资源规模开发，对压裂液挟砂性能提出了新要求。通过在降阻剂高分子主链中使用特征官能团修饰，提高降阻剂高分子的分子间作用力。在低使用浓度条件下，降阻剂分子在水中呈线性分散态，压裂液具有良好的降阻效果；在高使用浓度时，降阻剂分子间距离缩短，分子间官能团通过键合作用，形成空间网状结构，压裂液黏度增加，具有一定挟砂能力。压裂液挟砂压裂技术的突破，简化了加砂压裂流程，提高了压裂加砂强度，已成为非常规油气资源开发，特别是页岩油压裂开发的主体技术。
  ■7000型电驱压裂橇
  宝石机械自主研制的7000型电驱压裂橇，主要用于非常规油气开发，可实现大排量、高压力压裂作业，是中国石油2019年部署重大工程技术现场试验项目的研究课题。
  7000型电驱压裂橇攻克了小体积、大功率、智能化压裂设备核心技术，具有大功率、长冲程、低冲次的特点，可满足非常规油气工厂化压裂作业需求。产品于2020年12月通过中国石油科技成果鉴定，整体技术达到国际先进水平。
  目前，7000型电驱压裂橇已在四川威远、泸县4个页岩气平台作业。在井底压力从85兆帕激增至107兆帕情况下，产品仍运行正常，高压力、大排量的技术优势明显。（刘怀亮李建申董富强提供）
  攻关之路
  持续探索攻破非常规压裂之困
  工程技术研究院国际业务部副总经理刘付臣
  近年来，随着国内非常规油气资源开发力度不断加大，对大规模水力压裂技术，尤其是低成本高效压裂液的技术需求不断提高。“十三五”期间，休斯敦技术研究中心依托集团公司重大科技专项，系统开展聚合物增稠、降阻机理等基础研究，分别在北京及美国休斯敦组建研发团队，创新合作持续攻关探索。
  研发团队通过高分子结构优化与微观调控，坚持关键剂自主合成，研发了一系列低成本、低伤害、低摩阻、高挟砂、可变黏的降阻剂产品，实现了压裂液技术重大突破，解决了非常规油气开发压裂施工成本高、能耗大、返排液无法循环使用等关键问题，经鉴定整体达到国际领先水平，累计获得美国发明专利2件，制定行业标准1项、企业标准3项，目前已在新疆玛湖致密油、川渝页岩气及长庆页岩油等多个非常规油气开发区块完成先导试验10余井次，降本增效优势明显。
  研究团队中，90后的黄秋实博士是最年轻的一员。为保证北美研发成果在国内的技术转化，他每天在实验室工作10多个小时，时刻紧盯和记录反应温度并实时调整反应参数，午饭常常就是一碗方便面。经过他和团队的不懈努力，终于摸索出合成工艺的关键参数，为后续量产提供精准数据支撑。
  疫情期间的川渝页岩气现场，雨季延绵3个月，现场压裂配液作业受降雨及配制压裂液的返排液性能不稳定影响。为保证施工质量，项目组成员李建申博士冒着大雨，坚守在室外配液车上，实时监测配液水矿化度变化、液体黏度及挟砂性等指标，为长宁、威远4口页岩气压裂井现场试验提供保障。
  休斯敦中心自成立以来，始终致力于高新油田化学核心助剂研发，经过6年多的持续攻关与现场实践，已形成了压裂用低成本高效降阻剂、钻井液用页岩抑制剂、耐高温油基泥浆乳化剂等高端油化产品体系。在国内塔里木油田库车山前、西南油气田川渝页岩气、大庆油田致密油等区块现场试验，均取得良好应用效果，为集团公司复杂区块与深井、超深井钻完井液提质增效提供了有力支撑。
  为进一步降低高效降阻剂生产成本、实现研发成果产业化推广，休斯敦技术研究中心已联合石油化工研究院、长庆油气工艺研究院、长庆油田化工集团、吉林化工等系统内单位组成创新联合体，开展降阻剂中试生产试点工作。（耿莉采写）
  以创新之力破解“压裂”痛点
  记者郭芳
  宝石机械自主研制的7000型电驱压裂橇，是全球单机功率最大的压裂设备，实现了我国压裂装备智能化升级，填补了国内空白。
  压裂泵是对油气储层实施压裂酸化的核心设备。压裂橇是集成压裂泵及其动力设备等的一种成套装备，主要用于页岩气、致密油、煤层气等非常规油气开发，主要有柴油动力和电力驱动两种。科研人员在调研中发现，市场覆盖率较高的2500型及以下柴油驱动压裂车，单机输出功率有限，因外形和重量受限，柴油动力压裂设备输出功率无法进一步增大，不能较好满足非常规油气大规模高效开发要求；电驱压裂橇很好地解决了功率增大问题，最大单机功率达7000马力。
  为实现大功率输出，7000型电驱压裂橇采用长冲程、大直径柱塞设计，显著提高了零部件使用寿命，降低作业成本。该型压裂橇配套了宝石机械自主研发的QPI-7000压裂泵，创造性地研发了压裂泵动力端的并联双润滑系统。两套系统分别设置在传动轴两侧，既满足了大流量润滑要求，又保证了压裂橇结构紧凑、重心低（重心高度小于1米）。
  功率增大的同时，还需考虑运输问题。科研人员采用变频电驱方式，将设备分成压裂泵橇和变频控制房橇两个单元，并进行部件轻量化设计，两橇单独运输均不超限，满足油气田运输要求。7000型电驱压裂橇的功率密度达到141千瓦/吨，是常规2500型压裂车的3.5倍。在5万水马力作业需求下，7000型电驱压裂橇成组后占地面积仅为2500型柴油动力压裂机组的1/2。整机储备功率大，运输模块小，尤其适用于工厂化压裂作业。
  此外，该型压裂橇还采用物联网、大数据、云计算技术，开发了压裂机组运行状态在线监测系统，变“事后维修”为“事前诊断”，可有效降低故障发生率，提高设备使用率。
  实践者说
  打造储层改造提质增效的关键利器
  长庆油田油气工艺研究院工具研究室副主任任国富
  可溶桥塞是水平井分段压裂最核心的工具，前期主要依靠进口，但存在水土不服的问题。一是桥塞核心技术为国外掌握，工具成本高；二是进口桥塞均采用橡胶密封，而长庆油田地层温度低，进口桥塞橡胶溶解不彻底，导致压后清扫困难、井筒处理成本高、试油周期长等问题。
  针对上述问题，历时3年持续攻关，长庆油田攻关课题组打破了传统橡胶密封方式，创新提出“可溶金属封隔、压后快速溶解”的工具思路，在可溶材料、结构设计、施工方法方面取得了突破，最终自主研发出了新一代体积压裂工具——全金属可溶桥塞（DMS可溶球座）。材料上，通过工艺创新，成功制备超塑性可溶金属材料，实现了可溶金属密封替代橡胶密封，打破了“井下工具只有橡胶才能实现密封”的这一传统认识；结构上，创新运用摩擦角原理，设计了自锁机构，实现了工具机构简单、结构紧凑，零部件数较常规工具减少50%；施工方法上，根据长庆油田体积压裂作业特点，差异化设计了不同速率溶解部件，实现了工具溶解最优化，确保压裂后可快速恢复井筒全通径。全金属可溶桥塞解决了橡胶密封引发的多项问题，实现了低温低矿化度工况条件下快速溶解，且显著降低了工具及井筒处理作业成本，成为长庆油田体积压裂主体工具。
  2018年至今，全金属可溶桥塞（DMS可溶球座）在长庆油田累计推广应用400口井5500段，施工成功率99.4%。与进口桥塞相比，单套工具成本节约20%，压后井筒清扫效率提升1倍，试油周期缩短21%，累计节约工具费用4400余万元，提质增效作用显著，成为非常规油气藏储层改造的关键技术利器。（徐佳采写）