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海默科技首席顧問兼研究院院長鄭子瓊博士第九屆中國頁巖氣發展大會現場發言(上)

——多相流量計在頁巖油氣開發中的應用

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  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:今天上午和下午各位院士、專家、領導把中國近年來在頁巖油氣開發中的各種成果已經做了非常好的總結。上午跟大家討論的時候也說過我從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。

  海默科技是中國較早一家到美國去投資美國非常規油氣田的一家民企上市公司,學習了美國頁巖油氣田開發的一些經驗,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。這次來我想跟大家分享兩個方面的新技術,這兩個方面都是跟地面設備相關的。前面各位領導專家都介紹了地下施工、鉆井完井相關的技術手段和成果,現在我講一講不太相同的方面,就是非常規油氣開發全周期如何優化,以發揮更大效益。

  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,并聚焦于全周期的生產優化。

  [見下圖]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。以下列出了其他演變,包括壓裂液從胍膠到只用滑溜水;支撐劑從陶砂粒到石英砂粒;井場從單井到叢式井;井距由大到小;壓裂從單井壓裂到拉鏈式壓裂等等,這些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。

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  剛才談到叢式井,[上圖]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。下面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。

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  從以上可以看到各種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,早期一年的遞減速度最大可達80%、90%,這些遞減既和地層本身的特性有關,也和我們的壓裂返排控制相關。

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  上午我也大概說了一下,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,如果返排處理不好的話,即便壓裂壓得很好,但是最終生產可能不好,與實際上生產相差甚多,造成很大的浪費。壓裂形成的裂縫在返排過程中,其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,這樣會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。[上圖]這里有三篇相關的SPE文章,大家有興趣可以看一下。

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  [上圖]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,并反饋用來控制返排速度。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,以及還有一些支撐劑被壓碎流動,造成堵塞。此外,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。

  [下圖]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RFA,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,他們所達到的前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。

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  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。這些測試分離器大多是3、4米高,6米或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,如果返排液中有高腐蝕性成分存在,這些大型容器會有幾十倍的成本增長。否則就要在返排過程中進行減壓措施,這樣會帶來了大大增加的施工費用和安全隱患。下面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,我就不一一把優勢讀出來了。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。

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  [下圖]這張圖請大家看一下,這是一個多相流量計與分離器的比較。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。

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  [下圖] 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;第二個含水/含砂儀;第三個短節型多相流量計,分直接介入與撬裝兩種。

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  我不知道現場搞壓裂返排的同事有多少,[下圖]這是一個美國壓裂返排的設備安放設計圖。采集數據的時候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,可以計量瞬間出砂率并記錄下來。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了。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,但是受到砂子干濕度的影響無法精準計量出砂量以及出砂時間。而在除砂器后面安置的多相流量計會對瞬間流入的油、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返排作業可以結束了。

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  [下圖]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。

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  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。[下圖] 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。

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