石油新技术与装备调研

一、石油开发领域新技术装备

1、 油藏纳米机器人（Nanobots 或Resbots）

不是传统意义上的纯机械机器人，而是一种化学分子系统和机械系统的有机结合体，是能够在纳米空间进行操作的“功能分子器件”，大小不足人类发丝直径的1/1000，通过注入水进入油藏，在地下旅行期间探测岩石及所含流体的性质，并将信息存储起来或实时传送到地面，在生产井中随原油产出并被回收，以便提取机其携带的各类储层及流体信息。其测量的垂直分辨率远高于测井和岩芯分析，探测范围介于测井与地震勘探之间，非常有助于进行油藏表征。

在油气勘探与开采中具有多种用途：辅助圈定油藏范围、绘制裂缝和断层图形、识别和确定高渗通道、识别油藏中被遗漏的油气、优化井位设计和建立更有效的地质模型，将来还可能用于将化学品送入油藏深处进行驱油。有助于延长油气田的开采和供应年限，提高累积产油量和采收率，对发现和开采当前存储于地下大量的剩余油具有重要作用。

目前从事油藏纳米机器人研究的机构主要有沙特阿美石油公司和先进能源财团（AEC）。阿美公司继2007 年提出油藏纳米机器人概念，2008 年完成可行性研究后，2010 年成功进行了回收油藏纳米机器人的现场测试。AEC资助的美国莱斯大学也已制造出油藏纳米机器人（Nanoreporters）。

该技术面临的主要问题是：（1）机器人的部署：如何实现机器人在非均质油藏中的均匀分布，在恶劣环境下如何保护机器人，如何回收机器人（无源情况下）；（2）遥测/定位：如何从数百万个机器人中实时提取数据（通讯/采集），如何确定每个机器人的空间位置以

及采集数据的时空地理定位；（3）数据采集：如何探测被绕过的油气（经常在流动通道之外）、如何增加传感器的探测深度、如何读取数据；（4）数据处理：如何有效处理、分析和使用采集的数据，有效开采油气。

2、 缝网压裂技术

是近年来伴随着天然裂缝性油藏压裂理论研究而发展起来的一项新型压裂理论和工艺技术。能够实现网状裂缝的压裂技术统称为缝网压裂技术，包括同步压裂（Simulfrac）、拉链式压裂（Zipperfrac）和得克萨斯两步跳压裂（Texas Two Steps）等。这3 种压裂技术都是通过巧妙的压裂设计来增加井与井之间、段与段之间的岩石应力干扰，进而形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的三维缝网，增加页岩气、致密油等非常规油气储层的改造体积（SRV）, 提高初始产量和最终采收率。

同步压裂是指两口或两口以上的相邻平行井同时进行压裂，每口井配备一套压裂机组，压裂过程中通过裂缝的起裂改变就地应力场，利用应力的相互干扰形成复杂三维缝网，进而提高改造体积和最终采收率。目前已发展到最多5 口井进行同步压裂。

拉链式压裂是用一套压裂机组在两口离得比较近的平行井上轮流作业，即在一口井的压裂间隙，压裂管线迅速连接到另一口井上去压对应的层段，然后再返回原来的井继续压下一段，如此反复。

得克萨斯两步跳压裂的灵感来自于美国西部特有的一种舞蹈——得州两步舞，它不是像传统方法那样按照从端部到根部的顺序依次压裂，而是通过一组机械开启式滑套进行有选择性的压裂。

同步压裂和拉链式压裂主要是通过压裂过程中井与井之间的相互干扰，改变裂缝方向，

形成复杂三维网络，而得克萨斯两步跳主要是通过段与段之间的干扰，改变岩石的应力促进分支裂缝的产生，以创建复杂的三维裂缝网络。

目前同步压裂和拉链式压裂已经成功地用于多个页岩气产区，得克萨斯两步跳压裂法还处于概念阶段。微地震监测结果表明，同步压裂、拉链式压裂之后的储层微震事件明显较多，并且有重叠的现象。据专家测算，与普通压裂作业模式相比，同步压裂平均增产30% 以上。美国EOG 资源公司在Barnett页岩成功进行了5 口井的同步压裂作业，5 套压裂机组同时作业，井距为114m ，5口井总的初始产量为9 6.2×104m 3/d 。据EOG公司预测，最终采收率可以达到原始地质储量的% 。

3、 高导流能力压裂技术（HIWAY）

是一种有别于常规依靠支撑剂形成压裂裂缝导流能力的全新流动通道压裂技术，由斯伦贝谢公司历时7 年进行技术论证、研发和先导试验，2010 年投入商业化应用，目前正在全球推广。

据称，这项技术可从根本上改变形成裂缝导流能力的方式，适用于固结岩石的压裂处理，可在压后裂缝的支撑剂充填层内建立稳定的流动通道，减小裂缝对油气的流动阻力，增加有效裂缝长度，在油藏和井筒之间实现无限导流能力，进而提高产能和采收率。大量实例证实，HIWAY 通道压裂技术增产效果明显，目前已经在美国、加拿大、阿根廷、俄罗斯和墨西哥等8 个国家和地区由30 多家作业公司进行了超过3000 级的压裂，无论是用于直井还是水平井，产量均有大幅度提高。阿根廷南部的Loma La Lata 油气田是阿根廷主要的天然气生产地，其300 多口生产井中有7 口井，应用HIWAY压裂方法进行了改造。选择8 口采用常规压裂方法的邻近井作为对比井，结果显示，HIWAY压裂井初产比邻井高53% 。根据初产前两年的生产数据预测，HIWAY压裂井10年之后的最终采收率将比邻井高出47% 。

4、 段数倍增技术（Stage Multiplier）

是美国Pakers Plus公司用于大幅度增加水平井压裂段数的新技术，对增加高产层段的几率，提高单井产量具有重要意义。

段数倍增技术是通过一个允许重复投球的工具——Repeater PORT滑套实现同一尺寸的球多次投放和准确坐封在特定位置，进而实现压裂段数的倍增。这项技术除了能够有效地成倍增加压裂段数之外，还可以减少完井时间，增加单井产量，提高井的经济性。该项技术已经在美国成功地进行了现场测试，2010 年单井压裂段数从20 段提高到40 段，2011 年增加到60 段。目前研发目标是使这项技术用于更长的水平井，缩短各段之间的间距，单井压裂段数达100 段。

5、 环球快速压裂技术（QuickFrac）

是Packers Plus公司2011 年推出的一套全新的压裂工艺，通过采用限流和其他专利技术，在地面进行一次泵注作业就可以实现地层多级压裂。对于每个待处理的目标层位，QuickFrac系统由多个QuickPORT滑套和RockSEAL RII封隔器组成，QuickPORT滑套（相当于一个可以机械开启的流入口）安装在两个RockSEAL R II封隔器之间。这种工具结构把一个目标层位分割成若干个相互的小段，投一次球即可打开该层内所有的滑套，从而大大节约泵送时间和成本，降低压裂液用量。

QuickFrac技术已经进行了成功的现场试验，在地面进行15 次压裂液泵送作业就可以实现多达60 级的压裂，很好地满足了Bakken、Horn River 和Montney 等地区增加压裂段数的需求，目前正在全球商业化推广。在Horn River 盆地的使用结果表明，QuickFrac工艺比标准的StackFRAC 工艺节约60% 的作业时间。

6、 导向套管钻井技术

套管钻井作为一种高效低成本控制井眼问题的先进钻井技术，适用低压带、页岩层、煤层以及多压力带地层，在钻井提速、降本增效及解决循环漏失问题等方面具有很好效果，越来越受到油气钻井业的重视。近年来与旋转导向技术相结合，套管钻井成为导向钻井技术的新方向，近年来推出的导向套管钻井新技术包括：

定向套管钻井技术（DCwD）：使用可回收的导向式井底钻具组合（BHA），实现套管钻井过程中的导向，导向工具既可使用旋转导向系统，又可使用容积式马达。该技术由斯伦贝谢与TESCO公司共同研制，适用于易发生漏失和井壁稳定性差的低压油田或老油田，目前已在北海和中东地区获得应用。2010年，DCwD技术在马来西亚一座海上平台作业，创造了13-38英寸 DCwD套管作业深度最深（1201米）、套管倾斜角度最大（58°）、机械钻速最高（100米/小时）的世界纪录。

可导向尾管钻井系统（SDL）：是世界上首个实现可导向的尾管钻井系统，由贝克休斯与挪威国家石油公司共同开发。该系统结合贝克休斯的EZLine尾管钻井系统、AutoTrak旋转导向系统、X-treme马达、EZCase套管钻井专用钻头四种先进技术，可在尾管钻井的同时实现旋转导向，可承受大钻压及高扭矩，并可在井下进行BHA更换操作。2010年1月，SDL系统在Statfjord油田完成第二次先导性试验，机械钻速与常规钻井速度相当，导向效果令人满意。

SureTrak尾管导向钻井系统：由贝克休斯于2013年推出，解决了复杂地层条件的安全钻井问题。应用SureTrak钻井系统，可以钻穿复杂层位、评价储层、一趟钻完成钻进和下尾管作业，大大减少作业时间和施工风险。该系统综合应用了目前成熟先进的旋转导向钻井和尾管钻井技术，能够兼容AutoTrak旋转导向系统和模块化随钻测井、随钻测量系统，可以获得多种关键的井下实时数据，如压力、电阻率、伽马、中子、密度等，从而为地面决策提供科学依据。

可导向套管尾管钻井技术的推出与成功应用，解决了定向钻井和水平钻井的井眼问题，为部分老井加深、深井延伸困难等问题提供一种有效解决方案，也为套管钻井技术的大规模应用奠定基础。

7、 连续起下钻及连续循环钻机（Continuous Motion Rig，简称CMR） 是一种新型的双井架自动钻机，它能够完成常规钻杆的连续、快速起下钻，以及常规套管的连续、快速下套管作业，并实现连续循环和连续钻进。其可行性研究已于2010 年年中完成，目前正由挪威油井系统技术集团（WeST 集团）旗下的WeST 钻井产品公司通过一个联合工业研究项目开展研发。

主要部件包括：设计紧凑，看上去像一个井架的双井架；两个井架机器人；两套提升系统，配备顶驱和自动上卸扣装置，两提升系统各自的提升能力为750t；两套自动管子操作设备。主要优点是（１）作业效率高，实现常规钻杆连续、快速和匀速的起下钻；（２）作业安全性高，实现钻井作业过程的全自动，无需钻台工和井架工，避免人员受伤；（３）钻井成本低：因作业效率的提高，钻井周期有望缩短20% 以上。钻井周期的缩短和作业安全性的提高所带来的效益完全可以抵消钻机日费的增加，并有望降低钻井成本。缺点是井架的高度和重量有所增加，钻机相对复杂，预期成本高，钻机日费高。CMR 钻机有望实现全自动连续钻井作业，并在陆上和海上钻井中推广应用，如与正在推广应用的海上双作业钻机的功能集成在一起，在海洋钻井中提速提效潜力将更大。

8、 智能钻杆（Intellipipe）

是一项致力于解决钻井过程中泥浆脉冲传输和电磁波传输速度慢，随钻测井多数数据不能实时获取的难题而研发的先进技术。最早由美国Intelliserv 公司提出，并得到了美国能源部的资助，自2004 年通过全尺寸现场试验以来，不断发展和完善，目前美国国民油井华高公司（NOV）通过公司收购掌握了智能钻杆的核心技术。

智能钻杆实质上是一种有缆钻杆，电缆之间通过电磁感应实现 “软连接”，通过电磁感应原理实现信号在钻杆间的高速传输，由智能钻杆、井下接口短节、信号放大器和顶驱转环组成遥测系统，以实现全井筒随钻监测与评价。NOV公司通过智能钻杆遥测系统构成一个井下宽带数据传输网络，不仅方便井底随钻测量，还能实现全井筒随钻监测，哈里伯顿、贝克休斯、斯伦贝谢和威德福等多家油田技术服务公司已经研发相应的井下接口短节，在陆地和海上钻井作业中推广应用，在提高作业效率、缩短钻井周期、降低钻井成本方面发挥了重要作用。

9、 随钻地层流体分析与采样技术（Fluid Analysis &Sampling While Drilling ，简称FASWD）

是一项非常适合于高成本钻井环境下采集地层流体样品的技术，它通过随钻地层流体采样器在停钻时分析并采集地层流体样品，钻进时有助于降低偶发事件成本、精确控制过压和当量循环密度、提高井壁稳定性及加强井控，可以在钻开地层的数小时（而不是数天）内采集到多个流体样品，降低钻井液滤液侵入的影响，得到更清洁的样品。

目前，哈里伯顿、斯伦贝谢和贝克休斯等公司均推出了各自的随钻地层流体分析与采样仪器，完成了随钻地层流体采样技术的现场测试。测试证明应用这项技术，可省去钻后电缆流体采样作业，大大节省钻机时间和成本，提高效益，加速油藏表征的进程，优化井眼位置，在油藏寿命期内实现产量潜力最大化，极大地促进更加复杂油藏的勘探与开发。

10、MultiNode全电动智能井系统

是由贝克休斯公司研发的业界第一款先进的完井系统，可提供远程控制监视和精确控制产层，管理水和天然气的渗出，提高最终采收率。该系统可通过对高含水和高含气产层进行节流来改变油藏条件，平衡水平井段的生产。

11、Mark IV高可用性防喷器控制系统

Cameron公司的Mark IV的高可用性（HA）防喷器控制系统为业界第一个三箱（3POD）水下防喷器控制系统。第三箱（其它两个为蓝箱和黄箱）将钻井系统共作业可用性的冗余度提高了98%。每个箱（POD）设计简洁，提高了防喷器控制系统的可靠性。

12、Dreamliner技术

由澳大利亚Fishbones公司研发，是一项简单，准确，高效的储层改造新技术，该技术可利用标准的钻机泵设备和现有流体，通过流体流动在地层中同时创建数量众多的相互的水平井眼，从而提高生产效率。

二、石油勘探领域新技术装备 1、元素测井仪

地层评价对油气勘探和开发非常关键，元素分析是地层评价的重要手段之一。最新推出的新一代元素测井仪通过全面的地层元素测量，提供岩性和矿物学信息，可对复杂矿物地层进行快速精确评价；还可与实时数据采集软件结合，快速准确地提供现场与边远地区的地层元素可视化结果。

新一代元素测井仪器利用测量的伽马能谱推导地层中的各种元素含量，重要的技术突破在于能够测量碳酸盐岩中的锰，提高了镁和铝的测量精度。这些都是油藏描述中非常重要，也是至今为止最难测量的元素。此外，新仪器用脉冲中子源取代了化学源，更加安全、环保、高效。同时，通过对井内伽马射线与热中子的屏蔽，大幅降低井眼周围的环境对测量结果的影响，提高了信噪比和测量精度。新仪器耐温350华氏度、耐压20000磅平方英寸，可以在淡水、盐水、油基泥浆及空气等多种井眼介质中工作。通过对新增加元素的测量，可以更好地确定矿物成分，改善对孔隙度、饱和度、渗透率的评价效果，为储量计

算、优化完井和增产设计等提供重要信息。目前，新仪器已经成功完成试验和现场测试，并获得令人满意的试验结果。

2、GeoSphere储层随钻测绘服务

由斯伦贝谢公司提供，可揭示井筒外100英尺内的地下层理和流体接触的详细信息。该储层规模级视图可提供一个前所未有探测深度（100英尺），使运营商能够优化着陆点，最大限度地增加储层暴露程度，并利用实时解释方案得出的深-定向测量细化油田开发计划。

3、Quanta Geo油藏实况地质服务

斯伦贝谢公司的Quanta Geo油藏实况地质服务重新定义了油基泥浆环境下的成像解释，可提供非常详细的、类似岩心的微电阻率图像，从而在视觉上直观表示地层地质。这些图像能够得视觉识别出可信的沉积相并确定沉积方向趋势，从而减少油藏模型的不确定性，更好地制定油藏发展规划，并量化项目的经济性。

4、Welltec 环空封隔器

由丹麦Welltec公司研发制造，是一种可膨胀式金属环空封隔工具，可用来取代水泥封隔。该工具设计坚固耐用，金属膨胀率大，Delta P性能 高，满足ISO V0监管标准，其新奇的性能可以使其从表面延伸，迅速适应周围开放（或套管）的钻井环境，可替代很多工程中的水泥需求，已经被用作无水泥初级井屏障，以在整个井生命周期内封隔表层套管环形压力，降低了对水泥的需求和成本，提高了生产率和安全性。