页岩气开发专题(十) | 郑子琼：页岩气
时间：2020-01-15 10:20
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以“高效推动中国页岩气开发”为主题的第九届中国页岩气发展大会，于2019年12月28日成都胜利闭幕。本届大会由中国石油天然气集团公司、中国石油化工集团有限公司、中海油研究总院有限责任公司、中国石油化工集团工程技术顾问有限公司，中国海洋石油研究院，以及中国石油大学、中国石油工程学院非常规科学技术研究院、四川省人民政府、成都市博览局、北京振威展览有限公司、《石油与装备》共同组织召开。
海默科技（集团）股份有限公司首席顾问兼研究院院长 郑子琼
第九届中国页岩气发展大会围绕页岩气开发产业的产业发展、高效开发、技术创新管理等层面的热点话题，进行广泛深入的探讨。海默科技（集团）股份有限公司首席顾问兼研究院院长郑子琼表示，非常规油气开发全周期方面如何优化，发挥更大效益？控制压裂返排，延长液力端寿命，多相流量计工具解决了很多现实问题。
据了解，小工具虽小，产业链上可能微不足道，但能解决很多目前面临的短板问题，直接影响了效率，特别是油气生产周期高产延续的问题。
以下是海默科技（集团）股份有限公司首席顾问兼研究院院长郑子琼现场发言实录：
各位院士，专家、领导把中国近年来在页岩油气开发中各种的成果已经做了非常好的总结。我从2003年回国就亲身参与了一些页岩气开发活动，对我们国内取得的种种成绩感到非常激动与振奋。
海默科技是中国最早的一家到美国投资非常规油气田民企上市公司，在学习了美国页岩油气田开发的一些经验后，根据这些经验又开发出了有助于非常规油气开发的新技术，在非常规油气开发全周期方面如何优化，发挥更大效益。
第一，我想介绍一下多相流量计在页岩油气开发中的一些特殊应用。我会更加多的聚焦于全周期的生产优化。
回顾过去20多年，页岩油气开发发展得非常非常快。主要贡献技术有两条：一是水平井，二是分段压裂。水平井段从早期的几百米到现在达到了5公里多。压裂从十几段到几十段。最新的水平井记录是今年9月份美国二叠盆地中国的Surge Petroleum公司打了一口最长的页岩油水平井，长5.4公里的水平段，压裂52段。
此外压裂方面还有最多64段的记录。这上面列出了其他演变，包括压裂液从胍胶到只用滑溜水；支撑剂从陶粒到石英砂粒；井场从单井到丛式井；压裂从单井压裂到拉链式压裂等等；都是用各种各样的手段提高钻井压裂效率进而提高产量降低成本。
刚才谈到丛式井，这是我们美国区块周边一些其他的区块中的井眼轨迹设计，水平井基本上都是1.5英里到2英里长的水平段。这个图是我们可以直接从卫星图上可以看到的Chesapeake井场，一共五口井。从以上可以看到各种的聚焦于地下施工增效降本的手段非常多。
目前还有一些新的发展动向，大家都在讨论页岩油气开发下一步如何再改进。我们既然已经钻了井，既然已经压裂了，在地下能做的我都做了，我们还能做点什么改进？我们如何能够延长油气井高产部分的生产寿命？大家也知道页岩油气生产最大的特性就是递减特别快，早期在一年当中递减80%、90%都有，这些递减是和地层本身的特性有关的，同时也和我们的压裂返排控制相关。
中国页岩油气的开发环境比美国更复杂、更困难，成本也就相应更高。这样在压裂之后，如果是返排处理不好的话，很有可能压裂压得很好，但是最终生产不好，与实际上可以生产相差甚多，造成很大的浪费。压裂形成的裂缝在返排过程中，缝内压力的降低不是均匀的而是有先有后的。近井眼部位压降最大，远离井眼处压降会小得多。如果返排控制不好会造成压裂裂缝近井眼处过早闭合，或者在此部位造成支撑剂破碎堵塞液体流动通道。这样把一个原来钻得很好、压裂得很好的井变成一个生产能力很低的井。所以最近在国外有一些讨论，看如何能够在压裂返排过程中通过控制返排来提高油气井的生产效率，以减少表层损伤的方式延长油气井的寿命。这里有三篇相关的SPE文章，大家有兴趣可以看一下。
拿其中一篇文章为例，这家公司做了两个试验，一口A井试验把返排压降放得最快，目的是越早见油越好；而B井是一点一点摸索着返排，根据返排流量的表现来控制下一步喷嘴大小。这需要有高频率的流量计量。只有有了高频的数据反馈，你才能用它分析返排的效果。这两个试验用了多相流量计做高频率的多相流计量，用于返排过程中压力-流量分析，并反馈来控制返排速度。我在前面说过，由于接近井壁处压降最大，如果返排过快有可能造成裂缝在井壁附近先关闭，那么裂缝里面的液体就排不出来，以及有一些支撑剂被压碎流动，造成堵塞。同时有碎屑高速流出来也会造成油管以及地面设施的损坏。这里是A井和B井最后得到的参数。可以看出B井的生产特性要比A井好得多。
这是出于2018年戴文能源公司的一篇文章，它谈到在返排过程中要高频采集数据，采集数据同时中做瞬间流动分析TFA，根据分析结果控制返排程序。他们设计了一个压裂返排过程精准控制的规范。戴文能源公司强调这个规范在鹰潭地区实施以后，他们所达到的头30天产量较应用这个规范之前翻了一番。他们也在鹰潭地区与其他油气公司的头90天产量做了比较。根据这张图大家很容易看到这种控制是非常有效的，他们的头90天产量比其他公司的产量相比高出了一大截。
下面介绍一下多相流量计在压裂返排方面的应用。多相流量计可以高频率的在线计量油、气、水三相分别的产量，不像使用测试分离器时需要等待各相靠重力的自然分离，造成产量计量数据的滞后和人为的数据平均化。使用它的最大优势是可以大大简化我们测试过程中使用的设备，尤其是测试分离器。它们大多是3、4米高，6米或者7米长的大型压力容器。在返排过程中要是使用高压分离器的话，成本会非常高。否则就要在返排过程中进行减压措施，这样带来了大大增加的施工费用和安全隐患。这张图里大致列出了使用多相流量计对比测试分离器的众多优势，就不一一读出来。目前海默科技用含砂仪和多相流量计在美国与各种各样的压裂返排服务公司合作，用于进行压裂返排过程计量与控制与。
这是一个多相流量计与分离器的比较图。多相流量计的体积是0.4米×0.6米×0.3米，压力可达35兆帕或者更高，液体缓冲时间0分钟。这是一个高压3相测试分离器。所谓高压就是一个10兆帕而已。它的大小为2.2米×3.3米，处理量（可用的流量）十分有限，缓冲时间要几分钟。在美国一些区块非高压测试时也有使用两套容器的，一个卧式分离器加一个立式加热器。而单卧式分离器的尺寸就是2.4米×6.2米。
这是在美国压裂返排服务过程中使用的海默科技的一些产品，包括第一个是潘多拉数据系统，用于采集所有井场数据并提供监控作用；第二个是含水/含砂仪；第三个是短节型多相流量计。
这是一个美国压裂返排的设备安放设计图，采集数据时用我们潘多拉数据系统，可以实时远传到客户需要传送到的服务器。在井口管汇后放一个含砂仪，可以把瞬间出砂率是多少计量并记录下来。在此之后还是要做除砂的，但是除砂系统就不需要计量砂子有多少。在美国除砂器中砂量的计量是隔一段时间打开除砂器，用大铁锹铲出砂子放到磅秤上称重，但是受到砂子干湿的影响无法精准计量出砂量以及出砂时间。在除砂器后面安置的多相流量计会把在瞬间流入的油、水、气流量实时计量并由潘多拉系统远传到预先约定的服务器，供办公室里或者其他地方的工程师分析使用，包括现场返排作业人员使用。之后返排液还是要分离处理的，不过不需计量了。工程师利用这些数据通过进行瞬间流动分析，反过来优化控制返排速度。同时，使用含砂仪计量瞬间出砂率，也可以告诉我们返排程序中什么时候出砂结束了，这就等于告诉了我们什么时候我们的返排作业可以结束了。
放在这个桌子上的就是一个含砂仪，砂子通过这个设备的时候瞬间出砂率会被计量出来。
如果我们同时用潘多拉数据系统的话，就可以把井场各种各样的参数瞬间远传，也可以进行边缘计算。这些是多相流量计以及含砂仪在非常规页岩油气开发应用过程中的简单介绍，其他应用介绍就不多讲了。
下面我想介绍一种新型长寿命液力端碳合金钢材料。从液力端的破坏失效方面，我们做过很多分析。液力端大家也知道，是用于把压裂液从大气压瞬间提高到压裂所需高压后再压到地下造成裂缝。这些柱塞在动力端带动下不停的运动，实际上造成液力端处于一个加载卸载周期性受力环境，并形成应力疲劳，加上酸液而形成应力腐蚀破坏。我们做过很多的寿命分析，发现液力端的破坏基本上都是在相贯线表面有一些小型裂缝形成以后，周期性载荷使得裂缝扩展造成的最终破坏。所以说如果我们想把液力端的寿命提高，最重要的就是把它的断裂韧性提高起来。现在北美已经有近70%的液力端换成了不锈钢。不锈钢的好处就是断裂韧性非常高，又抗腐蚀。但是不锈钢的成本也会高出很多，虽然在北美不锈钢液力端寿命已经达到了上千小时，成本也比碳钢增加了70%以上。
我们现在在试验不用不锈钢而用其他材料代替较低寿命的碳钢材料。基于现在通用的4330碳钢合金，我们研制了两组新型的碳合金材料，这是通过一年半到两年的研发得到的。它的断裂韧性从原来的70左右，翻了一番以上。这是它最重要的一个特点。它的强度和不锈钢差不多少，但是成本比不锈钢低很多。
这是一个电子扫描镜分析，上面的是4330碳钢，下面是新的合金碳钢，大家看到新材料均匀度好很多。
不知道大家搞金属材料的人有多少，不锈钢本身一大特点就是奥氏体残余量较多。在4330这种材料里面几乎检测不到奥氏体残余量，而这两种新的碳合金钢里面奥氏体残余含量可以达到17%以上。
这些是裂纹腐蚀扩展的试验，上面的是新材料，下面的事4330材料。在固定的压力环境，和同样的边界条件情况下，上面材料裂纹只扩展到2.75mm，而下面的扩展到了3.15mm。别看这点差距，它带来的寿命长短相差是很大的。
我们还做了一系列其他试验验证新材料的确可以延长液力端寿命，因为时间关系我就不多介绍了。
把最后一页数据对比介绍一下，上面两个是我们研发的新材料，如果用这个新材料本身数据作为基数的话，4330裂纹长度比新材料裂纹长度要高18%，而裂纹扩展速度也比新材料高19%。和以前最早的碳钢比较，实际上我们这个新材料的抗裂纹扩展的能力已经提高了100%以上。现在实际上这种新材料造出的液力端已经在现场进行试验使用。以目前使用的结果看，与原碳钢的液力端相同的使用条件下比较，已经比原碳钢液力端寿命提升了50%以上，而且还在继续用。我们也期待着早些出结果，因为在非常规油气开发过程中水平井压裂是非常重要的，而压裂过程中，除了压裂液，砂子之外还有一个很大的耗材就是液力端。如果液力端能够把寿命提高80%、100%，而成本却不是像不锈钢那样一下增加了70%、80%，只是增加了20%、30%，这样会给非常规油气以及其他油气资源开发带来很大降本效果。
我今天主要就跟大家分享一下这两个技术，希望大家能够有所受益。谢谢！
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