油气勘探开发工程新技术发展思考

原创 暗潮  2018-11-27 13:07:26  阅读 795 次 评论 0 条

世界发展日新月异,油气工业资源丰富,油气需求持续增长;美国页岩革命改变了美国能源供应格局,推动世界非常规油气的开发,有效接替常规油气;天然气作为清洁能源,未来将得到大发展,中国及世界天然气需求预计将持续增长,石油公司日益重视天然气开发。

在石油工业上游领域,工程技术主要包括物探、测井、钻完井、修井、储层改造等专业技术,是油气勘探开发行业的重要组成部分。

1 油气勘探开发环境新变化对新技术提出主要诉求

2014年下半年开始的油价暴跌给世界油气行业带来了沉重的打击,石油公司对油气项目的投资将更趋谨慎(见图1);油气发现及开发难度越来越大,降本增效压力大;环保法规及监管日益严格;新能源和新能源汽车的快速发展对石油工业的冲击将逐渐显现。

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1)市场挑战。油气勘探开发投入大、风险大,开发成本高,油价波动对工程技术市场冲击大。本轮油价暴跌给工程技术行业造成了重创,降本增效压力大。国际石油工程技术服务公司的经营面临巨大困境(见图2、图3)。经过此轮重创,国际石油工程技术服务公司对市场风险心存敬畏,恢复元气还需要一个较长的过程,短期内难以重现昔日的辉煌。

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油气勘探工程技术服务市场竞争激烈,不乏来自行业外的技术颠覆者,图4中的颠覆性钻机和钻机智能化设备都来自油气行业外的科技创新公司。在国内,中国石油、中国石化的工程技术队伍面临民营队伍的竞争。

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2)资源挑战。油气勘探开发资源品质劣质化、勘探目标多元化、开发对象复杂化的趋势日益明显。资源品质劣质化指“三低”(低渗透、低压、低丰度)、重质和含硫、高硫原油比例增加;勘探目标多元化指目标包括常规、非常规,深层、超深层,深水、超深水,北极地区等类型资源;开发对象复杂化指包括高陡构造、储层非均质且各向异性、交互层、薄储层、高温高压、异常压力等不同情况的对象,这会导致井下复杂和井筒完整性等问题。

    油气勘探开发区块多位于偏远地区,自然环境恶劣,例如复杂地形(丘陵、高山、黄土塬等)、极端气候条件(戈壁、沙漠、北极等)、海洋环境(滩浅海、深水和超深水)。

3)环保安全挑战。为应对全球气候变暖,更好地保护和改善环境,低碳绿色循环发展已成为全球的共识。为履行《巴黎协定》,各国环保法规日趋严苛,环保监管及执法力度不断加大,导致油气勘探开发工程技术行业的环保压力及环保支出不断增加。

对于油气勘探开发工程技术行业来说,安全永远是第一位的。一些产油国局势动荡,石油公司、石油工程技术服务公司和工程承包商可能面临很大的安保风险。

4)新一轮产业革命挑战。大数据、云计算、人工智能、机器人、3D打印、虚拟现实、量子计算、量子通讯、物联网等高新技术快速发展,催生新一轮科技及产业革命。人工智能正以超乎人们想象的速度快速发展,正快速引入人类生产生活的各个方面,势必给人类生产生活方式带来革命性变化。

能源向低碳化和绿色化转型势不可挡。高效储能技术和能源互联网快速发展,新能源汽车已是大势所趋。全固态锂电池正成为全球动力电池领域的研究热点,预计其商业化应用为期不远,将进一步推动电动汽车的快速发展。

2 油气勘探开发工程技术的新要求与大变革

2.1 技术发展的新要求

为应对上述挑战,油气勘探开发工程企业必须顺应发展趋势,适应新的技术需求,提高企业核心竞争力,引领行业未来发展。

1)增储上产,降本增效。新的钻采技术应不断提高作业效率,减少非生产时间,降低作业成本和吨油成本,更好地保护油气层和创新井型,最大限度地提高储层钻遇率,不断提高探井成功率,提高单井产量和油田采收率,经济高效地勘探开发各类油气资源,尤其是深层、“三低”油气藏和非常规油气资源。

2)“聪明轻巧”,安全环保。持续提升实时化、自动化、信息化、数字化、可视化、智能化、远程化水平,不断减少用工人数,降低劳动强度。坚持安全第一,持续加强HSE管理,确保人员、物资和井的安全,减少占地和噪音,保护自然环境(植被、土壤、水体和空气),节能减排,努力实现零伤害、零污染、零排放。

2.2 技术发展的驱动力变革

油气勘探开发工程技术发展的驱动力由要素驱动转向创新驱动。创新驱动型发展不仅能够满足现有的市场需求,而且能创造新的市场需求。创新驱动日益成为油气勘探开发工程技术发展的第一动力,未来行业技术发展将更多地依赖于创新驱动。

1)创新途径大变革。未来工程技术发展更加注重技术创新,尤其是颠覆性技术创新。跨界融合创新日益成为油气技术、工程技术创新的主要途径。信息技术与油气工业融合发展,以及新材料与油气工业融合发展,将引领油气技术、工程技术颠覆性创新,不断推出新的技术利器。

未来将更加强调开放式研究和合作研发。通过合作研发,例如参加或发起工业联合研究项目,可以减少研发支出,加快研发进度,降低研发风险,实现合作共赢。打造“互联网+”创新平台是互联网时代利用全球研发资源,加快创新的重要途径之一。

2)研发方向大变革[1]。从油气资源角度来看,未来的勘探开发重点是非常规(页岩气、致密油、油砂、油页岩、天然气水合物等)、低渗透、海洋(尤其是深水和超深水)、深层和超深层资源。技术研发的重点就是如何更高效地开发这些油气资源。

从专业技术角度看,未来工程技术创新的主攻方向,一是自动化、信息化、数字化、网络化、智能化,同时将发展一批配套的新材料、新技术、新工艺、新方法、新工具;二是更加强调地质工程一体化。随着大数据、云计算、工业互联网、人工智能等信息技术的快速发展,上游多学科交叉融合已是大势所趋;三是更加强调安全环保,实现安全工程和绿色工程。

综合来看,油气勘探开发工程技术总的发展趋势是:一体化、更优、更快、更省、更“聪明”、更安全、更环保。为促进工程技术发展和油气生产,需要持续地进行管理创新和商业模式创新。

3 油气勘探开发工程技术一体化趋势日益明显

随着油气技术的不断发展和信息化水平的不断提升,上游多学科交叉融合已是大势所趋,油气勘探开发工程技术一体化趋势日益明显,以期实现综合效益最大化。

3.1 石油工程技术服务公司一体化延伸业务链

石油工程技术服务公司从提供单项业务向提供勘探开发一体化解决方案转变,工程总承包服务模式逐渐盛行。服务模式不断创新,新型一体化服务模式将会重塑行业结构和甲乙方之间的合作关系,石油工程技术服务公司与石油公司会逐步形成新型战略联盟合作关系。

斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯GE、威德福、TechnipFMC等国际石油工程技术服务公司不断通过并购做大做强,集研发、设计、制造、销售、服务于一体,越来越多地承接工程作业。与此同时,大型石油工程技术服务公司有向技术服务和石油公司一体化方向转变的倾向。

大型设备制造商通过并购重组,向石油工程技术服务公司转变,例如NOV(National Oilwell Varco,国民油井华高)公司通过不断并购重组,提供的技术服务项目在不断增加。

大型工程承包公司通过并购,向工程承包和技术服务一体化方向转变。例如,Nabors工业公司收购美国Tesco公司、挪威机器人钻井公司后,提供的技术服务项目和软件产品大幅度增加;Helmerich & Payne公司2017年收购了MagVAR公司和拥有专有的钻头导向系统的MOTIVE钻井技术公司;Patterson钻井公司收购了定向钻井分析公司——Superior QC。

3.2 地质工程一体化

随着油气技术的不断发展和信息化水平的不断提升,地质工程一体化趋势日益明显。一是多学科技术一体化,例如电缆测井越来越多地被LWD和集成LWD的旋转导向钻井系统所取代,地震采集、处理、解释一体化,地震、钻井、测井、录井、导向一体化;二是工程设计一体化;三是工程施工和监督一体化,例如工厂化作业。

需要说明的是,尽管油气勘探开发工程技术一体化趋势日益明显,但专业化公司在未来依然有生存和发展空间。

4 人工智能引领油气勘探开发工程技术颠覆性创新[2]

人工智能与油气工业融合发展,将推动油气工业从“数字油气”时代迈向“智能油气”时代,使油气勘探开发工程技术走进“智能工程技术”时代。“智能工程技术”包括智能物探、智能钻井、智能压裂、智能修井等各个环节,将是未来“智能油气”的一个重要组成部分。国外石油工程技术服务公司和国内科技创新公司已陆续推出与钻井相关的智能产品,在人工智能的推动下,工程技术有望在2025年进入智能化初级阶段。

1)智能物探。地球物理行业是“数据为王”的行业,数据是地球物理勘探的基础,地震数据处理与解释的范围和复杂度正在迅猛增长。随着大数据分析、机器学习和人工智能的快速发展,地震解释正朝着智能化方向发展。未来人工智能将代替专家完成地震解释与油藏综合描述,提高解释与描述的效率与精度。

2)智能钻井。未来的智能钻井不是现有技术的简单升级,而是钻井技术的一次全方位深刻革命。具有机器学习能力的智能钻台机器人、智能铁钻工和智能排管机器人将取代钻台工和井架工(见图5),实现钻井作业的自动化、智能化、少人化。

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司钻也将从复杂的操作中解放出来,现场智能控制平台将代替司机完成司钻相关操控,司机不必长时间坐在操作椅上,只是在一些特殊情况下才接管现场操作。地面智能系统、井下智能系统和远程智能控制中心将构成一个有机整体,实现现场和远程中心的大闭环控制(见图6)。地质导向、井下事故处理等一些关键作业,可由远程控制中心的智能控制平台完成,从而实现钻井操作的远程化。

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在超级钻头的配合下,未来的智能钻井将推行水平井超级“一趟钻”,即表层井段“一趟钻”,余下井段“一趟钻”,一口长水平段水平井最多只用两只钻头就能钻成(见图7),从而大幅度缩短钻井周期,降低钻井成本 。未来的智能钻机有望具备管柱连续运动功能(连续起下钻、连续循环、连续钻进、连续下套管),大幅度提高钻井作业效率和安全性,降低钻井成本。

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5 新材料带来油气勘探开发工程技术新利器

油气行业的技术进步与材料科学的发展密切相关。新材料与油气勘探开发工程技术的融合发展,将驱动油气勘探开发工程技术的创新,甚至带来油气勘探开发工程技术的颠覆性变革,产生一批新的技术利器,不断推动油气增储上产,降本增效,提升安全环保水平。

1)九大类新材料。调研结果显示,一些新材料已用于油气勘探开发工程技术领域,应用效果初现端倪,并具有良好的发展前景(见表1)。

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2)石墨烯[4]。近年石墨烯受到广泛关注,石墨烯是人类迄今发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,被称为“黑金”“21世纪新材料之王”,将给人类的生产、生活带来一系列的颠覆性变革。2015年,国家工业和信息化部、国家发改委、科技部联合出台了《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》,我国正引领全球石墨烯的研发及制造。随着技术的不断发展,石墨烯的制造成本持续下降,应用领域不断拓展。

国内外都有公司和机构在尝试将石墨烯引入油气上游,研究石墨烯未来在油气上游的潜在应用。预计2025年前后,石墨烯在油气上游的应用将取得突破,有望产生一系列颠覆性技术成果,例如石墨烯钻头。

6 降本增效是油气勘探开发工程领域的永恒主题

本轮油价暴跌以来,石油公司和石油工程技术服务公司遭受了沉重的打击,油气勘探开发工程技术业务受到的冲击尤为明显。为求生存,石油公司和石油工程技术服务公司千方百计降本增效,取得了明显成效,各类石油生产的盈亏平衡点都有明显下降。

美国致密油生产的盈亏平衡点比油价暴跌前下降了40%以上,部分区域的致密油盈亏平衡点已下降至40美元/桶以下(见图8),使得美国致密油产量大增(见图9)。

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加拿大油砂的开采成本也有明显下降,部分油砂项目的开采成本下降至40美元/桶以下(见图10),使得2017年加拿大油砂产量再创新高(见图11)。国外个别深水项目的盈亏平衡点也下降至40美元/桶左右。

油气勘探开发工程新技术发展思考第9张-暗潮天空 BlueSky

油气勘探开发工程新技术发展思考第10张-暗潮天空 BlueSky

经过此轮油价暴跌的打击以后,石油公司和石油工程技术服务公司比以往任何时候都更加重视降本增效。面对油价波动带来的风险和油气资源开发难度的不断增加,即使未来油价有所回升,降本增效仍将是未来中长期的主题。

参考文献:

[1] Alec Gruss. Artificial Intelligence: Steps to Transforming Offshore E & P for Vastly Improved Business Outcomes, OTC-28974, 2018-05.

[2] DNV. The Outlook for the Oil and Gas Industry in 2018[R].

[3] 杨金华,郭晓霞. 一趟钻新技术应用与进展[J]. 石油科技论坛,2017,36(2):38-40.

[4] 杨金华,郭晓霞. PDC钻头技术发展现状与展望[J]. 石油科技论坛,2018,37(1):33-38.

(来源:国际石油经济;作者:杨金华,李晓光,张焕芝等;单位:中国石油集团经济技术研究院)

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