Oilfield Review

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1 油田 新 技术 斯伦贝谢 油田新 技术 斯伦贝谢 2015 年 5 月 内部资料 仅供赠阅 2015 年 5 月 海洋野生动物与勘探生产 降低钻头前的不确定性 内部资料 多相流模拟 仅供赠阅 随钻储层成像技术 连续油管完整性

2 油田新技术微信账户上线了 扫描二维码, 关注油田新技术微信账户, 即可了解国内外油气行业最新发现和技术 如何通过微信手动添加 : 进入微信通讯录 -- 选择 " 订阅号 "-- 选择界面右上角的添加 "+"-- 搜索 " 油田新技术 "--- 选择 " 关注 ", 即可浏览我们的账户信息了 油田新技术关注与分享国内外石油天然气行业最前沿的技术和产品, 投稿人包括了斯伦贝谢公司全球各领域 的专家以及来自石油院校, 研究机构以及其他相关企业的资深从业人员 任何转载或者刊登事宜, 请联系斯 伦贝谢中国公司市场部 (marketingcha@slb.com) 关注我们的微信, 即可浏览的最新文章包括 : 测量套管腐蚀以延长使用寿命 天然裂缝性碳酸盐储层的增产技术 构造导向一通向高产能之路 全方位海上地震成像技术进展 电缆地层测试技术新进展 非常规油气储层的多级压裂增产技术

3 油田新技术 杂志的发展历程 自 1926 年斯伦贝谢公司创立以来, 技术与方法的交流与沟通对公司取得成功以及在与客户开展合作应对挑战方面始终发挥着至关重要的作用 下面, 我想简要介绍一下斯伦贝谢发展过程中在技术交流与沟通方面的一些具有里程碑意义的大事件, 并对 油田新技术 杂志的未来发展做一些展望 1930 年, 康拉德 斯伦贝谢让他的女儿多米尼克为公司在世界各地的大约 30 名现场工程师着手创办一份技术通讯刊物 这一内部刊物名为 PROSELEC, 使用的语言为法语, 编辑部设在巴黎, 该刊物一直开办到第二次世界大战开始 康拉德认为他已经发现了如何对最基本的电阻率仪器进行改进使之能够对原状含油岩石深部进行测量, 他还认为这一新方法能够识别含油气地层 在此之前, 电缆测井资料主要用于井间对比 他在位于巴黎的办公室通过电报向其位于世界各地的全部 34 名现场工程师快速通报了这一想法, 并督促他们进行实验应用 1932 年, 马塞尔 雅比奥尔在苏门答腊为壳牌公司进行测井作业时第一个使用了这一创新技术, 立即见到了效果 他测得的测井资料首次显示地层含油气, 而不是含水, 这些测井资料在三个月后被送到了康拉德的办公室 油田技术领域的一个全新的时代也由此开始 1941 年, 作为研究部门的主管, 亨利 - 乔治 道尔用一页纸的篇幅编写出一份技术通讯, 这一名为 研究计划 的技术通讯也成为斯伦贝谢历史上最著名的技术通讯之一 道尔在斯伦贝谢创立之初就加入了公司, 一开始是从事现场工作 他毕业于巴黎综合理工学院, 与康拉德的女儿安妮特结为伉俪 这一手写书稿列出了 21 个项目, 其中一些具有挑战性的项目如今仍旧是斯伦贝谢工程研究的核心, 其中包括 侧向测井探测曲线 以及 孔隙性地层的压力和渗透率测试装置 当然, 项目清单中还包括当时作业中面临的挑战, 如 绝缘导线重量 和 5 电流计记录仪 等 20 世纪 50 年代, 道尔赋予该技术通讯刊物新的生命, 将其更名为 The Technical Review, 以期促进研究与工程部门和现场之间在概念 技术发展和现场问题解决方案等方面的交流与沟通 The Technical Review 编辑部位于美国康涅狄格州利奇菲尔德, 这里也是斯伦贝谢首个研究中心所在地 该刊物当时属于绝密, 只分发给世界各地指定的工程师和技术经理 斯伦贝谢认识到, 与客户不断加强合作对于研发技术以有效勘探开发日趋复杂的油气藏极为重要 鉴于此, 1986 年斯伦贝谢开始将 The Technical Review 分发给客户 油田新技术 ( 英文版 ) 第一期于 1989 年出版, 该刊物是将 The Technical Review 与安纳聚尔和道威尔公司 ( 目前是斯伦贝谢旗下公司 ) 前期出版的刊物综合的结果 油田新技术 ( 英文版 ) 编辑部成员有八人, 分别来自斯伦贝谢的利奇菲尔德研究中心和英国剑桥研究中心 目前, 油田新技术 发行量为 册, 此外还有读者应用程序和越来越多的在线内容发布于斯伦贝谢网站 slb.com 上 词条不断增加的 油田词汇表 ( 英语和西班牙语, 可通过应用程序进行查阅 ) 以及基础专业系列文章等都使在线刊物内容更加丰富 在未来一年到一年半的时间里, 油田新技术 将加强其在线内容的发布, 鼓励读者更广泛 深入地参与 ; 在线读者的数量目前已远远超出印刷刊物的读者数量 在不断增加在线内容的同时, 我们力求将这些内容以更加现代 便于理解的方式呈现给读者, 与此同时您将继续收到一年三期的印刷刊物 随着油气藏的复杂程度越来越高, 作业环境越来越具有挑战性, 业界的交流与协作日趋重要 油田新技术 将继续致力于为全球勘探与生产行业的专业人员提供权威 客观 启发性的信息 Charles Cosad 油田新技术 执行总编休斯敦 Charlie Cosad 于 1978 年在远东以一名电缆测井现场工程师的身份加入斯伦贝谢, 之后在远东和中东等地先后担任多项技术和管理职位 之后他被调任至北海, 担任油田服务和一体化项目管理部门的项目经理, 负责 BP Eastern Trough 地区项目油气井小组的领导工作 此后, 他在休斯敦担任 Camco 国际公司和完井与生产部门市场经理, 之后在英国一体化项目管理部门担任技术经理 后来他成为实时技术与服务业务发展经理,2010 年在巴黎担任市场宣传总监 Charlie 在美国纽约州雪城大学获得机械工程学士学位, 在美国新泽西州普林斯顿大学获得航天与机械工程硕士学位 1

4 努力实现海洋野生动物与勘探生产活动和谐共存 Andre Metzler Miguel Rivas 英国盖特威克 Ian Sealy 美国得克萨斯州舒格兰 Rebecca Snyder Seiche Measurements 有限公司英国布拉德沃西 在寻找石油和天然气资源的同时, 勘探与生产行业也在关注着勘探生产活动对环境和野生动物的影响 几十年来, 研究人员研究了勘探生产活动对各种海洋哺乳动物 鱼类和候鸟产生的环境影响 一些环境保护的法规和标准的出台即是部分基于这些研究成果 同时, 勘探生产行业和其他非业内组织也在不断地对这些措施的有效性进行评估 油田新技术 27 卷, 第 1 期 (2015 年 5 月 ) 2015 斯伦贝谢公司版权所有 IRMA,Q-Fin,Q-Marine 和 WhaleWatcher 是斯伦贝谢公司的商标 esource 是 Teledyne Bolt 公司的商标 1. 国家研究委员会表征生物重要性海洋哺乳动物行为委员会 :Marine Mammal Populations and Ocean Noise:Determining When Noise Causes Biologically Significant Effects 华盛顿特区: 美国国家学术出版社,2005 年 Popper AN 和 Hastings MC: The Effects of Human- Generated Sound on Fish,Integrative Zoology,4 卷, 第 1 期,(2009 年 3 月 ):43 52 Slabbekoorn H,Bouton N,van Opzeeland I,Coers A,ten Cate C 和 Popper AN: A Noisy Spring:The Impact of Globally Rising Underwater Sound Levels on Fish,Trends in Ecology and Evolution,25 卷, 第 7 期 (2010 年 7 月 ): Gibson D 和 Rice S: Promoting Environmental Responsibility in Seismic Operations, 油田新技术,15 卷, 第 2 期 (2003 年夏季刊 ): 国际石油工业环境保护协会 (IPIECA): The Oil and Gas Industry:Operating in Sensitive Environments, 伦敦 :IPIECA,2003 年 8 月 国际石油工业环境保护协会 (IPIECA) 和国际石油与天然气生产者协会 (OGP): A Guide to Developing Biodiversity Action Plans for the Oil and Gas Sector, 伦敦 :IPIECA,2005 年 10 月 4. 石油行业国际勘探和生产论坛和联合国环境计划工业与环境中心 (UNEP IE): Environmental Management in Oil and Gas Exploration and Production An Overview of Issues and Management Approaches, 伦敦 :UNEP IE/PAC 技术报告 37 卷,1997 年 5. 作业和环境工作组海上作业小组 : Offshore Environmental Management of Seismic and Other Geophysical Exploration Work, 华盛顿特区 :National Petroleum Council Environmental Management of Geophysical Exploration 论文 2-9, 2011 年 为寻找石油天然气资源而进行的地理在早期勘探阶段, 地震勘探在帮助科扩张增加了潜在的生态影响 由于勘探和研人员识别和确定地下潜在油藏范围时发生产活动可能会给野生动物和环境造成影挥着至关重要的作用 人工声波是地震勘响, 因此勘探生产作业公司和服务公司正探必要的组成部分, 但在某些环境中可能通过加大关注度和工作力度来最大限度地对动物造成紧张性刺激 40 多年来, 研究降低业界活动产生的影响 人员调查了人工声波对海洋哺乳动物及不 6 12 ^ 海上地震勘测 气枪组合产生声波能量, 穿透地下岩石, 从岩石界面反射后被水中检波传感器接收 ( 改编自 API, 参考文献 7 ) 4 油田新技术

5 Roy S. Mangersnes 同的鱼类造成的影响 [1] 研究结果促使作业 公司和服务公司开始对人工声波进行管理控制以保护海洋生物群 [2] 鸟类, 特别是迁移过程中的鸟, 也可能会受到勘探生产和其他工业活动的影响 迁徙候鸟经常通过视觉辨识方向, 会被灯塔和海上平台等设施产生的人造强光所吸引 在这些设施附近, 鸟类可能会因方向错误而导致死亡 [3] 石油天然气勘探生产活动对环境和野生动物的影响取决于若干因素, 包括处理 方式 项目规模 项目计划的准确性 污染预防及减缓措施以及周围环境的特点和敏感度 [4] 本文重点研究地震勘探对海洋哺乳动物和鱼类的影响, 探讨了海上平台对候鸟的影响, 并回顾了当前石油天然气工业所采取的减缓策略 海上地震勘测石油工业应用地震勘探方法已有 80 多年的历史 地震勘探是地球物理学家调查地下地质情况必不可少的方法 勘探家使用地震勘探数据来对地下地层进行成 像, 并预测岩石中的烃类分布 ( 前一页图 ) 地球物理学家和地质学家对勘探数据进行解释, 解释成果作为制定勘探策略 钻探决策和油田管理计划的参考资料 现代地震成像技术通过增加探井成功钻遇烃类的可能性来降低风险, 同时减少优化油藏开发所需的钻井数量 [5] 海上地震勘探依靠强大的声源产生声波, 声波传至海底, 穿透岩石, 从岩层面反射回至海面, 并由水中检波传感器记录声波信息 传感器连接在多条拖缆上, 每 2015 年 5 月 5

6 以左 - 右 - 左的形式释放压缩空气的独立双气枪震源 ( 被称为 触发震源 ) 也被引入 拖缆数量的增加和双气枪震源的应用使得地震勘探船单次通过勘测区域便可获得多条测线 如此高的信息采集效率使得三维海上勘探成为实用 宝贵的勘探工具 [7] 海上地震勘探采集项目是查明海底之下油气圈闭的方法中干扰最小又最具成本效益的 海上地震勘探作业由地震勘探船实施, 地震勘探船移动速度约为 4.5 至 5 节 (8.3 至 9.3 千米 / 小时 ;5.2 至 5.8 英里 / 小时 ) 地震勘探产生的声波并不固定, 因为气枪组合通常每 10 至 15 秒激发一次, 且每个脉冲间隔期间地震勘探船在不停地移动 声波方向在垂直方向上聚焦, 并且具有约 220 至 260 分贝 (db) 的正常峰, 这与天然声源的量级相同 ( 下一页, 上表 ) [8] 每次地震勘探的持续时间取决于地震勘 ^ 地震勘探船 西方奇科公司的 Amazon Warrior 号为第一艘专为三维地震作业设计和建造的地震勘探船, 于 2014 年 6 月进行首航 Amazon Warrior 号拖缆数最多可达 18 条, 拖缆总长度可达 200 公里 (124 英里 ) 以上 ; 可在包括偏远区域的所有作业区工作 拖缆 ( 插图 ) 上的黄色鳍是 Q-Fin 海上地震拖缆导向系统, 用于拖缆的水平和垂直导向 条拖缆最多可安装 3500 个水中检波器, 拖年代中期, 超过 50% 的海上勘探使用调谐缆由地震勘探船进行拖拽 ( 上图 ) 在海气枪组合作为震源 随后的几年里该比上地震勘探初期, 只有炸药等爆炸物可产例继续增加 目前, 一个边长约 15 至 20 生足够的能量来获得地震解释所需的分辨米 (50 至 66 英尺 ) 的近似正方形内通常率 早期的海上地震勘测通常使用改良过布置 20 至 30 个气枪 通过优化气枪大小的陆地勘探设备 炸药在水中的深度范围和气枪组合沉放深度, 勘探规划人员制定为几米到几十米 ; 炸药量和水深取决于该了一些控制气枪组合所产生地震脉冲的频地区的地质 噪声干扰类型和地震波穿透率特性的措施 地下岩石所需达到的深度 在 20 世纪 80 年代, 三维地震勘探开多年来, 人们开发出了众多类型的海始取代传统的二维地震勘探 三维地震勘上地震源, 但气枪是已知的最有效的震源探按网格模式进行数据采集, 比二维地震 [6] 气枪通过向水中释放压缩空气发出声勘探成像更精确 由于当时地震船只能拖波 气枪产生的水下气泡振荡并产生复杂拽一条拖缆, 所以获得三维覆盖所必须的的震源子波 测线数量其成本极其昂贵 为了降低成本并提高效率, 在 20 世纪 90 年代, 承包商地震源的进一步进展是引入调谐气枪将拖缆数量从 1 条增加到 2 条, 后来又增组合 一组气枪在特定的时间间隔被激加到 3 条 4 条 6 条和 8 条 地震船可拖发 从而增加震源强度并最大限度地减拽的拖缆数量目前仍然在增加, 现已能够小气泡脉冲相对于主脉冲的大小, 产生一同时牵引 甚至 18 条拖缆 个近似爆炸源产生的子波 到了 20 世纪 70 探的覆盖面积 作业参数和地震源配置 地震勘探采集时间受天气条件和一年中所处的时间影响 西非近海实施的大型三维地震勘探的平均速度通常可达 50 至 60 平方公里 / 天 (19 至 23 平方英里 / 天 ) 因为受不同天气和海况影响, 在北海夏季实施同类型地震勘测的速率可能为 25 至 30 平方公里 / 天 (9.6 至 11.6 平方英里 / 天 ) 虽然海上勘探的持续时间对海洋生物的影响很重要, 但由地震源产生的水下噪声振幅对其影响可能更大 噪声 实际上是声波 有三个主要特征 : 频率 波长和振幅 ( 下一页, 下图 ) 频率 ƒ 表示单位时间内通过参考点的压力波数量, 单位为周数 / 秒, 或赫兹 (Hz) 波长 λ 是声波两个波峰之间的长度, 并通过介质中的声速 v 与频率相关联 低频率对应长波长, 高频声波波长则较短 振幅表示声波的强度或响度, 常用单位为 db 小振幅对应弱或轻的声音, 而大振幅则对应强或响的声音 海洋中的声波具有间歇性 局部性或广泛性特征, 并按照声源进行分类 天然声源或人工声源 相对于海洋哺乳动物发出的声音, 典型的气枪产生的声波振幅 6 油田新技术

7 略高 但辽阔海域存在着其它高振幅噪声源, 例如船舶的回声测深器和雷电 海底地震及火山喷发等天然声源 [9] 声音的影响海水是光的不良导体, 却是声音的优良导体 因此, 海洋生物也进化成主要依靠自身的听觉系统进行定位 交流和觅食 然而, 人为噪声可能会扰乱这些功能 声音的影响通常可归类为对身体或行为的影响 研究人员研究了海洋环境中地震勘探对各类动物物种的影响 [10] 海洋动物的听觉系统最容易受到声压影响而导致物理性损伤 因此, 预防听觉损伤的减缓措施应防止组织损伤等身体影响 长时间暴露在强音环境下可能会出现听觉问题, 导致听觉灵敏度受损 暂时性听阈偏移 (TTS) 水平 ( 一种衡量暂时性听力丧失的方法 ) 和恢复时间仍然是有待研究的课题 专家们就何种原因构成海洋哺乳动物不可接受的风险还未给出定论, 1 db re 1μPa ^ 海洋环境中的声音 水下声音可同时来源于自然和人造的声源, 当这些声音交叠时, 人造声音可能会掩盖海洋生物的声音 水中的标准基准声压为 1µPa 在上表中, 所有的参考值都是以 db 为单位给出的宽频级别数值, 标准化后声源 1 米处 1µPa(1 米处 db re 1µPa), 接收单位为 db re 1µPa( 均方根 rms), 其中 re 代表参考值 ( 改编自 附录 1: 海洋环境中的声音, 地震勘探和海洋哺乳动物, 联合 OGP / IAGC 意见书, 年 2 月 24 日浏览 )) 6. 有关地震气枪的更多信息, 请参考 :Dragoset B: Introductionto Air Guns and Air-Gun Arrays, The Leading Edge,19 卷, 第 8 期 (2000 年 8 月 ): Caldwell J 和 Dragoset W: A Brief Overview of Seismic Air-Gun Arrays,The Leading Edge,19 卷, 第 8 期 (2000 年 8 月 ): API: Seismic Surveying 101, 华盛顿特区, API,2013 年 8. 分贝 (db) 是比较声信号的相对强度的测量单位, 等于十分之一贝尔 1 分贝等于 20 log10( 超过参考值的实测值 ) 因此, 每 20 db 相当于参考声幅的 10 次幂倍数 :200 分贝 = 10 10,100 分贝 = 10 5,40 分贝 =10 2,20 分贝 = 10 1,0 分贝 = 10 0,-20 分贝 =10-1,- 40 分贝 =10-2,-100 分贝 =10-5 和 -200 分贝 =10-10 Thomsen F 和 Intercessional Correspondence Group on Underwater Noise: Assessment of the Environmental Impact of Underwater Noise, 伦敦 :OSPAR 委员会生物多样性系列,2009 年 9. Erbe C: Streamlining the Environmental Impact Assessment Process of Underwater Noise from Petroleum Exploration & Production Operations, SPE , 发表在 SPE/ 澳大利亚石油生产与勘探协会石油天然气勘探与生产健康 安全 环境国际会议上, 澳大利亚西澳大利亚州珀斯,2012 年 9 月 日 10. 有关气枪对海洋哺乳动物影响的更多信息, 请参考 : An Introduction to These Special Sections:Effect of Air Guns on Marine Mammals,The Leading Edge,19 卷, 第 8 期 (2000 年 8 月 ):860,876 Pa ^ 声波的基本组成部分 周期 频率和振幅构成声波的基本组成部分 图中声波的周期为 0.5 秒, 频率为每秒 2 个周期, 或 2 赫兹 波幅作为参考, 取决于声源的强度 波长 ( 未示出 ) 是声音在一个周期中传播的距离, 取决于声音在介质中传播的速度 声音在海水中的传播速度约为 1500 米 / 秒, 因而波长约为 750 米 2015 年 5 月 7

8 有几种因素可能影响噪声对海洋野生动物的影响, 包括噪声的特性 声音在环境中的传播和暴露于噪声中的动物 基于观察到的海洋哺乳动物和鱼类的变化情况, 建立了噪声源周围潜在影响区域的模型 这些模型揭示了暴露于噪声中的可能出现的后果, 包括听力丧失 通信掩蔽和各种行为反应, 严重程度取决于距声源的距离 ( 左图 ) [11] ^ 影响区域 与噪声源的距离越大, 噪声强度越小 在噪声源周围的潜在影响区域, 噪声的影响最大可表现为物理伤害, 最小可表现为听力干扰 可听度受野生动物可听到的频率范围和噪声水平的限制 海洋哺乳动物或鱼类对噪声源的行为反应包括改变游动方向 速度 下潜时间 浮出水面持续时间和间隔以及远离和靠近噪声源 当噪声干扰或掩蔽自然的声音时便产生噪声的另一个作用 信号掩蔽 噪声会导致内耳的听觉阈毛细胞疲劳, 这可能会引起听力阀值增加到一定值, 称为暂时性阈移 (TTS) TTS 的大小取决于若干因素, 如噪声水平和持续时间 如果在发生噪声暴露之后, 听力未能恢复正常, 则剩余的阈值偏移被称为永久性阈移, 这被定义为听觉损伤 严重的噪声可能会产生震荡性影响, 并对非听觉性组织和器官产生物理伤害, 但鲜有相关数据支持这一说法 ( 改编自 Erbe, 参考文献 9) 在全球范围内进行的大量研究试图确定地震勘探产生的声音是否会影响海洋生物的行为 ( 下一页图 ) 其中许多研究都是以鲸和海豚等海洋哺乳动物为重点对象, 因为它们依靠声音来定位食物和进行交流 在安哥拉海上进行的有关地震勘探对座头鲸的影响的研究表明, 地震勘探活动实施时座头鲸的歌唱和发声活动会减少 [12] 人们已发现地震勘探活动会导致几种海豚和鲸产生回避行为 即海洋哺乳动物因噪声而逃离地震勘探区域 ( 左下图 ) [13] 虽然知识缺口仍然存在, 但在过去的二十年中, 科学家就噪声对海洋野生动物的潜在影响的认识有了大幅提升, 包括对行为变化 对显著且相关的自然声音的掩蔽 物理伤害 听觉损伤和搁浅的认识 [14] 虽然有关长期人为噪声对鱼类行为和生态的影响的研究很少, 科学家们已经确定有几种鱼类的生存和繁殖能力可能受勘探生产活动产生的声音的影响 如果人为噪声阻止鱼类繁衍或者对鱼类繁殖或生存产生不利影响, 噪声环境中的鱼类多样性和丰富度则可能会下降 虽然目前鲜有确凿数据表明鱼类丰富度和噪声水平之间存在负相关关系, 但有个别报告表明长期存在人为噪声区域的渔获率在下降, 因为鱼类逃离了这些区域 与地震勘探相关的渔获率的降低似乎与鱼的种类和捕鱼方法有关 [15] ^ 海豚群 海豚生活在世界各地的热带和温带水域, 并经常可看到数百或数千只海豚组成的大海豚群 较小的海豚群体被称为小群 海豚会发出很强的声音, 产生各种各样的哨声 脉冲和咔哒声 地震勘探公司和海洋哺乳动物观察员经常在气枪组合附近看到海豚出现 虽然距声源 1 公里 (0.6 英里 ) 内经常可观察到海豚的逃避行为, 但即使在大型气枪组合进行作业时还会有一些海豚追逐地震勘探船引起的波浪 ( 图片版权归 Irene M. Faergestad 所有 ) 8 油田新技术

9 ^ 发声的座头鲸 正在进行中的研究项目 ( 澳大利亚座头鲸对地震勘探活动的行为反应 ) 由 勘探生产噪声和海洋生物行业联合项目 与美国海洋能源管理局资助, 旨在确定地震勘探是否会对生物造成长期影响 该项研究还对气枪在地震勘探初始部署时的影响进行评估 海上作业过程中一名海洋哺乳动物观察员 (MMO, 右图 ) 正在现场进行观察, 建议作业者推迟或停止作业, 以确保海洋哺乳动物处于安全距离 通过确保遵守法规以及在必要时提供明确的建议,MMO 与作业者和承包商合作共同保护所关注的物种 ( 图片版权归 Roy Mangersnes 所有 ;MMO 图片版权归 Ocean Science Consulting 公司所有 ) 管控噪声许多政府和国际机构已经制定准则和条例来减轻勘探生产活动噪声对海洋野生动物造成的潜在负面影响, 但还未达成共识 1995 年, 英国率先开始实施针对勘探生产活动的国家监管条例 目前, 英国联合自然保护委员会 (JNCC) 负责制定相关准则, 以期尽可能减少地震勘探对海洋哺乳动物的伤害和干扰 这些准则构成了其他国家和组织制定规章和建议的基础 迄今为止, 澳大利亚 巴西 加拿大 爱尔兰 新西兰 英国和美国的实体都制定了标准化的法规和指导方针 [16] 与 JNCC 在英国的运作方式几乎相同, 地球物理承包商国际协会 (IAGC) 与国际政府机构合作, 共同制定勘探生产活动的规则 IAGC 成立于 1971 年, 目前代表 150 多家成员公司, 这些成员公司为石油天然气行业提供地球物理数据采集 处理 解释 数据许可以及各种服务和产品 IAGC 有几个分委员会和工作组专注于特定的专题, 以促进地球物理行业活动的专业性 安全性和环保性 IAGC 噪声和海洋生物 (SML) 工作组负责制定有关减缓措施的指导方针和建议, 并为海洋野生 11. Erbe C: International Regulation of Underwater Noise, Acoustics Australia 41 卷, 第 1 期 (2013 年 4 月 ):12 19 Money TA,Nachtigall PE 和 Vlachos S: Sonar Induced Temporary Hearing Loss in Dolphins, Biology Letters 5 卷, 第 4 期 (2009 年 8 月 23 日 ): Erbe, 参考文献 IPIECA: Protecting Marine Turtles,Cetaceans, and West African Manatees as Part of a Biodiversity Action Plan, 伦敦 :IPIECA 13. Tsoflias SL 和 Gill GC: E&P Industry s Challenges with Managing Mitigation Guidelines for the Protection of Marine Life During Marine Seismic Operations, SPE , 发表在 SPE 油气勘探与生产健康 安全和环境国际会议上, 法国尼斯, 2008 年 4 月 日 Lacroix DL,Lanctot RB,Reed JA 和 McDonald TL: Effect of Underwater Seismic Surveys on Molting Male Long Tailed Ducks in the Beaufort Sea, Alaska,Canadian Journal of Zoology 81 卷, 第 11 期 (2003 年 ): 动物观察员 (MWO) 和海洋哺乳动物观察员 (MMO) 制定报告形式 SML 及多家勘探生产公司是石油天然气生产者国际协会 (IOGP) 噪声和海洋生物行业联合项目 的创始合伙成员 14. 信号掩蔽是指噪声干扰海洋动物听到目标声音的能力 搁浅是指海洋动物困在陆地或困在浅水区 15. Weilgart L 和 Okeanos Foundation: A Review of the Impacts of Seismic Airgun Surveys on Marine Life, 发表在水下噪声及其对海洋和沿海生物多样性影响专家研讨会上, 伦敦,2014 年 2 月 日 挪威气候与环境部 : Integrated Management of the Marine Environment of the Norwegian Sea, 挪威奥斯陆 : 挪威气候与环境部白皮书, 挪威议会第 37 号报告,2008 年 2009 年 16. Martin NC,St. John K 和 Gill CG: Review of Sound and Marine Life Guidelines for Marine Seismic Operations,SPE , 发表在 SPE 油气勘探与生产健康 安全和环境国际会议上, 美国加利福尼亚州长滩,2014 年 3 月 日 2015 年 5 月 9

10 虽然目前还没有具体国家出台相关规 定, 且没有确凿的科学证据表明地震勘探活动会给海洋哺乳动物带来伤害, 但 IAGC 成员依然采取了 IAGC 指导文件中提出的最基本的减缓措施 [17] 这些措施包括勘探前规划 建立多种警戒区 制定软启动或产能提升程序 增强目视观察以及实施无源声学监测 勘探前规划的要素包括震源设计和勘测时间安排, 以避开已知的具有生物学重要性的动物活动区 为确保地震勘测位置避开哺乳类动物的喂养或繁殖区, 进行勘探规划是必不可少的 警戒区 ( 于地震勘测作业前确定 ) 可以进一步划分为专属区 专属区通常定义为声源组合中心周围及海面以下约 500 至 2,000 米 (1,640 至 6,600 英尺 ) 的半径范围内的区域, 专属区通常决定了使用声源的位置和类型 [18] 这些区域会被持续监控, 以确定是否存在海洋哺乳动物和其他海洋野生动物 若在专属区内观察到海洋野生哺乳动物, 作业公司则启动减缓措施, 如推迟激发声源或关闭声源, 以减少对附近野生动物的潜在有害影响 [19] 软启动定义为从气枪开始激发至到达最大作业能量的时间 该过程通常是指能量缓慢增强, 从气枪组合中最小的枪开始, 并在至少 20 分钟内逐渐累加其他气枪, 从而为海洋哺乳动物逃离特定区域提供足够的时间 通常在软启动完成后测线立即开始勘测 [20] 为了在地震勘探作业过程中进行目视监控,MMO 和 MWO 与地震勘测作业团队协调监控工作, 并就具体国家或地区的指导方针 法规和许可提出建议 在没有制定具体规定的地区, 目视观察员通常会参照 IAGC 关于地球物理作业过程中鲸类保护的建议措施及海洋生物目视观察员指导方针 MMO 和 MWO 应保持公正, 并每日向客户公司或地球物理勘探承包商报告所观测的动物情况和监控工作 MMO 报告表首先于 1998 年被引入到英国的海上作业中, 现已在业界作业中被广泛采纳 2011 年,IAGC 董事会正式采纳了 推荐目视观察员报告表, 该报告表 由 IAGC SML 工作组 美洲海洋委员会和全球 HSE 与安全指导委员会审查和批准 所有 IAGC 成员均被建议使用这些模板, 以提高海洋哺乳动物观测质量和一致性, 并提供重要数据以加深科学家在声音对海洋动物影响方面的认识 如果作业过程中在专属区内观察到受准则或条例保护的特定物种,MMO 和 MWO 有权要求停止或延迟作业 当目视观察员给出通知后, 必须立即停止或延迟作业, 无论勘探船船长还是客户代表都必须服从这一决定 在 MMO 确保物种不再处于专属区后, 作业可以重新开始 [21] 有时目视观察并不能作为有效的减缓方法 在黑夜或是在天气和海况阻碍视觉观察的情况下, 目视检测地震勘探区域内及周围的海洋哺乳动物会变得困难 在这种情况下, 无源声学监控 (PAM) 成为探测海洋哺乳动物的唯一方法 这种方法使用检波器和软件来检测海洋哺乳动物发出的声音 一个基本的 PAM 系统包括一个检测海洋哺乳动物发声的检波器组合 一个用来放大和调节信号的系统 一个信号采集设备和一台运行 PAM 软件的计算机 该系统能够实时定位 识别和监控地震勘测区域内的海洋哺乳动物 监管机构正越来越多地要求或鼓励使用 PAM 系统来减少海上地震作业造成的潜在环境影响 目前, 加拿大和新西兰的标准要求使用 PAM, 特里尼达和多巴哥及巴西则正在制定相关标准 由于北极地区勘探生产活动即将增加, 预期该环境敏感区域将实施严格的标准 [22] 石油天然气行业正在努力制定一套适用于全球范围的准则和规定 PAM 设备的安装使用以及对检测到的声音数据进行解释需要训练有素的 PAM 操作员 有时,PAM 组合确定的范围或距离不够准确 例如, 如果 PAM 系统的精度约为 300 米 (1,000 英尺 ), 在地震源 500 米范围内检测和计算出的物种实际上则可能距离震源 800 米 (2,625 英尺 ) 之外 尽管如此,MMO 仍然必须指示停止或延迟 软启动 2008 年,PAMGUARD( 用于处理和分析鲸类声音的开放源代码软件 ) 在墨西哥湾的一次地震勘探作业过程中进行了首次业内现场试验 PAMGUARD 软件由 IOGP 勘探生产噪声和海洋生物行业联合项目 资助, 目的是为了纠正 PAM 系统的误差并提高其精确性 PAMGUARD 正逐渐成为声学探测 定位和海洋哺乳动物伤害减缓措施分类以及研究海洋哺乳动物数量 分布和行为的标准软件 [23] 导航灯油气平台的存在还产生了另外一个副作用, 即对鸟类的影响 海鸟和陆地鸟类受灯光和燃烧火炬的吸引, 有时会撞到海上设施 [24] 这些事件发生的概率在恶劣的天气条件下通常会增大, 如雾 降水和低云天气, 尤其是当这类天气与鸟类迁徙同时发生时, 事件发生的概率会更大 在海上平台对鸟类的监控一般都是由观察者进行 该做法不但耗时, 而且覆盖范围有限 为增加监控效果, 应由经过培训的人员进行观察 鸟类和包括平台和直升飞机在内的海上基础设施之间的相互影响可能有致命和非致命两种直接影响 相互影响包括与基础设施碰撞 遭火炬焚烧及沾染石油和钻井液 鸟类也可能因误转飞至人工光源而遭遇疲惫和饥饿 在某些情况下, 相互影响可能无害 ; 平台可以为鸟类提供栖息和休息场所 与间接影响相关的研究和数据则并不多见, 间接影响可能包括创造觅食机会 暴露于捕食者之下 改变栖息地和改变自然生态系统功能等 因平台直接导致的死亡率对鸟类种群数量的影响可能具有区域性和物种特异性, 并取决于候鸟遇到的平台数量 记录在档的鸟类死亡数也相差很大, 且可能具有偶然性 一些报告仅仅统计了平台上发现的死亡鸟类的数量, 而死亡后落在海里的鸟类则未被计入 有估算数据表明, 每年在北海的上千座平台上死亡的鸟类数量高达 600 万只, 而在有近 4,000 座平台的墨 10 油田新技术

11 西哥湾, 每年估计有 20 万只鸟因碰撞死亡 [25] 海鸥等大型海鸟碰撞事件已有发生, 但数量很小 此外, 雁鸭类会改变飞行路径以避免撞到海上设施 人们认为, 海鸟碰撞 搁浅和飞入火炬的风险主要限于小型海鸟, 如被钻机和平台的光线所吸引的海燕 [26] 海上石油天然气设施的人工照明对迁徙和非迁徙鸟类的影响方式不同 在夜间 阴天或雾天条件下, 灯光可能会干扰鸟类判断方向的能力 夜间迁徙的候鸟可能因人造光源转移其迁徙路线 根据现有记录, 在北海 墨西哥湾和澳大利亚沿海都曾发生过候鸟迁徙改道 [27] 夜间光污染不仅来自勘探与生产行业, 也来自其他海上设施, 包括风力发电场 船舶 港口和灯塔 虽然对海上设施的灯光和燃烧火炬吸引鸟类的原因和后果进行了研究, 但鲜有数据能够对这些现象进行量化分析 一些减缓措施也得到了试验应用, 包括屏蔽或减少光线以及改变光的颜色 [28] 鸟类使用各种方法进行定向和导航, 包括视觉线索和磁场敏感度, 这在多云和阴天夜晚条件下尤其重要 研究表明, 鸟类会对磁性 罗盘 产生响应, 而这种响应依赖于光的波长 研究表明, 候鸟使用光谱中蓝绿色端的光进行导向 ; 但红色光线可能会对其导航系统产生干扰 [29] ,000 5,000 2,000 4,000 4,000 5,000 0 ^ 鸟类对海上灯光的反应 在阴天条件下进行夜间迁徙时, 鸟类被海上设施的灯光吸引 当灯光全部关掉后, 鸟类几乎立即离开 ( 根据 Marquenie 等人的资料修改, 参考文献 27 ) 为确定光线颜色变化是否会影响夜间迁徙的候鸟, 在荷兰瓦登海进行了一项现场研究 该研究得出的初步结论包括这样的假设, 即包括白光和红色光的可见光谱的长波长光线会导致极大的定向障碍 ; 而波长较短的光线, 特别是绿色和蓝色光, 似乎对鸟类定向干扰很小或没有干扰 [30] 根据多年的观察, 在荷兰沿海进行的研究表明, 海上设施上传统的灯光照明会吸引大批候鸟 在所有灯光都打开期间, 大量的鸟类会聚集在海上设施上及其周围, 但灯光被关掉后, 鸟类几乎立即消失 由于作业原因, 关掉所有的灯光是不可行的 但有关不同颜色光的影响的进一步试验评估表明, 光线颜色会显著影响定向障碍的程度 安装上改造后的照明灯, 并将常规 的灯光切换到红色光谱更少而绿色光谱更多的灯光后, 灯光对鸟类的视觉定向障碍影响显著降低 这些结果表明, 可通过引入增加绿色光谱的光源来降低海上设施对鸟类造成的定向障碍和吸引效应 这些改良照明灯的试验应用中未出现任何与海上人员作业安全相关的问题 光谱经过改进的照明设备可能会成为未来减少海上设施对鸟类吸引的一个可行性方法 [31] 2000 年, 荷兰勘探开发公司 Nederlandse Aardolie Maatschappij(NAM) 进行了一系列试验, 试验过程中对安装在北海的一座海上设施的灯光反复打开 关闭 ; 该公司还对不同照明计划进行了评估 ( 上图 ) 结果表明, 灯光关闭后鸟类会迅速做出反应, 灯光关掉 15 分钟后已观察不到任何鸟类 NAM 研究还表 17. IAGC 于 2011 年发布了 Recommended Mitigation Measures for Cetaceans during Geophysical Operations and Guidance for Marine Life Visual Observers;Guidance on the Use of Towed Passive Acoustic Monitoring During Geophysical Operations 于 2014 年发布 18. 标准的禁区半径为 500 米, 但在敏感区域可扩大至 2,000 米 19. Tsoflias SL,Hedgeland D 和 Gill GC: Marine Environment Guidance During Geophysical Operations,SPE , 发表在 SPE/ 澳大利亚石油生产与勘探协会石油天然气勘探与生产健康 安全和环境国际会议上, 澳大利亚西澳大利亚州珀斯, 2012 年 9 月 日 有关缓解措施和指南的更多信息, 请参考, 参考 : Land and Marine Environment,International Association of Geophysical Contractors, 年 12 月 1 日浏览 ) 20. Joint Nature Conservation Committee(JNCC): JNCC Guidelines for Minimising the Risk of Injury and Disturbance to Marine Mammals from Seismic Surveys, 阿伯丁,JNCC,2010 年 8 月 21. Sound and Marine Life Work Group: Guidance for Marine Life Visual Observers,International Association of Geophysical Contractors(2011 年 12 月 ), 年 12 月 1 日浏览 ) 22. 有关哺乳动物监控的更多信息, 请参考 :Guerineau L: The Future of Marine Mammal Monitoring, First Break 32 卷, 第 10 期 (2014 年 10 月 ): Wambergue B 和 Johnston P: Review of the Practical Implementation of PAMGUARD Software as Real Time Mitigation Tool for Marine Mammal Detection,Localization and Identification During Seismic Surveys, Expanded Abstracts, 第 84 届 SEG 年度国际会议及展览, 丹佛 (2014 年 10 月 日 ): 海鸟是指通常在海上生活的鸟类, 包括海鸥 海燕 海雀和海鸭 陆鸟是指陆生鸟类, 包括雀形目 涉禽和猛禽等水生鸟类 25. Ronconi RA,Allard KA 和 Taylor PD: Bird Interactions with Offshore Oil and Gas Platforms: Review of Impacts and Monitoring Techniques, Journal of Environmental Management 147 卷, (2015 年 1 月 1 日 ): Ronconi 等, 参考文献 Marquenie JM,Wagner J,Stephenson MT 和 Lucas L: Green Lighting the Way:Managing Impacts from Offshore Platform Lighting on Migratory Birds, SPE , 发表在 SPE 健康 安全和环境国际会议上, 加利福尼亚州长滩,2014 年 3 月 日 28. Ronconi 等, 参考文献 Beason RC: Mechanisms of Magnetic Orientation in Birds, Integrative and Comparative Biology 45 卷, 第 3 期 (2005 年 6 月 ): 有关光颜色研究的更多信息, 请参考 :Poot H, Ens BJ,de Vries H,Donners MAH,Wernand MR 和 Marquenie JM: Green Light for Nocturnally Migrating Birds,Ecology and Society 13 卷, 第 2 期 (2008 年 ): 文章 Marquenie 等, 参考文献 年 5 月 11

12 Pa Hz GPS IRMA ^ 鲸类探测 鲸类叫声具有不同的频率特征, 例如图中所示一头鲸的叫声频率特征 ( 上图 ) 在地震采集期间, 对地震和 IRMA 定位组合获得的声波信号进行连续分析, 以检查与这些声学信号特征的相关性 利用波束形成, 在信号方位上阵列产生相长干涉, 而在其他地方产生相消干涉,WhaleWatcher 系统便可通过三角测量声音获得动物的距离和方位 利用这一声学特征, 在距地震勘探船 5 公里 (3 英里 ) 水深 250 米 (820 英尺 ) 区域的水下 30 米 (100 英尺 ) 处探测到一头鲸鱼 明, 使用波长较长的红色部分光谱的灯光对鸟类造成的定向障碍最严重 将传统的照明设备更换为红色光谱只占 5% 的平台照明设备后, 围绕平台集聚的鸟类数量下降了两倍 [32] 这些发现与荷兰瓦登海现场 研究的观察结果相一致 平台吸引鸟类也可能会导致鸟类因疲惫和饥饿而死亡 倘若鸟类在迁徙过程中受到干扰, 它们为长时间迁徙而储存的能量可能会很快耗尽, 而这可能是致命性的 虽然平台可能会被当作休息场所, 但若鸟类在平台上休息太久, 则可能没有足够的能量来完成迁徙, 进而可能在到达目的地之前便死亡 [33] 还有一些鸟类会偏离其原有的迁徙路线, 以避开海上设施, 从而可 12 油田新技术

13 能延长了其飞至最终目的地的距离 [34] 已观察到海鸥等鸟类会在平台上休息 和栖息, 对某些鸟而言, 平台还是它们迁徙过程中的狩猎场所 结构架立在海床上的平台往往起到人造礁石的作用, 这可能增加海洋食物的供应, 进而成为海鸟的猎物 [35] 海上平台的灯光不仅吸引鸟类, 同时也吸引鸟类的猎物 浮游生物和小鱼 从而丰富了海鸟食物的来源 同样, 被灯光吸引的昆虫可能会增加被困在平台上的陆地鸟类的食物供应, 从而有助于鸟类继续迁徙 未来的发展技术和设备的最新进步帮助减缓了勘探与生产行业活动对环境的影响, 其中一个实例是西方奇科公司开发的 Q-Marine 单点检波器海上地震采集系统 除了提供准确 可靠的地震勘测数据外,Q-Marine 传感器可通过部署 WhaleWatcher 系统来探测附近的海洋哺乳动物 相对于传统的由观察员进行观察的方法, 该系统能够探测海面下的鲸类, 因而具有显著优势 32. Marquenie 等, 参考文献 Ronconi 等, 参考文献 Ronconi 等, 参考文献 Hughes SN,Tozzi S,Harris L,Harmsen S,Young C,Rask J,Toy-Choutka S,Clark K,Cruickshank M,Fennie H,Kuo J 和 Trent JD: Interactions of Marine Mammals and Birds with Offshore Membrane Enclosures for Growing Algae (OMEGA),Aquatic Biosystems10 卷, 第 3 期 (2014 年 5 月 ) 36. 可在地震拖缆上布置经 IRMA 固有频率范围调制的声学接收器单元 IRMA 接收器可在声学定位节点间提供一致的精度, 并提高接收器定位精度, 以获得更好的垂向及横向分辨率 37. Azem W,Candler J,Galvan J,Kapila M, Dunlop J,Fastovets A,Ige A,Kotochigov E, Nicodano C,Sealy I 和 Sims P: Technology for Environmental Advances, 油田新技术 23 卷, 第 2 期 (2011 年夏季刊 ): esource,teledyne Bolt 有限公司, 年 2 月 23 日浏览 ) WhaleWatcher 无源声学监测技术能够在地震勘探作业过程中远程探测海洋哺乳动物, 并且通过三角测量鲸类的声音来获得其距离和方位等信息 该技术得益于鲸类利用高频滴答声进行回声定位以及利用中到低频进行通信 由于鲸类发出的这些声音在拖缆检波器和 IRMA 固有频率范围调制的声学定位系统传感器的灵敏度范围内, 因此, 检波器和传感器能够探测各种动物的叫声, 并可通过频率分析来确定叫声对应的动物 ( 前一页图 ) [36] Q-Marine 系统的单传感器配置可通过信号分析来准确确定动物相对震源的距离和方位 该技术可在整个地震勘探期间为地震勘探队实时呈现海洋哺乳动物的位置 此外, 该技术在能见度较低的情况下提供了连续可靠的监测鲸类的方法, 且无需依赖于海面观察动物的方式 WhaleWatcher 系统提供的信息可用来进行作业决策, 包括在专属区内探测到海洋哺乳动物后延迟启动或关停作业等 [37] 最近研究工作的重点是开发一种频带宽度较窄且频散少的海上气枪组合, 以进一步降低气枪组合对环境的影响 研究表明, 海洋生物对高至中等频率范围内的声音最敏感 esource 气枪是首个带宽控制的震源, 其设计可增强震源中的低频成分 ( 地震勘探的必要成分 ) 并降低其中的高频成分, 从而可以减少对海洋生物的潜在干扰 esource 气枪由 Teledyne Bolt 公司开发, 其设计是以西方奇科公司科研人员通过建模确立的原理为基础 该气枪可降低暴露水平和峰值压力, 并能够让空气以预定速率逐渐释放 用户可根据当地海洋哺乳动物的敏感性调整压力信号的频谱含量 esource 气枪目前正在进行可靠性测试, 预计将在 2015 年面世 [38] 海洋生物对各种人为声音信号有无行为反应的实例均有相关研究进行了记录 因 此, 研究人员目前无法就声音对海洋动物的影响得出统一的结论 虽然科学家意识到声音对海洋中的生物非常重要, 但目前人们对人为声音影响的认识还不够全面 然而, 科学家们普遍认为, 人为噪声和海上设施可对海洋生物和鸟类产生一系列不利影响, 包括行为变化 海洋哺乳动物搁浅和鸟类碰撞死亡 通过开发更敏感的检波器和使用比现有震源强度更低且声发射更小的震源可以保护海洋生物 通过改进 PAMGUARD 等现有系统对海洋哺乳动物进行定位 识别和监测也有一定的发展前景 今后的工作和研究重点将是减少人为噪声的不利影响 勘探与生产行业实现与海洋生物和谐共存将是一件惠及天下的事情 IMF 2015 年 5 月 13

14 降低钻头前的不确定性 钻探作业公司利用地震资料和邻井资料来设计钻井轨迹 但是, 钻头钻遇的实际地质情况与预测结果可能相去甚远 减少地质上的不确定性是最大程度降低钻井风险和缩短非生产时间的关键因素 现有一种新型服务将地面地震反射资料和随钻井下资料有机结合起来, 建立钻头前方的地质构造和孔隙压力模型 Cengiz Esmersoy Andy Hawthorn 美国得克萨斯州休斯敦 李辉史鸿祥中国石油塔里木油田公司中国库尔勒 刘晓 Fangjian Xue 薛方建 Sherman Yang 杨学民张辉中国北京 油田新技术 :27 卷, 第 1 期 (2015 年 5 月 ) 2015 斯伦贝谢版权所有 在本文编写中得到以下人员的帮助, 谨表感谢 : 休斯敦的 Sylvia A. Centanni,Jianchun Dai,Sagnik Dasgupta, Arturo Ramirez,Colin M. Sayers,Chung-Chi Shih, Sharon Teebenny 和 Charles H. Wagner; 北京的雷雪和张洪波 ; 卡尔加里的刘清林 ; 尼日利亚拉各斯道达尔勘探与生产 ( 尼日利亚 ) 有限公司的 Ramin Nawab 感谢道达尔和国家石油投资管理服务公司 ( 尼日利亚国家石油公司的一家下属公司 ) 允许我们发表非洲海上案例研究 CQG,MDT,Seismic Guided Drilling,seismicVISION, SGD 和 StethoScope 是斯伦贝谢公司的商标 1. 当量循环密度 (ECD) 是指循环流体施加到地层上的密度, 它考虑了实测点以上环空内的压降 ECD= d + P/(0.052D), 其中 d 表示泥浆比重 ( 磅 / 加仑 ),P 表示井深 D 到地面间环空内的压降 (psi),d 表示真垂直深度 ( 英尺 ),0.052 表示压力梯度系数, 即 1 磅 / 加仑 =0.052psi / 英尺 2. Pritchard DM 和 Lacy KD: Deepwater Well Complexity The New Domain, 美国加利福尼亚州 Berkeley: 重大风险管理中心, 深水地平线研究小组工作论文,2011 年 1 月 由于对地下地质情况了解不足, 因此钻井工作总是充满不确定性 为了减少这些不确定性, 勘探运营者在建立地质模型时, 会综合考虑地质情况 地层力学特性 地下应力 压力和温度等因素 钻探的前景信息来自于地震资料和邻井资料, 包括测井资料 岩心 试井和钻井报告等 地学家建立模型后, 交给钻井组, 然后钻井组开始制定钻井计划, 包括井轨迹 下套管位置 钻井泥浆的配置计划, 以及其他技术要求 根据钻井计划, 作业者测算钻井成本, 并假设邻井信息与在建井类似 如今工程师们越来越依赖实时资料来掌控地下状况, 指导钻井进程 通常, 实时资料通过随钻测量 (MWD) 工具和随钻测井 (LWD) 仪器进行采集, 这种工具和仪器提供一系列实时测量数据, 可以使地质师和钻井工程师实时评估钻遇地层的特征 也可以实时评估井况 ( 可能变化很快 ), 并近似实时地进行调整 例如, 遇到地层压力变化和井筒不稳定及循环液漏失等情况时, 可以根据实时环空压力数据随钻调整泥浆的当量循环密度 (ECD) [1] 地层压力数据和声波测井数据, 如果有的话, 也可以用来确定岩石的强度参数, 钻井工程师可以据此调整泥浆比重, 或识别下套管位置 很多实时资料都来自井轴横向上, 即垂直井轴方向上, 对周围岩石的测量, 因此这些资料只反映钻具后的井况 但反射地震波资料 ( 一般不容易实时获得 ) 可以向地学家们提供能够看到钻头前方地下情况的机会 如今钻井难度越来越大, 钻井位置越来越偏远, 因此钻井非生产时间 (NPT) 总是因为复杂的地质条件和随之而来的不确定因素而发生 [2] 钻井作业者要根据地下条件的变化, 不断调整钻井参数 如果能够接近实时的得到具有前瞻性预测的地震资料, 钻井作业者就能预见到将要钻遇的状况, 并采取相应的措施 例如, 可以无需停钻调整下套管计划和泥浆比重计划 从而可以减少应对不利事件须采取井控措施的频次和严重程度 钻井过程中,SGD 地震导向钻井技术综合应用地面地震资料和井下资料, 在钻井时间内提供前瞻预测模型 本文介绍了 SGD 解决方案如何为地质师和钻井工程师提供地下情况, 从而更有信心地进行钻井作业 西非和中国的实例说明了 SGD 的应用效果 14 油田新技术

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16 降低钻井不确定性和风险 地震导向钻井方案综合利用地面地震 资料和随钻的井下资料 在钻井开始前, 这种方法进行多学科融合, 包括地震资料处理与反演 地质模型 地质学 地球物理学 岩石物理学 岩石学 岩石力学 地层压力预测和钻井工程等 钻井过程中, 这种方法可以快速精细预测钻头前几百米的地层压力 它用最新信息更新油藏目标深度和模型, 从而识别地质灾害和下套管的位置 尽管每个项目都是针对具体的作业目标制定, 但它们都包括三个阶段 : 可行性研究, 钻前建模及预测, 随钻模型更新与预测 ( 下图 ) [3] 由斯伦贝谢的地学师和钻探作业方的专家组成的团队共同制定 SGD 方案 在可行性研究阶段, 该团队首先调查钻井目标 钻井障碍和钻井风险, 评估各种方案和技术, 研究地震资料及其他相关资料, 如以前的地质模型和地震速度模型 ^ 一般工作流程 地震导向钻井技术通常根据具体项目定制, 以满足具体钻井目标, 解决具体地质隐患 每个项目包括三个阶段 ( 蓝色 ) 和相应的结果 ( 绿色 ), 中间是决策点 通过可行性研究制定出钻井计划, 形成钻井报告 通过钻前研究建立初始地质模型, 进行地质成像, 以此制定钻井计划 在钻井过程中的关键点上, 地学研究小组利用当前井资料更新地质模型和地质成像结果 每个更新后的模型和地质成像都为钻井组提供下一个井段的钻井指导 3. Esmersoy C,Kania A,Kashikar S,Ramirez A,Hannan A,Lu L,Teebenny S 和 Duan L: Optimum Use of Seismic Data to Reduce Drilling Risk and Improve Well Placement, 论文 C046, 发表在第 73 届欧洲地学家和工程师协会会议暨展览会上, 奥地利维也纳,2011 年 5 月 日 4. Osypov K,Yang Y,Fournier A,Ivanova N, Bachrach R,Yarman CE,You Y,Nichols D 和 Woodward M: Model-Uncertainty Quantification in Seismic Tomography: Method and Applications, Geophysical Prospecting 61 卷, 第 6 期 ( 2013 年 11 月 ): 垂直地震剖面 (VSP) 是一种井筒地震测量技术, 它将接收器如检波器或水听器放到井筒内, 震源布置到地面上井筒周围进行激发和接收 校验炮观测也是一种井筒测量技术, 它测量地震波从地面到已知深度的传播时间 检波器布置在井中, 震源布置在地面上井筒周围 6. 各向异性表示物理量的属性, 其值随测量方向而变化 Bakulin A,Woodward M,Nichols D,Osypov K 和 Zdraveva O: Building Tilted Transversely Isotropic Depth Models Using Localized Anisotropic Tomography With Well Information,Geophysics 75 卷, 第 4 期 (2010 年 7-8 月 ):D27 D36 Sayers CM: Geophysics Under Stress: Geomechanical Applications of Seismic and Borehole Acoustic Waves. 塔尔萨 :SEG, 优秀讲师短训课程,13 卷 (2010) 7. seismicvision 仪器由三个正交检波器和两个水听器组成, 被放置到井底组合内 检波器接收的地震能量来自布置在地面上钻机周围的可控震源 信号采集后进行地下存储和处理, 校验炮资料 ( 即地震信号从地面到达井下已知深度的传播时间 ) 和质量指标用 MWD 传输系统实时传输到地面 关于 seismicvision 仪器的更多信息, 请参考 :Esmersoy C,Hawthorn A, Durrand C 和 Armstrong P: Seismic MWD: Drilling in Time, on Time, It s About Time,The Leading Edge 24 卷, 第 1 期 (2005 年 1 月 ): StethoScope LWD 仪器上设计了三个压力传感器 : CQG 晶体石英压力传感器用来记录地层压力, 被放置到探测器中, 探测器周围是弹性密封装置, 固定到稳定器的一个翼片上 ; 应变传感器也安装到稳定器上, 用于测量地层压力 ; 另一个应变传感器安装到地层压力传感器附近, 用于不间断监测井筒压力 在底部钻具组合 (BHA) 停转期间, 通过活塞将装有压力探测器的稳定器推靠到钻开的储层面 关于 StethoScope 仪器的详细信息, 请参考 :Barriol Y, Glaser KS,Pop J,Bartman B,Corbiell R,Eriksen KO,Laastad H,Laidlaw J,Manin Y,Morrison K,Sayers CM,Terrazas Romero M 和 Volokitin Y: The Pressures of Drilling and Production, 油田新技术,17 卷, 第 3 期 (2005 年秋季刊 ): 在地球物理学中, 层析是一种反演技术, 它利用多种信号提供的信息计算和显示地质体内各种参数的三维分布, 如层速度, 反射率和电阻率等 这些信号从众多个点源发出, 通过地质体, 到达多个检波器 这种技术一般包括来自其他观测方法的各种约束条件, 如地质倾角, 校验炮观测和测井资料等 关于局部地震层析反演技术的详细信息, 请参考 : Bakulin A,Liu Y 和 Zdraveva O: Localized Anisotropic Tomography with Checkshot: Gulf of Mexico Case Study, 详细摘要, 第 80 届 SEG 年度技术会议暨展览会, 丹佛,(2010 年 10 月 日 ): Bakulin 等人, 参考文献 6 已解释的层位和风险预测结果等 然后该团队分析上述资料是否适用于该作业 最后他们对使用地震资料制定钻井计划面临的不确定因素进行评估并在钻井过程中进行监测 [4] 经过可行性研究, 由钻探作业方和团队确定利用上述资料可以完成该项目, 然后他们将资料用于建立钻前模型, 即起始地质模型 SGD 技术的核心思想是组成地质模型的要素取决于模型应用的目的 如果建立地质模型的目的是根据地质特征定井位, 那么建立地质模型时应考虑地震速度 构造地震成像和地质层位解释成果 如果目的是预测孔隙压力, 那么地质模型应包括一个孔隙压力估测体结果 如果主要关注因素是井筒稳定性, 那么地质模型就应该是力学地质模型 (MEM) 地质模型包含以计划井轨迹为中心的地震数据体 目标钻井体 (DVI), 并且包括任何邻井数据 DVI 是一个由边长约 5km X 5km(3 英里 x 3 英里 ) 限定的区域, 在时间域或深度域内延伸, 直到包括所有目标储层 这一规模的地质模型有助于快速随钻更新, 有利于使用复杂处理和计算方法, 确保模型分辨率达到最高, 从而有效指导钻井决策 起始地质模型将地面地震资料作为主要输入信息 为进一步约束模型从而进行钻井设计, 该模型加入了更多信息, 如其它地震方法采集的资料 邻井资料 盆地模型 岩石物理模型和区域地质知识等 邻井提供的信息可能有测井资料, 井筒地震资料如校验炮和垂直地震剖面 (VSP), 泥浆比重和钻井资料等 [5] 该模型包括多种参数及其相关的不确定因素 这些参数可能包括局部各向异性速度, 高分辨率深度偏移地震成像, 解释后的层位和断层, 地质隐患, 地质力学特性, 包括孔隙 裂缝和上覆压力梯度 [6] 钻探作业方利用这个起始模型建立钻井计划, 而且该模型还是随钻模型更新的起始点 16 油田新技术

17 钻进过程中,LWD 仪器会不断提供新 的信息 ; 这类信息可能有 seismicvision 仪器采集的校验炮测量数据,StethoScope 随钻地层压力测量仪器提供的地层压力信息 [7] 其他相关资料还可能来自电缆 MDT 模块式地层动态测试器 漏失测试 泥浆比重 钻屑和钻井事件等 SGD 团队利用这些信息及时更新钻进中给定深度上的地质模型 地球物理师根据新钻井段提供的信息重新处理地面地震资料 为了调整 DVI 内的速度, 地球物理师采用局域层析反演, 它通过同步拟合地面地震资料和井资料, 更新速度模型中当前的速度和各向异性参数 ; 对当前地震速度进行重建, 并进行条件约束, 使之等于根据该井校验炮观测得出的速度 [8] 然后建 模人员利用更新后的速度模型约束地震深度偏移, 将地质构造重新归位到正确的位置, 并重新计算地下构造的高分辨成像 之后地质建模人员将重新处理过的地震资料 地震成像和速度模型用于更新后的地质模型 基于该模型, 可以重新预测孔隙压力 破裂压力以及上覆压力梯度 然后团队确定潜在钻井隐患和地质构造的深度, 钻井方可以做出主动决策 SGD 技术类似于天气预报 气象工作者对未来的天气形势越加确定, 他们就会对未来天气事件越加肯定, 因此可以针对性地更新气象模型 预测与实际事件越接近, 预测结果就越准确 这种方法在此也是可行的, 因为建立预测模型不仅仅是依赖邻井资料, 同时还使用在钻井的资料作 为预测钻头前方状况的主要约束条件 SGD 方案已用于海上和陆上钻井 在墨西哥湾, 利用该技术预测钻头前方的异常压力 在钻头前方 3280 英尺 (1000 米 ) 处预测孔隙压力梯度的精度在 psi/ 英尺 (0.29 kpa/ 米 ) 以内, 这相当于使用的泥浆比重可精确到 0.25 磅 / 加仑 (30 千克 / 米 3 )( 下图 ) 在另一个墨西哥湾案例中, 主要困难是确定断层下的下套管位置 因此随钻采集了从海底到最新钻井深度间的实时 LWD 校验炮资料和测井资料 并用井资料对纵向速度进行约束, 通过地震层析反演建立了各向异性速度模型 用该速度模型约束叠前深度偏移 (PSDM) 和显示断层位置 1,500 1,500 2,500 3, SGD 2,500 3,500 SGD 4,500 4,500 5,500 6,500 7,500 5,500 6,500 7,500 8,500 8,500 9,500 9,500 10,500 10,500 11,500 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 11, psi/ ^ 墨西哥湾某井的孔隙压力预测实例 研究团队根据现有地震资料和邻井资料建立了目标井的钻前速度模型 ( 左图, 黑色线 ) 然后他们将随钻采集的校验炮速度数据 ( 从地面到 8000 英尺深 )( 红色实线 ) 加入模型, 并建立了最新速度模型 ( 蓝色线 ), 模拟该井已经钻到了 8000 英尺 随后, 研究团队将 英尺井段间采集的校验炮速度数据 ( 红色虚线 ) 加入模型 在该井段上, 更新后的预测速度和校验炮记录对比关系良好 另外, 该团队还用更新后的速度预测 英尺层段间的孔隙压力梯度 ( 右图, 蓝色线 ) 预测结果与实测孔隙压力梯度( 红圈 ) 非常吻合 图中给出了当量泥浆比重范围作为参考 绿色曲线和红色曲线分别代表静流压梯度和静岩压梯度 静岩压梯度表示地层上覆岩石引起的压力变化 ( 引自 Esmersoy 等人的资料, 参考文献 9 ) 2015 年 5 月 17

18 1,600 m/s 2,200 2,800 x B A 3,400 5 km ^ 老地震资料 道达尔向斯伦贝谢研究团队提供了一套地震资料, 同时还提供了 A 井和 B 井的井资料, 以及区域研究成果 这些资料是在一口已钻井周围建立钻井状况的钻前地质模型的基础,, 用于模拟 SGD 技术 水深图 ( 左图 ) 给出了井的位置 显示层速度的老地震成像图 ( 右图 ) 的方向从南到北 ( 绿色和红色箭头 ) 右上角的俯视图给出了井周围的目标钻井体 ( 插图, 绿圈 ) 和剖面的走向 从老地震资料可以看出 沿井轨迹随着深度增加, 速度表现出增大趋势 ( 紫色到绿色到黄色 ) 然而, 在该井下方, 速度再次降低 ( 黄色到蓝色 ), 说明以下井段的地层压力将会非常高 在第一阶段, 这些速度都根据道达尔提供的附加信息做为约束条件, 并采用了适合孔隙压力预测的速度反演技术进行了更新 第二阶段进行了模拟更新, 并假设试验井已经钻到深度 X ( 引自 Teebenny 等人的资料, 参考文献 13 ) 的地震成像 在距当前钻头前 1500 英尺 (460 米 ) 处, 预测下套管位置的误差在 50 英尺 (15 米 ) 以内 [9] 钻头前方的孔隙压力异常地层压力是一种钻井风险, 遭遇异常地层压力会导致非生产时间, 并带来其他不利后果 钻井行业每年遭遇异常地层压力产生的成本高达数十亿美元 [10] 为了降低这类风险, 钻探方需要一个能够模拟预期地层压力的钻前模型, 用来确定建井的各个方面, 如下套管位置和泥浆比重 [11] 地层压力的估测结果通常具有较大的 不确定性 钻井团队利用 LWD 仪器随钻检测地层压力, 确定地层特性 [12] 然而,LWD 压力数据只在当前钻深处有效, 不能代表未钻地层的状况 为了减少不确定性, 并在钻井进行中加强及时决策, 提前了解钻头 前方待钻地层状况非常重要 声波 LWD 测井仪器能够提供精确的高分辨弹性波速度, 据此可推测地层力学特性, 而且这类仪器还可对完钻地层进行特征描述 除了使用 LWD 数据, 钻井团队还可以依靠地震反射波照亮钻头前方待钻区域, 但是根据它们得到的钻前层速度可能存在较大不确定性, 因为没有在钻井资料对其进行约束 SGD 技术能够利用钻头前方的地震反射预测速度, 用钻头后方沿井筒的 LWD 数据得到的已知速度作为约束, 从而提高预测速度的精确度和分辨率 在选定的钻井深度, 如重要的标志层和下套管位置, 地球物理师根据 LWD 和钻井数据重新计算层速度, 然后重新偏移地震数据, 得到钻头前方待钻地层的最新地震成像 利用该方法得到速度 传播时间 地层顶深度, 以及与该井自从开钻后曾经遇到的地层压力 相吻合的压力值, 然后前瞻性的预测下一个钻井段的相应参数 用井资料约束 SGD 的结果, 并及时更新地质模型, 可以有效降低预测结果的不确定性 在尼日利亚一口由道达尔公司所钻海上深水井中, 通过模拟 SGD 技术预测待钻地层的孔隙压力 道达尔与斯伦贝谢签订了一项合作协议, 把该井作为试验井, 用从该井采集的井资料进行概念验证性研究 [13] 这项研究分三个阶段进行: 用老资料 ( 未钻试验井前采集的资料 ) 建立起始地质模型 用给定深度附近的井资料模拟随钻模型更新, 以预测待钻地层的情况 评估预测精准度这项研究是对 SGD 技术的一次盲测 ; 为了消除偏见, 道达尔未公开关于试验井的信息, 一直到进入下个阶段必须使用这 18 油田新技术

19 些信息为止 为了启动这项研究, 道达尔提供了区域研究的地质和地球物理资料, 以及周边 A 井和 B 井的井资料 ( 前一页 ) 随着斯伦贝谢团队完成每个阶段的工作, 道达尔陆续公开了关于这口试验井的更多资料 使用这些资料, 斯伦贝谢的地学家建立了钻前地质模型, 模拟试验井周围 DVI 范围内局部钻井状况 该模型融合了来自 A 井和 B 井的钻井资料 地质资料 地球物理资料 测井资料和孔隙压力信息 建立钻前模型的主要目的是提供一个起始地质模型, 并能在随钻中进行更新 地学研究团队利用他们了解的关于未来待钻井的地质 地球物理 岩石力学以及岩石学特征, 建立新模型 ; 这种建模基于最新获得的信息, 对 SGD 方案的成功实施至关重要 X m 试验井的钻前模型包括一个含有已知重要层位的地质模型 另外, 还利用邻井的测井资料建立了岩石物理模型 地球物理师利用层析速度反演和 PSDM 技术, 在地质模型和岩石物理模型约束下, 建立了地震速度模型和地震成像 随后还根据岩石物理模型和地震速度模型对地层压力模型进行了计算 为确保与邻井观测到的区域构造地质 地质层位和层速度保持一致, 地学研究人员还将各向异性速度引入到钻前模型 该团队在项目启动前 10 周内完成了试验井的钻前模型 此外该团队还制定了随钻阶段信息更新流程, 用来模拟钻井过程中新信息的接收和使用 1,600 m/s 2,200 2,800 3,400 X m ^ 试验井计划和随钻模型更新 道达尔根据左侧的下套管计划完钻了试验井 ; 该井的预计岩性是砂岩 ( 黄色 ) 和页岩 ( 绿色和棕色 ) PSDM 地震剖面 ( 叠合了用色码标示的地震层速度 ) 表示从老资料到钻前模拟再到实时更新的情况 该试验井是根据老资料钻的 斯伦贝谢团队完成了第一阶段的钻前模型后, 道达尔提供了试验井到 X 米深处的钻井资料,LWD 资料,VSP 资料和校验炮资料 在第二阶段, 该团队使用上述资料更新了钻前模型, 并预测了预钻段 (X m) 的地层条件 ( 引自 Teebenny 等人的资料, 参考文献 13 ) 接下来该团队用给定钻深处以上的井资料模拟了快速随钻更新 道达尔提供了试验井给定深度上的 VSP 资料 校验炮资料 LWD 和钻井资料 收到这些资料后, 即开始预测钻头前方的地层情况 ( 右上图 ) 要求该团队在 48 小时内将采集的新资料整合到钻前地质模型, 然后重建模型, 使其与试验井已钻井段的信息吻合, 预测钻头前方 700 米 (2300 英尺 ) 范围内的速度 孔隙压力 标志层深度和地质构造 整个更新 9. Esmersoy C,Ramirez A,Teebenny S,Liu Y,Shih C-C,Sayers C,Hawthorn A 和 Nessim M: A New, Fully Integrated Method for Seismic Geohazard Prediction Ahead of the Bit While Drilling,The Leading Edge 32 卷, 第 10 期 (2013 年 10 月 ): 异常地层压力是一种地下状态 : 地质层段中孔隙内的流体压力大于或小于地层正常或预期的静水压力 当大于正常压力 ( 即超压或地压 ) 时, 可能导致井喷, 或钻井失控 当低于正常压力 ( 即欠压 ) 时, 可能导致差压卡钻, 这种情况下钻杆无法移动, 可能引起井漏, 即循环漏失 11. 关于地下压力和钻井的更多信息, 请参考 :Barriol 等人, 参考文献 Alford J,Goobie RB,Sayers CM,Tollefsen E, Cooke J,Hawthorn A,Rasmus JC 和 Thomas R: A Sound Approach to Drilling, 油田新技术,17 卷, 第 4 期 (2005/2006 年冬季刊 ): Barriol 等人, 参考文献 Teebenny S,Dai J,Ramirez A,Tai S,Shih C-C, Centanni S,George H,Hawthorn A 和 Esmersoy C: Evaluating a New Integrated Method for Seismic Geohazard and Structural Prediction Ahead of the Bit: A Field Study Offshore Africa, 详细摘要, 第 84 届 SEG 年度国际会议暨展览会, 丹佛 (2014 年 10 月 日 ): 年 5 月 19

20 1,600 0 m/s 2,200 2,800 psi/ , m/s 1,600 2,200 2,800 x P psi/ x 3, ^ 钻前模型和随钻更新模型结果的对比 左侧图表示地震层速度, 右侧图表示地层压力梯度, 插图的视图方向从南到北 第一阶段钻前模型结果 ( 上 ) 仅基于道达尔提供的钻前信息建立 模拟结果预测在井轨迹末端的目标钻进段 ( 白色圆圈 ) 内地震层速度较高 这些速度对应低地层压力梯度预测值 ( 青色 ) 在第二阶段, 模拟结果 ( 下 ) 已经得到更 新, 并受到 X 米深处钻井资料 LWD 资料和 VSP 校验炮资料的约束 更新后的模型表明目标钻井段内的层速度低于钻前预期值 根据这些层速度, 预测在 700 米以下的目标层段内, 孔隙压力梯度高于钻前预测值 孔隙压力梯度增高的层段起始深度浅于第一阶段的模型预测 ( 引自 Teebenny 等人的资料, 参考文献 13 ) 在 36 小时内完成 通过快速随钻更新产生的新模型与原钻前模型之间存在很大差异 ( 上图 ) 精确的地震层速度是估算孔隙压力, 确定地质构造深度 地质标志层和套管位置的重要参数 在预测层段, 实际声波速度和更新后的层速度吻合较好 ( 下一页, 上图 ) 两张剖面都表现出速度下降, 在这样的地质环境下, 这表示地层压力上升 根据更新后的速度, 对 X 深度以下 700 米范围内的地层压力预测进行了计算, 可以看出在 X +350 米 (X 英尺 ) 下面, 地层压力首先下降, 然后上升 更新后的资料预测在 X 米 (X 英尺 ) 层段内地层压力上升 在研究团队交付了更新资料和下一个钻井段的预测结果后, 道达尔公开了试验井的实际资料, 用于与预测结果进行对比 实际变化趋势与预测结果相似 ; 试验井中的实际压力在 X 米附近下降, 随后到 X 米 (X 英尺 ) 附近上升 而根据老地震资料预测的钻前压力, 在加入试验井钻井资料前, 预测在 X 米 (X 英尺 ) 附近上升, 与实际开始上升深度相差 200 米 (660 英尺 ) 除了精确预测孔隙压力,SGD 技术对分辨率和地震成像的清晰度也产生有利影响 ( 下一页, 下图 ) 资料更新后, 试验井附近的断层及其他地质特征体都比钻试验井前采集的老资料处理的结果更加清晰 20 油田新技术

21 X X X X SGD X X SGD X X X +400 X X +400 X X X X X X X X X ,750 2,000 2,250 2,500 2,750 3,000 3, m/s psi/ ^ SGD 技术的评估 斯伦贝谢团队将试验井第二阶段的 SGD 方案结果提交给道达尔 交付的资料向作业方的钻井团队提供了一次模拟的更新 随后, 道达尔公开了试验井 X 深度下的井资料 更新后的速度 ( 左, 红色 ) 与试验井的声波测井速度 ( 黑色 ) 基本上一致 压力梯度图 ( 右 ) 表明 SGD 技术预测的地层压力 ( 棕色 ) 与钻后地层压力测量值 ( 红圈 ) 和计 算值 ( 红线 ) 的对比 更新资料预测从 X 米处地层压力开始上升, 而实际结果表明从 X 米处开始上升 试验井是根据老资料钻的, 利用老资料预测的钻前压力 ( 蓝色 ) 从 X 米处开始上升, 比实际起始点深 200 米 (660 英尺 ) ( 引自 Teebenny 等人的资料, 参考文献 13 ) SGD B B A A km 5 km ^ 改善分辨率和图像清晰度 SGD 技术有效改善了地震图像的质量 2100 米 (6900 英尺 ) 处的深度切片表明试验井周围的分辨率明显得到改善 对比老资料成像的深度切片 ( 左 ) 和用试验井资料更新后的资料 成像的同一深度切片 ( 右 ), 发现新切片上断层 ( 红线箭头 ) 轮廓更加分明, 其他特征体 ( 黄色椭圆 ) 变得更加清晰 2015 年 5 月 21

22 钻井方会根据地层条件的变化不断调整钻井参数 SGD 方案和工作流程利用老井资料和当前井资料提供的信息预测后续的钻井条件 给钻井方提供一种选择, 决定是否修改下套管计划和泥浆比重计划, 期间无需停钻 古喀斯特储层实例奥陶系碳酸盐岩地层是中国西部地区塔里木盆地的重要储层 储层埋深 米 ( 英尺 ); 基岩孔隙度为 2% 左右 油气主要储集在次生孔 隙中, 由溶解孔隙和裂缝组成, 后在喀斯特作用过程中发育成孔 缝和洞 [14] 储层位于非均质裂缝性溶洞系统, 它是在石灰岩喀斯特环境中发育而成的 [15] 对这种深埋的裂缝性溶洞系统采用地面地震资料难以准确成像 塔里木盆地地处沙漠地区, 地表条件多变, 沙丘和厚砂层给地震资料采集作业带来巨大挑战 ; 干燥砂层的地震速度低, 并产生严重的多次波, 对一次反射产生严重干扰 [16] 古喀斯特油藏层位于火山岩和膏盐层下面, 其厚度和层速度在横向上变化较大, 产生复杂的地震波场, 由于反射波较弱, 同时还伴有复杂的散射和绕射波场, 使得对油藏特征的描述非常困难 [17] 在地震剖面上, 溶洞表现为串珠状反射, 它们是溶洞的回波产生的, 宽度约为 米 ( 英尺 ) 该地区地震反射波的复杂性和地震层速度的不确定性使得难以精准确定单个溶洞的位置, 特别是确定为钻井目标 经常造成井钻到溶洞的周边, 甚至完全错过溶洞 A0 1,500 m/s 6,500 1,500 m/s 6,500 VSP 1,500 m/s 6,500 Epsilon 1,500 m/s 6,500 1,500 m/s 6,500 1,500 m/s 6,500 1,500 m/s 6,500 1,500 m/s 6, Delta 0 1,500 m/s 6,500 1,500 m/s 6,500 1,500 m/s 6,500 1,500 m/s 6,500 1,500 m/s 6, ,600 2,400 3,200 4,000 4,800 5,600 6,400 7,200 8,000 ^ 层析速度反演 1-5 井都是计划井 A0 周围的邻井 在每口邻井中都采集了声波测井资料 ( 蓝色 ) 层析反演从简单速度模型( 右, 黑色 ) 开始, 其中每一层的各向异性纵波速度具有垂直横向各向同性 (VTI) 的对称特征 这种特征由 epsilon 参数 (ε, 绿色 ) 与 delta(δ, 橙色 ) 参数 之间的差异来表述 利用邻井的声波测井资料约束层析反演, 研究团队用老地震资料从层析速度反演中得到钻前速度模型 ( 红色 ) 从 A0 井采用 seismicvision 测井仪器随钻记录的零偏移距 VSP 速度 ( 青色 ) 与钻前模型匹配良好 ( 引自 Shi 等人的资料, 参考文献 18 ) 22 油田新技术

23 为了提高钻进溶洞的成功率, 中国石 油塔里木油田公司与斯伦贝谢签订协议, 0 1,000 进行可行性研究, 确认现有资料并利用 SGD 技术指导钻井进入溶洞系统 [18] 2,000 6,500 研究团队收集了 2007 年采集的地震 3,000 5,500 资料 老速度模型 邻井资料和地质信息 初始速度模型由饼状水平层状构成 在该简单模型中, 速度在水平方向上不变, 但在垂直方向上变化 每层横向上呈各向同性, 具有垂直对称轴, 即垂直横向各向同性 (VTI); 地震速度一般表现为水平方向上快, 垂直方向上慢 层深到 1000 米的浅层模型部分基于折射波层析反演建立 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 m/s 4,500 3,500 2,500 1, 大于 1000 米的深层部分, 根据一口邻井 10,000 采集的校验炮资料, 并按照地质分层趋势侧向外推得到 横向各向同性参数 ε 和 δ PSDM PSDM ( 衡量纵波速度各向异性特征 ) 从地表到 200 米深时为 0, 然后 ε 和 δ 平稳上升到 1200 米 (3940 英尺 ) 后, 分别达到 3% 和 1.5% [19] 地球物理师随后将初始速度模型作为输入, 用已有的地震数据进行层析速度反演, 并用五口邻井的声波测井资料作为模型约束条件, 得到 DVI 钻前速度模型 ( 前一页图 ) 地球物理师采用了层层剥离的方法, 从上到下进行反演 [20] 从地面到地下 米 (32800 英尺 ) 共划分四层 ; 奥陶系洞穴在最深层 地球物理师将传播走时误差减到最小, 并在处理下一层前, 确定出每层的最佳拟合层速度 最终的钻前速度模型与测井资料和 VSP 资料一致, 并得到 PSDM 成像资料, 使溶洞更加清晰 ( 右上图 ) 0 + ^ 初始速度模型与钻前速度模型 初始纵波速度 ( 左上 ) 随深度平稳增加 ; 模型具有 VTI 对称特征 地球物理师采用层层剥离和层析速度反演方法细化速度, 并用邻井的声波测井资料作为约束条件, 建立钻前速度模型 ( 右上 ) 叠前深度偏移(PSDM) 成像剖面经过初始成像 ( 左下 ), 逐渐得到改善, 得到最终钻前成像 ( 右下 ) 溶洞( 黄色箭头 ) 变得更加清晰, 并被置于正确的空间位置上 ( 引自 Shi 等人的资料, 参考文献 18 ) 14. 原生孔隙度是在沉积过程中发育形成的, 并在岩性化 ( 沉积物成岩 ) 后一直保持存在 次生孔隙度是在原生孔隙度岩性改变后发育形成的, 常见过程如白云岩化, 溶解和裂隙化 喀斯特化是碳酸盐岩溶解和侵蚀过程 沉孔 洞穴 麻面 丘陵和尖状结构是喀斯特地貌的典型特征 古喀斯特是由于埋藏和喀斯特化过程停止后保存下来的一种喀斯特地形 15.Yang P,Sun SZ,Liu Y,Li H,Dan G 和 Jia H: Origin and Architecture of Fractured-Cavernous Carbonate Reservoirs and Their Influences on Seismic Amplitudes,The Leading Edge 31 卷, 第 2 期 (2012 年 2 月 ): Sun SZ,Yang H,Zhang Y,Han J,Wang D, Sun W 和 Jiang S: The Application of Amplitude- Preserved Processing and Migration for Carbonate Reservoir Prediction in the Tarim Basin, China, 石油科学 8 卷, 第 4 期 ( 2011 年 12 月 ): Feng X,Wang Y,Wang X,Wang N,Gao G 和 Zhu X: The Application of High-Resolution 3D Seismic Acquisition Techniques for Carbonate Reservoir Characterization in China,The Leading Edge 31 卷, 第 2 期 (2012 年 2 月 ): Wang X,Feng X,Luo W,Gao X 和 Zhu X: Key Issues and Strategies for Processing Complex Carbonate Reservoir Data in China,The Leading Edge 31 卷, 第 2 期 (2012 年 2 月 ): Shi HX,Peng GX,Zheng DM,Zhang LJ,Li H, Li GH,Yang PF,Duan WS,Chen M,Zhang H, Yang S,Wang P,Xue FJ 和 Liu X: Integration of Surface Seismic and Well Information to Improve Drilling Success for Onshore Carbonate Caves, 论文 Th E102 04, 发表在第 76 届欧洲地球物理师和工 程师协会大会暨展览会上, 阿姆斯特丹,2014 年 6 月 日 19.Shi 等人, 参考文献 18 Epsilon (ε) 和 delta (δ) 是介质的纵波参数, 其中的弹性特性表现为具有垂直横向各向同性特征 ε 是纵波的各向异性参数, 等于水平和垂直方向上的纵波速度差除以垂直方向上的纵波速度 δ 是一个弱各向异性参数, 表示近垂向的纵波速度各向异性和垂向的极化横波相位角的相关性 关于横向各向同性参数的详细信息, 请参考 : Thomsen L: Weak Elastic Anisotrop,Geophysics 51 卷, 第 10 期 (1986 年 10 月 ): 层层剥离是用地面地震资料确定层状地质模型速度和深度构造的一种方法 该方法从表层反演开始, 确定模型的参数, 然后利用确定的参数, 结合地震反射资料, 反演出下一个更深层段的参数 反演过程一直进行, 直到完成对整个目标体的反演为止 2015 年 5 月 23

24 PSDM 5,700 5,800 5,900 6,000 6,100 6,200 PSDM 5,700 5,800 5,900 6,000 6,100 6,200 PSDM 5,700 5,800 5,900 6,000 6,100 6,200 直井 A 井是根据钻前速度模型和 PSDM 成像进行钻井设计的 A 井钻井过程中, 塔里木油田公司实时采集了校验炮资料 他们在底部钻具组合上安装了 seismicvision 仪器 完成每根立管钻进后, 在添加新立管并且还未产生井下钻井噪音时, 激发地面震源,seismicVISION 仪器记录产生的波形 钻进过程中, 在一些决策的关键点上, 用这些数据产生的 VSP 资料更新钻前速度模型和溶洞的地震成像 如果仅仅按照 2007 年的地震资料钻 A 井, 肯定会错过目标溶洞, 横向距离相差达 150 米 (490 英尺 )( 左图 ) 起始钻前模型预测溶洞埋深与实际深度最多相差 16 米 ( 52 英尺 ) 模型更新后, 提高了溶洞定位精度, 预测溶洞深度与实际深度仅差 8 米 ( 26 英尺 )( 下一页图 ) 钻探方提前得到了警示信息, 并更好地做了准备, 以应对即将发生的钻进洞穴将遇到的异常钻井状况 随着钻头接近其中一个深层裂隙性碳酸盐岩溶洞, 钻头靠近与洞穴相关的裂隙系统后, 可能会发生泥浆循环漏失 如果循环漏失造成井底压力下降到地层压力以下的话, 接着就可能发生井涌 ( 地层流体进入井筒 ) 随着钻头突破进入溶洞系统, 也可能发生钻杆脱落等事故 ; 钻杆脱落可能导致设备损失 根据 A 井的成功经验, 中国石油塔里木油田公司的团队利用 SGD 方案又钻了三口井 每口井都命中目标, 钻入溶洞 未来的发展作业方想方设法用最少的井实现最大产量并最大限度提高采收率 最大的困难是如何降低实现目标所必须克服的不确定因素和风险 油藏甜点的位置和钻入甜点遇到的隐患产生的不确定因素会带来勘探 钻井和生产方面的风险, 如误判甜点, 遭遇不安全钻井状况, 以及不得不钻更多井来弥补非经济井损失的产量 0 + ^ 确定溶洞的位置 2007 年老的 PSDM 成像剖面 ( 上 ), 钻前 PSDM 成像剖面 ( 中 ) 和更新后的 PSDM 成像剖面 ( 下 ) 说明新资料用于 SGD 方案后溶洞的定位精度明显得到改善 钻前模型被用于制定 A 井钻井计划 ( 蓝色线 ) 如果用老资料制定钻井计划, 势必会造成 A 井偏离目的层 150 米 溶洞的顶是根据拾取的最大反射负振幅 ( 黄色 ) 确定的 24 油田新技术

25 PSDM PSDM 5,675 5,700 5,725 5,750 5,775 5,800 5,825 5,850 DO2y DO2y 5,875 5,900 5,925 5,950 5, ^ 随钻更新 从钻前 PSDM 成像图 ( 左 ) 可以看出, 根据拾取的最大负 色斜线 ) 与其实深度深相差不到 8 米 图中绿色水平线是左右侧图像进 反射振幅 ( 黄色 ) 解释出的洞穴顶 ( 蓝色斜线 ) 与其实际深度 (DO2y) 行比较的参考线 相差 16 米多 而在更新后的 PSDM 成像图上 ( 右 ), 预测洞穴顶 ( 蓝 地震导向钻井方案 (SGD) 是钻井施工过程中实现快速决策的过程, 其发展是基于计算能力 综合软件技术和多学科团队协作等方面的进步 快速建模技术, 如 SGD 方案, 可能从主要作为一种降低钻井不确定因素和风险的工具, 逐渐发展成油藏管理不可或缺的部分 进入某个新勘探区块后, 钻井工程师可 使用 SGD 技术钻试验井, 然后地球物理师通过区域构造图和含油气系统模拟来识别出存在的盆地级油藏甜点, 地质师可以重点研究井周围 DVI 范围内的有利地质构造和地层 布井规划团队也可以依靠类似的方法直接钻探评价井和开发井, 以评估生产层段周围储层的质量 最后, 在油田开发过程中, 综合多学科地质模型, 为钻探作业方提供高 精度模型, 在复杂的地质环境下, 用最少的井来优化油田的开发方案 如果这一切能成功实现的话, 钻探作业方就能大大提高作业效率, 在边际探区内获得更加富有成效的钻探成果 RCNH 2015 年 5 月 25

26 多相流模拟 优化油气田产能 Intan Azian Binti Abd Aziz Petronus Carigali Sdn Bhd 马来西亚吉隆坡 Ivar Brandt 挪威奥斯陆 随着油气井建井和油田开发活动日益复杂, 对复杂精细流体模拟方法的需求也更加强烈 新一代多相流模拟工具能够帮助作业者安全 高效地建井 铺设管道以及筹建处理设施, 优化油田长期开发方案, 最大限度地降低风险并实现利润最大化 Dayal Gunasekera 英国阿宾顿 Bjarte Hatveit Kjetil Havre Gjermund Weisz Zheng Gang Xu 挪威居勒 Steve Nas 马来西亚吉隆坡 Knut Erik Spilling 挪威桑维卡 Ryosuke Yokote 埃尼 ( 澳大利亚 ) 集团澳大利亚西澳大利亚州珀斯 Shanhong Song 雪佛龙项目资源公司中国北京 油田新技术 :27 卷, 第 1 期 (2015 年 5 月 ) 2015 斯伦贝谢版权所有 在本文编写中得到以下人员的帮助, 谨表感谢 : 挪威卑尔根的 Bjørn-Tore Anfinsen 和 Lars Magnus Nordeide; 挪威奥斯陆的 Dag Biberg,Kevin Andre Hermansen, Norbert Hoyer,Bin Hu 和 Hans Marius With; 英国伦敦的 Rajesh Puri, 以及美国得克萨斯州休斯敦的 Mack Shippen 和 Steve Smith Drillbench,OLGA,OVIP 和 PIPESIM 是斯伦贝谢公司的商标 日益复杂精细的流动模拟模型已被开发出来, 以满足作业者勘探开发新区的技术需求 在对埋藏更深 地处更偏远 地质构造更复杂的油气藏进行勘探开发的过程中, 这类模型非常有助于钻井工程师克服井设计中的难题, 同时也为生产和设施工程师了解和预测油气流动条件提供帮助 流动模拟是一种非常完善的方法, 通过流动模拟, 工程师可对井中 生产系统或集输管道中的多相流动特性进行大致分析 利用专门软件程序中的数学模型, 工程师可以建立流动模拟模型, 再现油气水的稳态流和瞬态流, 而这些状态在实际生产井 油气管线和处理设备中都可能遇到 利用模拟输出模型结果指导作业者进行油 1. Edwards DA,Gunasekera D,Morris J,Shaw G, Shaw K,Walsh D,Fjerstad PA,Kikani J,Franco J,Hoang V 和 Quettier L: Reservoir Simulation: Keeping Pace with Oilfield Complexity, 油田新技术,23 卷, 第 4 期 (2011 年冬季刊 ): 关于循环漏失的详细信息, 请参考 :Cook J, Growcock F,Guo Q,Hodder M 和 van Oort E: Stabilizing the Wellbore to Prevent Lost Circulation, 油田新技术,23 卷, 第 4 期 (2011 年冬季刊 ):26 35 田开发决策, 确定钻井数量 井位, 以及每口井的完井方法, 以确保油田维持长期优化生产 通过多相流模拟可以预测一口井乃至整个油田生产周期内各个阶段 ( 从钻井到井下开采 集输管网再到处理设施 ) 的流动特征 [1] 例如, 多相流模拟可以帮助工程师了解高温高压井中气体流入的影响, 从而可以在井控设计和工程决策中提供参考依据 [2] 另一个应用领域是针对容易发生漏失或井涌的储层段, 此时控压钻井 (MPD) 技术可能是最佳开发方案 [3] 流动模拟对于制定紧急计划也是一项有效工具, 例如发生井喷时 期间储层流体失控流入井筒, 甚至会流到井口 井控公 3. 控压钻井通过流量控制装置精确控制整个井筒的环空压力动态变化 控压钻井技术通常通过控制井涌或预防钻井液侵入储层在钻井过程中保持井筒可控 26 油田新技术

27 2015 年 5 月 27

28 P = BHP P + P 1. P = BHP + P 1. = 0 司和作业者通过流动模拟了解发生井喷时的可能流量, 然后用这些信息估算压井液的用量和密度, 以及恢复正常井控所需的泵注速度 ( 左图 ) 另外, 由于流动模拟包括用封井装置控制井喷时的实际压力和温度, 还可通过模拟对封井作业进行审核 [4] 流动模拟可以帮助工程师优化生产井的设计和作业计划 通过模型, 工程师可以深入分析完井设计, 包括选择向井流动控制方法 井轨迹设计 防砂和人工举升措施 [5] 生产工程师通过流动模拟估算油藏产层对全井产量的贡献率 然后他们用这些信息确定如何对生产井实施作业措施, 以最大限度地提高采收率 模拟模型也用来优化整个油气田的作业过程 设计工程师在概念设计 前端工程与设计以及详细设计等阶段通过流动模拟指导对管道 阀门 容器和处理设施规模和材料选择等方面的决策 另外, 模拟模型还可以用来评估生产系统中形成水合物和结蜡的风险, 从而指导如何优选最佳化学抑制剂方法, 以及热控系统的保温 捆绑和加热方式等 通过流动模拟, 系统设计师可了解管道集输与处理系统的腐蚀与侵蚀情况, 从而采取有效措施提高系统的防腐能力 BHP =+ P + P 1. ^ 井控流动模拟 作业者常用动态压井作业来控制井喷 井控专家使用特定密 度的流体进行压井, 这一密度既能有效压井, 又不会使地层破裂 在保持救援井环空和钻杆内充满压井液的同时, 通过环空压力计和油管压力计监测井底压力 (BHP) 通过流入救援井的流体流速进行控制 流动摩阻对从救援井 ( 红色箭头 ) 注入的压井液的静水压力提供补充, 使发生井喷的井中 ( 蓝色箭头 ) 静压上升 因为这种作业涉及产出液和压井液, 因此可以用多相流模拟软件进行模拟 P 环空表示环空压力,P 静压表示压井液产生的静水压,P 1 表示井喷井环空中流动造成的摩阻压降,P 油管表示救援井钻杆内的油管压力, 水头压力是从地面到放压点间水柱产生的压力 生产工程师利用流动模拟模型建立作业活动的程序, 如管道启用 关闭以及管道爆裂 产量变化 启用最佳流程设备 清管以及管网去瓶颈等 根据模型输出结果指导上述项目的正常作业程序, 突出强调安全作业限制, 据此可制定紧急程序和应急计划 流动模拟在作业者培训项目中也可以发挥作用 模拟模型帮助作业人员熟悉新生产系统的初次启动程序和流量保障考虑因素 模拟也给缺乏经验的人员在实际上岗前提供了安全操作流程设备的途径, 让他们运用大量 假设 场景进行实际模拟演练 本文介绍了流动模拟方法的进展, 重点介绍生产井和管网中上游和中游多相 28 油田新技术

29 流瞬态模拟方面的进步 通过简单的历史回顾详细描述了流动模拟软件如何从稳态条件下的两相流系统模拟发展到流体和流动特征均随时间发生变化的多相流系统模拟 本文还讨论了代表实际流动系统的数学模型的推导方法, 并回顾了在模拟软件中对模型进行求解的数值方法 通过案例研究重点介绍了 OLGA 动态多相流模拟软件如何帮助作业者在西非 中东和东南亚海上优化建井和生产流程 还介绍了对马来西亚海上一口探井进行液压井控的实例 历史回顾大量产出液并不是以稳态单相流状态流向地面 相反, 生产是一个复杂 不断变化的过程, 烃类流体 气体 水以及固相物质混合在一起以不均匀的流速流动 多相流设计和作业的基础是流体力学 [6] 起初推动石油行业模拟工具发展的动力是多相流系统设计人员需要精确估算井中和管线上的压力 温度和液体组成 用来模拟油气系统中流动状态的一个基本方法是建立两相流模型, 其中设计师假设只存在两种流体, 通常是一种液相, 另一种气相 [7] 其他模型对这种处理方法进行了扩展, 让模型包括的流体以多相状态共存, 如油 气 水三相 不同相可以在管道中以三个分层的连续的层流动 气相在最上部, 油层在中间, 水层在管道的最下面 三层中的每一层都可以单相流动 例如, 一部分气体从最上层气层流过管道, 而其余部分的气体以气泡形式分散到油层和水层中 多相流体模型结合了质量 动量以及能量守恒方程 [8] 通常, 质量守恒方程描述每一相, 动量守恒方程描述每个连续层, 而能量守恒方程描述全部混合流体或每一层 如果是两相两层流动模型, 则共包括六个微分方程 求解这组方程需要制定封闭定律, 它们是必须添加到守恒方程中的关系, 这样才能进行各种守恒计算 ( 右图 ) 其中一 种基本封闭定律是流体状态方程, 这是一种热动力方程, 为两种或多种状态函数提供流体性质间的数学关系, 如流体密度和粘度 ; 状态函数包括温度 压力 体积或流体携带的内能 假设每个管线位置上和每个时间点上总体化学成分不变, 可通过查询流体性质 ( 温度和压力的函数 ) 预算表得到上述关系 [9] 也可以通过研究黑油模型( 使用统一流体性质 ) 或油藏流体样品的全组分分析 ( 每种油气组分使用独立的流体性质 ) 获得函数关系 另一组基本的封闭定律包括将摩擦系数与流速 管道几何形状和流体物理性质相关联的定律或方程 首先进行了稳态流模型模拟, 其中流体性质如流速 密度 温度和成分都假设在系统中的指定点上不随时间变化 因此稳 态流模型描述的是一个稳定过程中质量 能量和动量的平衡, 即局部的平衡状态 尽管在系统中特定点上游或下游流动参数可能发生变化, 但如果流体总是保持相同性质, 且不随时间发生变化的话, 该点将保持局部平衡的状态 稳态流模拟软件引入油气行业已将近 30 年, 期间已得到了重大发展 例如, PIPESIM 稳态多相流模拟软件可以使工程师预测那些影响生产优化的一系列难题, 包括沥青质 石蜡和水合物的出现或二氧化碳引起的腐蚀和流动引起的侵蚀等 稳态流模拟为系统工程师提供了一种快速估测一组具体条件下流动结果的方法, 并可使他们接近实时地了解系统条件的变化对生产的影响 但是, 因为稳态流模拟工作的基础原理是假设流动参数不随时间变化, 因此不适用于瞬态流现象模拟 模拟中没考虑时间要素促使人们开发出动态多相流模拟, 它可使用户模拟系统随时间变化的状态, 因此使得预测正常油田作业过程中经常发生的多相流变化成为可能 与稳态流模拟一样, 动态模拟也包括了质量 动量和能量的守恒方程 但是, ^ 单相流动方程间的信息流 在管道处于单相流状态下, 动量守恒方程求解的是研究管段中流体的流速 这一流动信息然后被作为原始信息输入质量守恒方程和能量守恒方程, 用来更新研究管段中的质量和能量要素 随后新的质量和能量信息被作为原始信息输入状态方程, 用来更新压力分布参数 然后新获得的压力信息以及更新后的流体密度和能量信息被用来更新下一管段的动量守恒方程, 以此类推 多相流系统中的每个流体相都存在流动方程间的上述关系 4. 封井装置在井控作业期间用于控制流动 分流和压井 它不是标准钻井计划的一部分, 只有在必要时才实施 5. 人工举升指的是向井筒液柱增加能量的系统 ; 其目的是启动或改善井的生产 随着生产井进入成熟阶段及天然油藏压力递减, 多数井都需要某种方式的人工举升 关于人工举升的详细信息, 请参考 :Fleshman R 和 Lekic O: Artificial Lift for High-Volume Production, 油田新技术,11 卷, 第 1 期 ( 1999 年春季刊 ): Brandt I: Multiphase Flow,Euroil(1991 年 3/4 月 ): Ayala LF 和 Adewumi MA: Low-Liquid Loading Multiphase Flow in Natural Gas Pipelines,Journal of Energy Resources and Technology,125 卷, 第 4 期 (2003 年 12 月 ): Li C,Liu E-b 和 Yang Y-q: The Simulation of Steady Flow in Condensate Gas Pipeline, Najafi M 和 Ma B( 编辑 ):ICPTT 2009: Advances and Experiences with Pipelines and Trenchless Technology for Water, Sewer, Gas, and Oil Applications 美国弗吉尼亚州 Reston, 美国土木工程师协会, 组分追踪模型也可用来提供更加精确的瞬态流组分信息, 特别是对于那些具有不同流体 流速随时间变化而局部组分与时间相关的管道网络 2015 年 5 月 29

30 ^ 项目周期模型 OLGA 模拟软件用来模拟整个项目周期的瞬态多相流 该软件已经成为所有多相流油田开发的业界标准, 从钻海上油田首批井, 到 开发海底回接, 以及模拟进入陆上处理设备的流态 局部变量, 包括被模拟系统的入口和出口条件 如流速 入口压力 局部气相体积占比 都允许随时间变化, 以便更加接近地反映发生在油气生产系统中的实际变化 [10] 动态流体模型在多相流系统模拟中的应用范围很广, 包括飞机设计 天气模式预报 核反应堆堆芯中蒸汽和水流分析 [11] 从上世纪八十年代初期, 流体力学专家开始使用这种模型模拟管道中的油气水流动状态 动态流动模拟软件的发展最早的一项这类尝试开始于 1980 年, 是挪威国家石油公司 (Statoil) 和能源技术研究所 (IFE) 的联合研究项目 [12] 模拟工具的第一版, 即 OLGA 动态多相流模拟软件, 是该研究项目在 1983 年发布的 OLGA 模拟软件模拟缓慢瞬态流动状态 动态流的时间跨度从几分钟到几周 期间在油气系统中存在相关的质量输送 [13] 生产工程师利用该模拟软件对井网 流动管线 管道以及处理设备中的流动状态进行模拟 ( 上图 ) [14] 从 1984 开始,IFE 和 SINTEF 的联合研究项目对模拟软件做了进一步完善 [15] 研究项目得到在挪威大陆架上开展作业的石油公司的支持, 包括 Statoil Conoco Norway Esso Norge Mobil Exploration Norway Norsk Hydro A/S Petro Canada Saga Petroleum 和 Texaco Exploration Norway 该研究项目旨在扩展 模型的实证基础, 并引入新的应用 [16] 在单管中模拟两相流的早期尝试使用了单独的经验对比关系描述气体体积占比 压降和流动状态, 尽管这些参数实际上都是相互关联的 [17] 在 OLGA 模拟软件中, 流动状态被视为双流体系统的一个组成部分 到了上世纪 90 年代末期,OLGA 模拟软件的应用范围已扩展至三相流系统, 包括追踪三相流段塞, 其中整个流态被分成油或水的间歇流, 其间被气袋隔开 OLGA 模拟软件中的数学模型动态流模拟空间中的数学模型是对真实世界现象的数字表示 数学模型倾向于提供管线流动状态的一个宏观视角 这种方法可以简化流动状态, 前提是假设管线短段内的流体组分是均匀的, 入口和出口面速度场与这些面垂直, 流体性质如密度和压力在入口和出口横截面上是均匀的 首次应用于 OLGA 模拟软件的数学模型基于内径为 厘米 (1-8 英寸 ) 的管道中的低压空气流 水流及水蒸气 / 水流的数据 SINTEF 实验室提供的数据增加了烃类液体在 20 厘米直径的管道中以 巴 (2-9 MPa, 或 psi) 压力下流动的参数 科研人员利用这些数据对第一版的 OLGA 模拟软件进行了几次修改 模拟器的进一步迭代运算还包括了内径长达 76 厘米 (30 英寸 ) 的管道系统的现场数据, 从而提升了该工具的外推能力 [18] OLGA 模拟软件进行的瞬态流模拟也考虑了井筒或管道模拟段内的流动状态 [19] 对于两相气 - 液流, 多相流结构共有四 种基本的流态 : 层流 : 由两种彼此分离的流动连续的流体流组成, 其中液流在管道的底部流动, 气流 ( 通常夹带液滴 ) 在液流上面流动 环形流 : 液态薄膜紧贴管壁流动, 夹杂液滴的气流从液膜内部流过 分散气泡流 : 连续的液流夹带气泡 水力段塞流 : 层流, 其中夹带波动较剧烈的液态间歇段塞流 ( 下一页图 ) [20] 数学模型的初次试验使用了 SINTEF 提供的数据, 试验表明模拟软件能够准确描述气泡和段塞流态, 但在预测层流和环形流时不太精确 在垂直环形流中, 模拟软件预测压降高达 50%, 而在水平流中, 预测的持液量在某些情况下高达两倍之多 [21] 科研人员对模型进行了改进, 以考虑以近似气相的速度向前移动的液滴场存在的影响, 用来描述层流或环形流的流动状态 应用于动态多相流模拟软件的数学模型还包括三种流相的连续方程 : 气相 ; 由油 凝析油或水组成的液相 ; 由烃类液体 ( 油或凝析油 ) 分散在水中形成的液滴相 这些连续方程通过界面摩擦 界面质量传递和扩散 ( 如油扩散到水中 ) 存在耦合关系 建模人员通过滑移关系 ( 气相速度与液 [22] 相速度的无量纲比值 ) 追踪扩散情况 可以建立质量守恒方程关系式以考虑几种组分和流体类型, 包括全化学组分跟踪, 是否存在除垢和防腐蚀抑制剂 钻井 30 油田新技术

31 液 蜡 同位素示踪剂和固相颗粒的存在情况 在 2014 年发布的 OLGA 模拟软件中引入了可以模拟颗粒层流态的模型 [23] OLGA 模拟软件还表达了三种连续流动层的动量守恒关系, 对气层 油层和水层分别建立了独立的动量守恒方程, 并允许气层中包含液滴 该模型中的一个能量守恒方程按照流体相的组合混合方式处理系统的能量, 并假设每个相都处于相同温度 状态方程 ( 每个流体层对应一个状态方程 ) 提供了流体体积及其压力 温度及组分之间的函数关系 模拟软件根据最小滑移标准为模型选择特定流态 [24] 对于给定的表面速度, 模拟软件选择的流态可以让气相和液相线性速度的差异最小, 或者说滑移最小 到了 21 世纪初,OLGA 高分辨率 (HD) 模型问世, 其发展开始于模拟圆管中分层油 气 水流的 3D 摩擦力模型, 是从 1D 管壁摩擦模型和具有 3D 精度的界面摩擦模型推演出来的 [25] 综合应用这些数学模型可描述真实世界中那些可能包括多分支井 管道 人工举升系统 处理设备 流动控制设备如节流阀和防砂装置的生产系统中多相流的复杂情况 分析人员用数学模型通过数值方法或算法进行求解 这些计算方法充分利用计算机处理能力和计算速度方面的先进技术得到数字解, 相当精细地模拟真实世界中的流动现象 采用数值方法求解, 分析人员首先将管线中的整个流体流划分成离散小网格或单元 每个单元都有各自的压力 温度 流体组分 密度 流速和流量 [26] 求解每 ^ 多相流模拟软件划分的流态类型 分层流态广泛用于刻画层流或环形流 ( 上 ), 而分散流态是分散泡状流或水力段塞流 ( 下 ) 上述类别可以根据流体流是两相还是三相 管段是水平还是垂直 是直的还是弯的进行进一步细分 个单元的守恒方程时, 首先应用离散化概念如迎风加权 ( 将上游单元的流体性质用于流动计算 ), 将连续方程重新写入离散网格 这个过程形成一组能够代表模型的 10. 在生产管道中, 随时间变化的现象包括管道地表条件引起的流动动态变化, 如地形引起的段塞流 管道启动 管道关闭 气量相对于液量的产量变化以及清管等 11. Bendiksen KH,Malnes D,Moe R 和 Nuland S: The Dynamic Two-Fluid Model OLGA: Theory and Application,SPE Production Engineering 6 卷, 第 2 期 (1991 年 5 月 ): IFE 是挪威一家独立的能源与核技术研究基金会 13. Bendiksen 等人, 参考文献 油藏中的流动可用很多油藏模拟软件进行模拟, 其中油藏被划分成很多被称为网格单元的 3D 组分, 每个网格中的流态用多相流进行模拟 关于油藏模拟的详细内容, 请参考 :Edwards 等人, 参考文献 SINTEF 是一家总部位于斯堪的纳维亚半岛的独立非商业研究机构 16. 从 1980 年开始,SINTEF 一直在挪威特隆赫姆的大型 Tiller 实验室进行实验项目 其研究基金也由 1984 年支持 IFE/SINTEF 联合研究项目的公司提供 OLGA 扩展模拟软件的输出成果用这项初始工作采集的资料进行了验证 17. Bendiksen 等人, 参考文献 Brandt, 参考文献 流态指的是流动管道中气相和液相在物理分布上的大规模变化 普通微分方程和代数方程 然而, 由于方程可能表现出较强的非线性特征, 必须对其加以约束 总流量必须等于管道体积 因此必须谨慎设计求解方法 20. Danielson TJ,Brown LD 和 Bansal KM: Flow Management: Steady-State and Transient Multiphase Pipeline Simulation, 论文 OTC 11965, 发表在海上技术会议上, 休斯敦,2000 年 5 月 1-4 日 21. 持液率指的是两相管道流中的一个状态, 其中气相以快于液相的线性速度流动 流速慢的液相占据管段较低区域 22. 在均质两相流模型中, 因为假设气相和液相都以相同速度流动, 因此滑移关系是 1 在很多实际情形下, 两相的流速差异很大, 具体取决于所研究系统的流态 23. Brandt I: Some Aspects of Particle Flow Modeling Within a Commercial, Transient, Multiphase Flow Simulator, 发表在 Geoff Hewitt 庆祝会上, 多相流动, 伦敦,2014 年 7 月 日 24. Bendiksen 等人, 参考文献 Biberg D,Holmås H,Staff G,Sira T,Nossen J, Andersson P,Lawrence C,Hu B 和 Holmås K: Basic Flow Modelling for Long Distance Transport of Wellstream Fluids, 发表在第 14 届多相流生产技术国际会议上, 法国戛纳,2009 年 6 月 日 26. 对于给定管线所确定的网格单元数量仅受到具体所模拟管线复杂程度的限制 在需要更加精确模拟研究的管线周围区域, 如阀门周围或流入控制装置周围, 可以增加网格单元 对于给定管线, 最佳网格单元数量通常是在对处理时间和数值模拟要求精度进行权衡后确定的 2015 年 5 月 31

32 随后根据方程的特点将整个方程组细 分成组 划分后的方程组按级求解, 按照相同的时间步长逐级进行求解 这些级在时间步长上明确地耦合在一起 采用迭代 : N = 0 : P, T, ν g ν L (N = 0) N N 方法数值求解方程, 直到整个系统收敛 这些方法既可应用于研究稳态流, 也可应用于研究动态流 ( 下图 ) [27] t = t + t. 执行原则当应用于现场作业时, 动态多相流模拟有助于科研人员了解生产系统中产生有关流体的副产品 ( 如水合物 结蜡 结垢 乳化液 ) 的可能性和严重程度 设计工程师用这类模拟预测实际现场系统中是否会出现上述副产品, 然后测试各种设计方案, 目的是将其影响降到最低 理想情况是在生产系统建立之前进行这类模拟, 这样就可以使作业者设计和建造的生产系统 从井筒到地面处理设备 尽量避免出现流动保障方面的问题 雪佛龙公司采用动态多相流模拟技术帮助管理安哥拉海上 14 区块 Lobito -Tomboco 水下油田的流动保障和作业风险 ( 下一页图 ) [28] 该油田开发包括三个水下中心, 均回接到 Benguela Belize(BB) 随动塔式平台 [29] Lobito 油藏和 Tomboco 油藏都蕴藏轻质 (API 重度为 31-32) 低含硫 低酸性原油, 其中的沥青质和石脑油含量极少 N + 1P, T, ν g ν L t + tp, T, ν g ν L 雪佛龙公司的工程师面临的挑战是要设计一个可靠的生产系统, 能够将油田产出液以经济方式从海底生产井输送到地 面, 同时还能充分管控可能出现的作业和 流动保障风险 为了尽量提高每个水下中 心的产量, 需要注水驱油, 给每口井提供 N = N + 1. 压力支持 另外, 随着含水率的上升, 作业者必须实施气举 预计的流动保障风险 Is N = N? Is t t? 挑战还包括形成水合物 结垢 结蜡 腐蚀等副产品, 以及出砂和段塞流等 ^ 凝析油 - 气管线中层流的两相流模型求解步骤 对于稳态流模型 ( 左 ), 首先将管段分割成小段 (N), 输入管线初始点处的边界条件 : 压力 (P) 温度(T), 液相流速 (V L) 和气相流速 (V g) 稳态流模型利用初始条件求解第一段 (N=0) 的连续方程, 计算该段上的压力 温度和液相流速 然后将这些值作为下一段 (N+1) 的输入参数 重复以上过程, 直到求解到最后一段 ( 管线的另一端 )N 最大 动态流模型的求解过程 ( 右 ) 与上述过程类似, 但增加了一项迭代步骤, 以考虑流体性质 流动参数和边界条件随时间 (t) 的变化 由于流动方程是非线性的, 因此有必要进行迭代以得到精度合格的解 作业者首先通过收集和分析储层中的油样和水样, 评估发生流动保障风险的可能性 分析包括流体的 PVT( 压力 体积和温度 ) 特征, 以及对每个储层的流体组分进行综合评估 [30] 通过 OLGA 流动模拟软件, 建模人员将分析结果用于开发各种热水力学模型, 用来研究热力系统中的水力流动特征 作业者开发出了下列热水力学模型 : 每个水下生产中心和整个一体化生产系统 ( 加上井和管线 ) 的单井 单条管线以及单个生产系统的模型 32 油田新技术