油田 新 技术 斯伦贝谢 斯伦贝谢 油田新 技术 2014 年夏季刊 内部资料 仅供赠阅 2014 年夏季刊 内部资料 仅供赠阅 蒸汽辅助重力泄油 科学钻探 陆上地震勘探 改进 PDC 钻头
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 1
稠 油 热 采 新 技 术 Farrukh Akram Terry Stone 英 格 兰 Abingdon William J. Bailey 美 国 马 萨 诸 塞 州 坎 布 里 奇 近 年 来, 由 于 非 常 规 资 源 开 发 的 技 术 创 新, 油 气 行 业 的 经 济 学 家 大 幅 上 调 了 全 世 界 的 剩 余 油 可 采 储 量 目 前, 作 业 者 正 在 利 用 新 技 术 等 开 发 稠 油 油 砂 并 进 一 步 推 迟 石 油 产 量 峰 值 到 来 的 时 间 Euan Forbes 加 拿 大 阿 尔 伯 塔 省 卡 尔 加 里 Michael A. Freeman 美 国 得 克 萨 斯 州 休 斯 敦 David H.-S. Law 阿 尔 伯 塔 省 埃 德 蒙 顿 Glenn Woiceshyn Absolute 完 井 技 术 公 司 阿 尔 伯 塔 省 卡 尔 加 里 K.C. Yeung Brion 能 源 公 司 阿 尔 伯 塔 省 卡 尔 加 里 世 界 上 的 稠 油 油 藏 分 布 在 全 球 30 多 个 国 家, 其 储 量 与 中 东 地 区 最 大 的 常 规 油 田 的 储 量 相 当 稠 油 油 藏 的 钻 探 成 本 高 昂 且 难 以 开 采, 需 要 特 殊 的 开 采 方 法 浅 层 未 固 结 油 砂 的 开 发 面 临 着 井 壁 稳 定 性 和 定 向 钻 井 方 面 的 挑 战 许 多 稠 油 的 生 产 策 略 要 求 使 用 热 采 方 法, 因 而 其 油 气 井 完 井 设 计 必 须 能 够 承 受 高 温 环 境 稠 油 和 沥 青 在 环 境 温 度 条 件 下 粘 度 较 高, 难 以 在 油 藏 岩 石 中 流 动 因 此, 在 SAGD 开 采 中, 用 于 开 采 和 处 理 原 油 所 耗 费 的 能 量 可 高 达 可 采 稠 油 总 能 量 的 40% [1] 为 应 对 这 些 挑 战, 工 程 师 已 经 开 发 了 多 种 技 术 和 开 采 方 法, 包 括 水 平 井 结 合 化 学 驱 或 水 驱 法 以 及 人 工 举 升 和 原 地 加 热 法 利 用 蒸 汽 辅 助 重 力 泄 油 (SAGD) 工 艺, 加 拿 大 西 部 地 区 油 砂 矿 的 作 业 者 正 在 对 超 稠 油 和 沥 青 成 功 地 进 行 商 业 开 采 在 SAGD 方 法 中, 同 一 垂 直 平 面 上 布 置 有 两 口 平 行 的 水 平 井 在 SAGD 作 业 期 间, 上 油 田 新 技 术,2014 年 夏 季 刊 :26 卷, 第 2 期 2014 斯 伦 贝 谢 版 权 所 有 在 编 写 本 文 过 程 中 得 到 了 以 下 人 员 的 帮 助, 谨 表 谢 意 : 卡 尔 加 里 的 Marty Chisholm; 休 斯 敦 的 Adrian Francis 和 Basim Abd Hameed Moustafa; 美 国 得 克 萨 斯 州 Rosharon 的 Joseph Hayes, 以 及 得 克 萨 斯 州 Katy 的 Herb Illfelder ECLIPSE,HotlineSA3,Merak,Petrel,RADAR, ThermaSTONE,VISAGE 和 Vx 等 是 斯 伦 贝 谢 公 司 的 商 标 FluxRite,MeshFlux 和 MeshRite 等 是 Absolute 完 井 技 术 公 司 的 商 标 SAGDRIL 是 M-I 有 限 公 司 的 商 标 1. 稠 油 是 指 等 于 或 小 于 22.3 度 API 的 原 油 超 稠 油 是 指 密 度 大 于 水 API 度 小 于 等 于 10 在 油 藏 条 件 下 粘 度 小 于 10000 cp(10000 mpa.s) 的 原 油, 当 粘 度 大 于 10000 cp 时 则 称 为 沥 青 更 多 有 关 稠 油 的 信 息, 参 见 Alboudwarej H,Felix J,Taylor S,Badry R,Bremner C,Brough B, Skeates C,Baker A,Palmer D,Pattison K, Beshry M,Krawchuk P,Brown G,Calvo R, CańasTriana JA,Hathcock R,Koerner K, Hughes T,Kundu D,López de Cárdenas J 和 West C: Highlighting Heavy Oil, 油 田 新 技 术,18 卷, 第 2 期 (2006 年 夏 季 刊 ):34 53 粘 度 是 流 体 流 动 阻 力 的 一 个 量 度, 大 小 为 剪 切 应 力 与 剪 切 速 率 的 比 值 密 度 为 单 位 体 积 的 质 量 尽 管 密 度 可 能 随 温 度 稍 有 变 化, 但 粘 度 随 着 温 度 的 增 加 会 大 幅 减 低 ^ 蒸 汽 腔 为 在 SAGD 作 业 过 程 中 形 成 一 个 蒸 汽 腔, 作 业 者 通 过 水 平 井 向 地 层 注 入 蒸 汽, 蒸 汽 腔 在 注 蒸 汽 井 周 围 和 上 部 扩 展 开 来 在 蒸 汽 腔 的 边 缘, 加 热 的 沥 青 和 蒸 汽 冷 凝 水 在 重 力 的 作 用 下 流 向 生 产 井 井 筒 理 想 情 况 下, 生 产 井 平 行 位 于 注 蒸 汽 井 下 方, 并 在 地 层 底 部 上 方 数 米 ( 根 据 Gates 等 人 的 资 料 修 改, 参 考 文 献 17) 4 油 田 新 技 术
部 的 水 平 井 内 注 入 蒸 汽, 蒸 汽 被 压 入 地 层 形 成 一 个 受 蒸 汽 影 响 的 区 域, 称 为 蒸 汽 腔 随 着 蒸 汽 腔 向 上 和 横 向 扩 展, 位 于 蒸 汽 / 油 前 缘 的 原 油 粘 度 降 低, 原 油 的 流 动 性 变 得 更 好 受 重 力 影 响, 原 油 和 冷 凝 蒸 汽 混 合 物 沿 着 蒸 汽 / 油 边 界 流 向 下 方 的 水 平 井 井 筒, 然 后 可 将 其 泵 采 至 地 面 ( 前 一 页 图 ) 高 温 会 降 低 流 体 粘 度 ( 右 图 ) 然 而, 向 地 层 中 均 匀 地 注 蒸 汽 非 常 困 难 低 粘 度 原 油 比 高 粘 度 原 油 在 地 层 中 流 动 的 快, 所 以 注 蒸 汽 不 均 匀 会 造 成 粘 性 指 进 效 应 蒸 汽 腔 沿 SAGD 双 水 平 井 方 向 的 不 均 匀 扩 展 会 使 得 大 量 原 油 残 留 在 油 藏 中 [2] 因 此, cp 10,000,000 1,000,000 100,000 10,000 1,000 100 10 1 0.1 0 50 100 150 200 250 300 350 400 C ^ 稠 油 粘 度 与 温 度 的 关 系 对 于 两 种 从 世 界 不 同 地 区 油 田 中 获 取 的 稠 油 样 品 ( 蓝 色 和 红 色 ), 其 粘 度 都 随 温 度 的 增 加 而 降 低 2014 年 夏 季 刊 5
采 油 工 程 师 必 须 控 制 地 层 流 体 向 生 产 井 中 的 流 动 主 要 通 过 控 制 蒸 汽 注 入 来 实 现 为 达 到 上 述 目 的, 采 油 工 程 师 必 须 了 解 地 层 地 质 和 渗 透 率 非 均 质 特 性 本 文 介 绍 了 SAGD 作 业 者 在 优 化 稠 油 生 产 时 采 用 的 一 些 工 具 和 方 法 通 过 对 加 拿 大 ( 当 今 在 SAGD 项 目 上 取 得 商 业 成 功 的 国 家 之 一 ) 的 案 例 分 析, 介 绍 了 这 些 创 新 应 用 及 其 对 沥 青 和 超 稠 油 生 产 的 影 响 ^ 条 件 较 差 的 SAGD 候 选 油 藏 为 确 保 利 用 SAGD 方 法 开 采 油 砂 取 得 成 功, 油 砂 层 中 不 得 有 页 岩 隔 层 或 透 镜 体 ( 上 ), 否 则 可 能 会 阻 碍 蒸 汽 腔 的 扩 展 或 影 响 蒸 汽 腔 的 均 匀 性 油 砂 层 中 也 不 得 有 高 渗 层 ( 中 ) 高 渗 层 可 能 会 影 响 热 效 率 或 使 得 蒸 汽 腔 远 离 生 产 井 同 时, 油 砂 必 须 满 足 产 层 的 最 小 厚 度 要 求 ( 下 ), 为 有 效 蒸 汽 腔 的 扩 展 提 供 空 间 在 什 么 位 置 钻 井 大 多 数 提 高 采 收 率 (EOR) 项 目 的 商 业 化 成 功 与 否 都 取 决 于 注 入 流 体 对 地 层 中 原 油 的 驱 替 效 率 对 于 SAGD 来 说, 驱 替 作 用 发 生 在 不 断 膨 胀 的 蒸 汽 腔 前 缘 区 域 在 该 区 域, 蒸 汽 加 热 沥 青 增 加 其 流 动 性 可 流 动 的 原 油 和 冷 凝 蒸 汽 在 重 力 作 用 下 流 向 生 产 井 [3] 只 有 当 最 初 油 藏 中 原 油 相 对 不 流 动 而 在 垂 向 上 形 成 蒸 汽 指 进 阻 力 时, 才 会 形 成 均 匀 的 蒸 汽 腔 适 合 SAGD 方 法 开 采 的 油 藏 必 须 满 足 某 些 最 低 要 求 ( 左 图 ) 理 想 情 况 下, SAGD 开 采 的 候 选 油 藏 最 好 没 有 横 向 延 伸 分 布 的 页 岩 隔 层, 这 些 隔 层 可 能 会 妨 碍 蒸 汽 腔 的 扩 展 或 均 匀 性 SAGD 油 藏 的 高 渗 层 应 尽 可 能 的 少 同 时, 产 层 厚 度 应 大 于 15 m(50 ft), 从 而 满 足 蒸 汽 腔 扩 展 的 空 间 要 求 此 外, 地 层 上 部 应 有 非 渗 透 层 或 盖 层 来 封 闭 地 层 这 些 条 件 可 通 过 垂 直 先 导 井 测 井 地 层 测 试 地 震 数 据 和 岩 心 等 典 型 的 油 气 勘 探 方 法 得 以 确 定 高 渗 透 层, 如 油 层 下 部 的 含 水 层 或 上 部 的 气 层, 都 会 影 响 蒸 汽 腔 的 驱 替 效 果 高 渗 透 气 层 会 降 低 蒸 汽 腔 的 热 效 率 同 时, 加 热 后 的 可 流 动 原 油 可 能 更 易 绕 开 生 产 井 而 流 向 底 部 的 含 水 高 渗 层 大 多 数 油 气 层 有 一 个 不 可 或 缺 的 要 素, 即 油 气 层 上 部 必 须 有 非 渗 透 层 将 含 油 气 层 与 周 围 地 层 隔 离 开 来 这 些 隔 离 层 将 油 气 圈 闭, 从 而 形 成 油 气 藏 在 油 气 生 产 过 程 中, 这 些 隔 离 层 可 确 保 油 气 流 向 生 产 井 而 避 免 流 入 附 近 地 层 [4] 然 而, 在 SAGD 井 中, 盖 层 持 续 受 注 入 蒸 汽 的 影 响, 可 能 会 引 起 复 杂 的 热 力 和 水 力 效 应 因 此, 工 程 师 在 设 计 SAGD 井 时 必 须 对 盖 层 进 行 分 析, 以 确 定 热 力 和 水 力 效 应 是 否 或 如 何 改 变 原 地 应 力 岩 石 强 度 或 裂 缝 系 统 等 关 键 岩 石 参 数, 进 而 确 定 最 大 安 全 作 业 压 力, 确 保 任 何 影 响 都 不 会 破 坏 盖 层 的 密 封 性 [5] 如 何 钻 井 作 业 者 确 定 利 用 SAGD 方 法 进 行 开 采 的 候 选 油 砂 地 层 后, 工 程 师 一 般 会 在 一 个 井 场 上 打 多 对 水 平 井 ( 一 口 生 产 井 和 一 口 注 蒸 汽 井 ) 每 口 井 的 测 深 为 1400 1600 米 (4600 5200 英 尺 ), 产 层 内 的 水 平 段 长 度 为 800 1200 米 (2600 3900 英 尺 ) 根 据 作 业 者 的 规 范 和 要 求, 生 产 井 应 尽 可 能 靠 近 产 层 底 部 上 方, 注 蒸 汽 井 平 行 置 于 生 产 井 上 方 5 6 米 (16 20 英 尺 ) 处, 且 注 蒸 汽 井 偏 离 生 产 井 垂 直 面 的 距 离 不 得 超 过 2 米 (6 英 尺 ) 两 口 井 水 平 段 的 间 距 对 确 保 最 大 采 收 率 和 效 率 至 关 重 要 如 果 两 口 井 的 水 平 段 间 距 过 小, 蒸 汽 则 常 常 只 波 及 到 生 产 井 的 跟 部, 导 致 采 收 率 产 量 以 及 资 产 经 济 效 益 的 降 低 而 若 间 距 过 大, 则 生 产 井 投 产 时 间 会 延 迟 数 月, 并 会 形 成 一 个 巨 大 的 蒸 汽 腔 首 先, 利 用 常 规 定 向 钻 井 和 随 钻 测 量 工 具 钻 一 口 生 产 井 然 后, 利 用 常 规 定 向 钻 井 工 具 钻 进 注 蒸 汽 井, 直 至 两 口 井 井 眼 轨 迹 接 近 相 交 此 时, 注 蒸 汽 井 和 生 产 井 相 距 一 般 为 10 米 (33 英 尺 ), 而 注 蒸 汽 井 距 产 层 着 陆 位 置 一 般 为 120 至 150 米 (390 至 490 英 尺 ) 注 蒸 汽 井 接 近 生 产 井 的 套 管 时 会 造 成 磁 场 干 扰, 进 而 会 导 致 常 规 随 钻 磁 测 量 仪 器 的 测 量 结 果 不 准 确 利 用 磁 测 量 确 定 一 口 井 相 对 另 一 口 井 的 距 离 被 称 为 磁 测 距, 该 方 法 常 用 来 钻 进 相 交 井, 如 用 来 钻 救 援 井 ( 下 一 页, 右 上 图 ) [6] 在 磁 干 扰 位 置, 司 钻 可 能 会 利 用 主 动 测 距 方 法 主 动 测 距 需 要 利 用 连 续 油 管 或 电 缆 爬 行 器 来 传 送 磁 源 当 随 钻 测 量 工 具 传 感 器 组 件 与 磁 源 接 近 垂 直 时, 磁 源 被 激 活, 随 钻 测 量 传 感 器 开 始 测 量 技 术 人 员 根 据 测 量 结 果 可 计 算 出 两 个 井 筒 之 间 的 空 间 关 系 确 定 了 注 蒸 汽 井 的 位 置 后, 将 磁 源 传 送 到 生 产 井 中 下 一 个 预 先 设 定 的 深 度, 然 后 继 续 钻 进 注 蒸 汽 井, 重 复 此 步 骤 直 至 完 成 钻 井 6 油 田 新 技 术
除 主 动 磁 源 方 法 外, 工 程 师 还 可 在 第 一 口 井 内 使 用 预 磁 化 套 管 作 为 被 动 磁 源 ( 右 下 图 ) 如 此 以 来, 司 钻 不 必 再 同 时 施 工 两 口 井, 也 不 必 再 使 用 爬 行 器 或 连 续 油 管 来 传 送 磁 源 同 时, 工 程 师 还 可 在 钻 井 过 程 中 使 用 标 准 定 向 钻 井 方 法 来 获 得 准 确 的 实 时 测 量 [7] 斯 伦 贝 谢 公 司 已 开 发 出 RADAR 钻 井 实 时 分 析 和 先 进 测 距 工 具, 能 够 帮 助 作 业 者 准 确 地 测 定 两 口 井 的 相 对 位 置 RADAR 服 务 是 一 套 软 件 程 序, 能 够 帮 助 在 已 有 水 平 井 上 5 至 6 米 处 平 行 钻 进 第 二 口 水 平 井, 其 精 度 达 到 每 千 米 (0.6 英 里 )1 米 (3 英 尺 ) 误 差 的 水 平 与 其 他 服 务 不 同 的 是, RADAR 服 务 可 利 用 重 力 随 钻 测 量 工 具 在 磁 场 环 境 复 杂 的 区 域 测 定 方 位 变 化 当 磁 场 干 扰 导 致 常 规 随 钻 测 量 工 具 不 可 使 用 时, 该 服 务 可 用 来 替 代 常 规 随 钻 测 量 工 具 2. 更 多 有 关 粘 性 指 进 的 信 息, 参 考 :Homsy GM: Viscous Fingering in Porous Media,Annual Review of FluidMechanics,19 卷 (1987 年 1 月 ): 271 311 3. 流 度 是 渗 透 率 与 动 态 粘 度 的 比 值, 是 流 体 在 地 层 中 流 动 难 易 程 度 的 量 度 由 于 流 度 与 粘 度 成 反 比, 增 加 温 度 使 得 粘 度 降 低, 进 而 增 加 流 度 4. 更 多 有 关 断 层 和 封 闭 构 造 的 信 息, 参 见 :Cerveny K, Davies R,Dudley G,Fox R,Kaufman P,Knipe R 和 Krantz B: Reducing Uncertainty with Fault- Seal Analysis, 油 田 新 技 术,16 卷, 第 4 期, (2004/2005 冬 季 刊 ):38 51 5. Khan S,Han H,Ansari S 和 Khosravi N: Geomechanical Modeling to Assess Caprock Integrity in Oil Sands, 发 表 在 加 拿 大 石 油 地 质 学 家 协 会 加 拿 大 勘 探 地 质 学 家 协 会 和 加 拿 大 测 井 协 会 联 合 年 会 上, 卡 尔 加 里,2011 年 5 月 9 12 日 6. Grills TL: Magnetic Ranging Technologies for Drilling Steam Assisted Gravity Drainage Well Pairs and Unique Well Geometries A Comparison of Technologies,SPE/Petroleum Society of CIM/ CHOA 79005, 发 表 在 SPE 国 际 热 采 作 业 和 稠 油 研 讨 会 及 国 际 水 平 井 技 术 大 会 上, 卡 尔 加 里,2002 年 11 月 4-7 日 Illfelder H,Forbes E,McElhinney G,Rennie A, Schaepsmeyer H 和 Krawchuk A: A Systematic Approach for Wellbore Drilling and Placement of SAGD Well Pairs and Infill Wells,WHOC 论 文 11-503, 发 表 在 世 界 稠 油 大 会 上, 加 拿 大 阿 尔 伯 塔 省 埃 德 蒙 顿,2011 年 3 月 14-17 日 7. Rennie A,McElhinney G,Illfelder H,Ceh L, Schaepsmeyer H 和 Krawchuk A: A Case Study of a New Technique for Drilling SAGD Twin Wells in Heavy Oil Reservoirs,WHOC 论 文 2008-395, 发 表 在 世 界 稠 油 大 会 上, 阿 尔 伯 塔 省 埃 德 蒙 顿,2008 年 3 月 10 12 日 10 0 10 0 168.85 5.11 m 0.99 m 270 90 5.01 m 1,221.22 m 477.04 m 90.00 211.45 180 ^ 井 筒 相 对 位 置 测 量 注 蒸 汽 井 和 生 产 井 的 间 距 为 两 口 井 水 平 段 之 间 的 相 对 距 离, 两 者 间 距 对 SAGD 开 采 方 法 的 成 功 与 否 至 关 重 要 两 口 井 之 间 的 相 对 位 置 关 系 通 常 表 示 为 带 有 目 标 框 ( 红 色 ) 的 靶 心, 而 钻 进 的 注 蒸 汽 井 的 相 对 位 置 被 表 示 为 方 框 内 一 系 列 的 点 代 表 测 量 点 在 这 种 表 达 方 式 中, 大 多 数 最 新 测 量 的 点 为 绿 色 点 测 量 内 容 包 括 以 下 参 数 : 工 具 面 相 对 目 标 的 夹 角 沿 顺 时 针 方 向 测 得 的 注 蒸 汽 井 与 生 产 井 之 间 的 夹 角 ; 距 离 两 口 井 之 间 的 径 向 间 距 ; 右 边 注 蒸 汽 井 相 对 生 产 井 垂 面 的 水 平 位 移 ; 高 边 注 蒸 汽 井 相 对 生 产 井 水 平 面 的 垂 直 位 移 传 感 器 的 测 量 深 度 为 井 的 测 深 垂 深 为 注 蒸 汽 井 在 测 点 处 的 真 垂 直 深 度 此 外, 在 测 点 处 还 会 测 量 倾 角 和 方 位 角 ^ 预 磁 化 套 管 模 式 制 造 商 会 以 一 种 特 定 的 模 式 预 磁 化 生 产 井 套 管, 使 其 磁 场 强 度 最 大 化 一 系 列 相 对 的 磁 极 组 合 使 得 磁 场 远 离 套 管, 从 而 增 大 了 磁 场 作 用 距 离, 进 而 可 准 确 进 行 测 距 去 磁 效 应 或 去 磁 模 式 表 示 出 磁 通 方 向 ( 黑 色 线 ), 磁 通 量 密 度 由 颜 色 表 示, 品 红 色 为 最 大 密 度 而 浅 绿 色 表 示 最 小 密 度 可 赋 予 套 管 的 磁 通 量 与 套 管 中 的 金 属 量 呈 函 数 关 系 套 管 的 磁 通 量 和 所 设 计 的 磁 性 模 式 控 制 着 能 够 可 靠 进 行 测 距 的 距 离 ( 根 据 Rennie 等 人 的 资 料 改 编, 参 考 文 献 7) 2014 年 夏 季 刊 7
3 MPa 6 MPa 0 + ^ 模 拟 盖 层 破 裂 的 可 能 性 在 以 200 立 方 米 / 天 ( 7000 立 方 英 尺 / 天 ) 的 注 蒸 汽 速 率 和 3 MPa(435 psi) 的 注 入 压 力 连 续 注 蒸 汽 三 年 后, 研 究 员 通 过 耦 合 油 藏 模 拟 软 件 和 地 质 力 学 模 型 来 预 测 蒸 汽 压 力 对 盖 层 完 整 性 的 影 响 蒸 汽 腔 因 受 限 制 而 主 要 向 上 膨 胀, 进 而 增 加 了 蒸 汽 腔 上 部 地 层 的 热 诱 导 水 平 张 力 ( 蓝 色 )( 左 上 ), 同 时 也 增 加 了 蒸 汽 腔 两 侧 附 近 的 垂 向 张 力 ( 蓝 色 )( 左 下 ) 在 蒸 汽 腔 内 部, 蒸 汽 腔 边 缘 的 压 力 增 加 ( 黄 色 至 红 色 ) 虽 然 这 种 应 力 差 异 会 产 生 剪 切 应 力, 但 在 以 上 两 种 情 况 下 盖 层 均 保 持 了 较 好 的 完 整 性 为 确 定 最 大 安 全 作 业 压 力, 研 究 员 增 大 注 入 压 力 至 6 MPa (870 psi) 小 于 破 裂 压 力 7.35 MPa(1070 psi) 三 年 后, 最 小 有 效 水 平 压 应 力 ( 右 上 ) 没 有 达 到 零 值 ( 红 色 ); 红 色 表 示 盖 层 出 现 拉 伸 破 裂 然 而, 剪 切 破 裂 指 数 ( 右 下 ) 表 明 盖 层 已 接 近 剪 切 破 裂 ( 红 色 ) 稠 油 油 砂 还 会 造 成 其 他 钻 井 问 题 沥 青 和 地 层 砂 粘 在 底 部 钻 具 组 合 上 会 增 加 钻 柱 扭 矩 此 外, 被 携 带 到 地 面 的 沥 青 常 常 会 堵 塞 泥 浆 处 理 系 统 中 的 振 动 筛 而 如 果 地 层 砂 和 沥 青 分 离, 则 砂 粒 可 能 会 形 成 砂 床 而 堵 塞 返 出 管 线 在 泥 浆 体 系 中 添 加 溶 剂 可 溶 解 沥 青, 但 溶 剂 可 能 会 造 成 严 重 的 井 眼 冲 蚀 [8] 为 解 决 上 述 问 题, 斯 伦 贝 谢 旗 下 M-I SWACO 公 司 的 研 究 人 员 研 发 出 SAGDRIL 水 基 钻 井 液 该 钻 井 液 体 系 含 有 的 强 亲 水 剂 可 最 大 限 度 的 减 少 钻 头 和 钻 柱 上 粘 结 的 砂 粒 并 包 裹 在 岩 屑 上, 进 而 使 得 振 动 筛 和 固 控 设 备 除 砂 和 除 岩 屑 过 程 更 加 容 易 热 采 方 法 还 会 面 临 层 间 隔 离 的 挑 战 在 SAGD 作 业 过 程 中, 井 下 温 度 通 常 高 达 275 C(530 F) 高 温 会 造 成 套 管 膨 胀, 从 而 增 加 作 用 在 水 泥 环 上 的 应 力 为 减 小 水 泥 环 受 力 并 保 持 井 筒 完 整 性, 用 于 隔 离 地 层 的 水 泥 的 热 膨 胀 系 数 必 须 与 套 管 3 MPa 6 MPa 0 + 相 近 此 外, 水 泥 长 时 间 处 于 高 温 环 境 下 时 不 能 发 生 老 化 [9] ThermaSTONE 热 响 应 水 泥 是 专 门 为 稠 油 和 地 热 开 采 而 设 计 的 水 泥 该 水 泥 可 在 较 低 温 度 下 固 化, 能 够 承 受 高 温, 具 有 适 应 性 好 热 稳 定 性 高 和 热 膨 胀 效 率 高 的 特 征 该 水 泥 在 蒸 汽 条 件 下 可 膨 胀 2%, 且 杨 氏 模 量 较 低 在 344 C(651 F) 条 件 下 的 实 验 室 测 试 中, 有 效 性 可 保 持 六 个 月 地 质 力 学 和 注 蒸 汽 0 + 0 向 油 砂 地 层 中 注 入 高 压 蒸 汽 不 仅 仅 是 对 套 管 和 水 泥 极 限 的 一 种 测 试, 还 对 油 藏 模 拟 技 术 带 来 了 挑 战 高 压 蒸 汽 注 入 蒸 汽 腔 后 造 成 孔 隙 压 力 和 温 度 升 高 孔 隙 压 力 的 升 高 会 降 低 作 用 在 岩 石 基 质 上 的 有 效 应 力 总 应 力 减 去 孔 隙 压 力 由 于 蒸 汽 孔 隙 体 积 的 增 大 和 蒸 汽 腔 的 热 膨 胀 作 用, 蒸 汽 腔 体 积 会 膨 胀 或 增 大 由 于 蒸 汽 腔 两 侧 受 限, 大 部 分 膨 胀 作 用 表 现 为 上 覆 岩 层 的 抬 升 而 上 覆 岩 层 的 抬 升 会 导 致 盖 层 在 水 平 方 向 上 的 扩 张 或 延 伸 在 注 蒸 汽 井 上 方, 水 平 方 向 上 的 扩 张 会 降 低 水 平 主 压 应 力 若 最 小 水 平 主 应 力 变 为 张 力, 则 盖 层 会 在 张 力 作 用 下 破 裂 水 平 张 力 沿 蒸 汽 腔 两 侧 向 外 作 用 会 形 成 剪 切 应 力, 若 剪 切 应 力 超 过 地 层 剪 切 强 度, 则 会 形 成 剪 切 裂 缝 这 些 裂 缝 会 成 为 增 加 地 层 渗 透 率 的 通 道, 进 而 造 成 蒸 汽 腔 内 压 力 和 流 体 外 泄 [10] 盖 层 在 整 个 项 目 周 期 内 会 多 次 受 周 期 性 注 蒸 汽 的 影 响, 这 是 SAGD 作 业 中 最 令 人 担 忧 的 问 题 针 对 加 拿 大 阿 尔 伯 塔 Athabasca 油 砂 区 的 此 类 问 题, 为 建 立 盖 层 完 整 性 并 评 估 盖 层 对 周 期 性 热 采 的 响 应, 工 程 师 利 用 声 波 测 井 数 据 成 像 测 井 小 型 压 裂 测 试 地 层 压 力 测 量 和 岩 心 分 析 数 据 建 立 了 地 质 力 学 模 型 所 建 立 的 模 型 可 供 分 析 师 评 估 注 蒸 汽 产 生 的 诱 导 应 力 和 岩 石 强 度 变 化, 并 预 测 岩 石 的 剪 切 和 拉 伸 破 裂 ( 左 图 ) 研 究 员 分 析 了 多 种 注 蒸 汽 情 形, 并 利 用 ECLIPSE 油 藏 模 拟 软 件 对 温 度 ( T) 和 压 力 ( P) 的 变 化 进 行 了 模 拟 相 应 的 应 力 应 变 孔 隙 度 ( Ф) 和 渗 透 率 ( k) 变 化 则 利 用 VISAGE 3D 有 限 元 地 质 力 学 模 拟 软 件 计 算 得 出 之 后, 将 计 算 出 的 孔 隙 度 ( Ф) 和 渗 透 率 ( k) 值 代 入 油 藏 模 拟 模 型, 计 算 出 新 的 温 度 ( T) 和 压 力 ( P) 值 利 用 这 些 模 型 得 出 的 新 的 原 地 应 力 和 应 力 路 径 ( 水 平 应 力 变 化 与 孔 隙 压 力 变 化 的 比 值 ) 后, 可 根 据 各 种 破 裂 条 件 来 预 测 力 学 破 裂 的 可 能 性 和 发 生 的 位 置 [11] 热 采 油 藏 模 拟 虽 然 SAGD 方 法 在 商 业 上 取 得 成 功 已 有 十 余 年, 但 在 该 方 法 应 用 的 早 期, 作 业 者 有 时 会 得 到 较 低 的 采 收 率 造 成 这 一 现 象 的 一 部 分 原 因 是 业 界 规 划 人 员 在 依 据 模 拟 研 究 计 算 油 藏 对 蒸 汽 的 响 应 时 假 设 油 砂 地 层 为 均 质 地 层 虽 然 该 假 设 在 常 规 的 提 高 采 收 率 (EOR) 项 目 中 已 合 理 应 用 多 年, 但 会 使 得 工 程 师 错 误 地 估 计 所 需 的 蒸 汽 和 压 力 并 过 高 地 估 计 沥 青 油 藏 的 可 采 储 量 8 油 田 新 技 术
SAGD SAGD SAGD MD, m MD, m MD, m MD, m MD, m MD, m 1,550 1,600 1,600 ICD 1,400 1,400 1,400 1,400 1,650 1,700 1,750 1,800 1,850 1,900 1,950 2,000 2,050 2,100 1,650 1,700 1,750 1,800 1,850 1,900 1,950 2,000 2,050 2,100 2,150 1,500 1,600 1,700 1,800 1,900 2,000 2,100 1,500 1,600 1,700 1,800 1,900 2,000 2,100 1,500 1,600 1,700 1,800 1,900 2,000 2,100 1,500 1,600 1,700 1,800 1,900 2,000 2,100 2,150 2,200 2,200 2,200 2,200 2,200 2,200 ^ 三 种 SAGD 完 井 方 案 的 水 平 井 段 对 于 常 规 SAGD 完 井 方 法 ( 左 ), 生 产 井 和 注 蒸 汽 井 均 为 下 套 管 固 井 完 井, 生 产 井 内 油 管 下 入 到 趾 端, 注 蒸 汽 井 内 油 管 下 入 到 水 平 井 段 的 中 部 两 口 井 的 最 后 610 米 (1970 英 尺 ) 段, 垂 深 约 1500 米 (5100 英 尺 ) 以 下 井 段 均 为 射 孔 完 井 对 于 智 能 SAGD 完 井 方 法 ( 中 ), 两 口 井 都 进 行 下 套 管 固 井 完 井, 且 油 管 均 下 至 两 口 井 的 趾 端 控 水 防 砂 完 井 装 置 (ICD) 和 封 隔 器 用 来 对 注 蒸 汽 井 环 空 进 行 层 段 隔 离 两 口 井 的 水 平 井 段 只 在 厚 度 大 于 5 米 (16 英 尺 ) 的 连 续 砂 岩 层 段 ( 蓝 色 和 绿 色 ) 进 行 射 孔 完 井 而 厚 度 小 于 5 米 的 连 续 砂 岩 层 段 ( 紫 色 ) 不 进 行 射 孔 简 单 完 井 方 法 ( 右 ) 对 两 口 井 的 整 个 水 平 井 段 进 行 下 套 管 固 井 和 射 孔 完 井, 而 油 管 只 下 入 到 两 口 井 的 跟 部 ( 根 据 Akram 的 资 料 改 编, 参 考 文 献 14) 当 SAGD 专 家 意 识 到 油 砂 层 在 地 质 和 油 藏 性 质 上 的 巨 大 变 化 后, 改 变 了 上 述 作 业 方 法 利 用 最 近 在 模 拟 方 法 和 计 算 技 术 上 的 改 进, 分 析 人 员 使 用 小 尺 寸 的 网 格 来 细 化 油 藏 的 非 均 质 性 并 可 对 整 个 油 藏 进 行 模 拟 此 外, 计 算 能 力 的 提 高 使 得 工 程 师 可 对 多 口 井 组 成 的 SAGD 井 场 进 行 模 拟 并 考 虑 邻 井 对 对 蒸 汽 腔 的 影 响 [12] 油 藏 模 拟 模 型 可 用 来 确 定 各 SAGD 完 井 方 案 对 采 油 蒸 汽 / 油 比 (SOR) 和 项 目 经 济 效 益 的 影 响 [13] 一 项 研 究 以 位 于 加 拿 大 阿 尔 伯 塔 省 的 Athabasca 油 砂 作 为 研 究 对 象, 利 用 斯 伦 贝 谢 公 司 的 Petrel E&P 软 件 平 台 进 行 了 静 态 模 拟, 并 用 ECLIPSE 8. Freeman MA,Stoian A,Potapinski JW,Elias LC 和 Tetreault R: Novel Drilling Fluid Eliminates Tar Problems Associated with Drilling SAGD Wells, SPE 90986, 发 表 在 SPE 年 度 技 术 大 会 暨 展 览 会 上, 休 斯 敦,2004 年 9 月 26 29 日 9. Tomilina EM,Chougnet-Sirapian A 和 Aboutourkia W: New Thermally Responsive Cement for Heavy Oil Wells,SPE 157892, 发 表 在 SPE 加 拿 大 稠 油 会 议 上, 卡 尔 加 里,2012 年 6 月 12 14 日 10. Collins PM,Carlson MR,Walters DA 和 Settari A: Geomechanical and Thermal Reservoir Simulation Demonstrates SAGD Enhancement Due to Shear Dilation, SPE/ISRM 78237, 发 表 在 SPE 与 国 际 岩 石 力 学 协 会 会 议 上, 美 国 得 克 萨 斯 州 Irving,2002 年 10 月 20 23 日 11. Khan 等, 参 考 文 献 5 更 多 有 关 盖 层 完 整 性 的 信 息, 参 见 :Khan S,Han H,Ansari S,Vishteh M 和 Khosravi N: Caprock 热 采 油 藏 模 拟 程 序 测 试 了 这 项 被 称 为 智 能 或 绿 色 完 井 策 略 产 生 的 影 响 ( 上 图 ) Integrity Analysis in Thermal Operations:An Integrated Geomechanics Approach,WHOC 11-609, 发 表 在 世 界 稠 油 大 会 上, 阿 尔 伯 塔 省 埃 德 蒙 顿, 2011 年 3 月 14 17 日 12. Akram F: Multimillion-Cell SAGD Models Opportunity for Detailed Field Analysis,WHOC 11-534, 发 表 在 世 界 稠 油 大 会 上, 阿 尔 伯 塔 省 埃 德 蒙 顿,2011 年 3 月 14 17 日 更 多 有 关 通 过 全 油 田 和 热 采 模 拟 优 化 SAGD 井 对 的 信 息, 参 见 :Akram F: Multi-Million Cell SAGD Models Opportunity for Detailed Field Analysis, SPE 11RCSC SPE 145679, 发 表 在 SPE 油 藏 表 征 与 模 拟 会 议 暨 展 览 会 上, 阿 联 酋 阿 布 扎 比,2011 年 10 月 9 11 日 13. SOR 或 蒸 汽 / 油 比 是 指 开 采 单 位 体 积 的 原 油 所 需 的 蒸 汽 体 积 该 比 值 通 常 用 来 衡 量 SAGD 作 业 的 效 率, 其 假 定 条 件 是 SOR 值 越 低, 蒸 汽 效 率 越 高, 燃 料 成 本 越 低 2014 年 夏 季 刊 9
6.46 7.47 7.89 8.753 7.778 7.385 ^ 三 种 完 井 策 略 的 增 产 效 果 三 种 完 井 设 计 五 年 的 预 测 包 括 了 套 管 油 管 射 孔 ICD 封 隔 器 水 处 理 和 循 环 利 用 的 成 本 对 智 能 完 井 的 财 务 分 析 表 明, 虽 然 简 单 完 井 方 法 获 取 的 产 量 更 高, 但 在 相 同 时 期 内 智 能 完 井 比 常 规 完 井 和 简 单 完 井 方 法 获 得 的 净 现 值 (NPV) 更 高 265 304 333 63.3 76.2 74.4 该 研 究 结 果 证 明 了 对 热 采 作 业 进 行 模 拟 的 价 值 以 及 利 用 蒸 汽 / 油 比 (SOR) 等 单 一 参 数 对 SAGD 项 目 进 行 评 级 的 潜 在 缺 陷 模 拟 结 果 显 示, 常 规 完 井 的 蒸 汽 / 油 比 (SOR) 最 低, 简 单 完 井 的 累 计 采 油 量 最 高 然 而, 当 将 经 济 模 型 考 虑 进 去 时, 智 能 完 井 的 总 成 本 较 低, 作 业 者 获 得 的 投 资 回 报 最 高 ( 左 表 ) [14] 工 程 师 利 用 耦 合 模 型 来 确 定 油 层 中 的 阻 挡 层 位 置 对 理 想 蒸 汽 流 动 的 干 扰, 然 后 对 完 井 进 行 设 计 以 使 蒸 汽 向 油 层 上 方 流 动 并 避 开 阻 挡 层 此 外, 工 程 师 还 利 用 Merak Peep 计 划 风 险 和 储 量 软 件 对 各 个 技 术 方 法 的 经 济 性 进 行 了 对 比 该 研 究 对 常 规 智 能 和 简 易 SAGD 完 井 方 法 五 年 期 内 的 结 果 进 行 了 模 拟 和 对 比, 得 到 以 下 结 论 : 常 规 完 井 设 计 的 蒸 汽 / 油 比 最 好, 但 高 资 本 投 入 和 高 作 业 费 用 导 致 其 投 资 回 报 率 最 低 简 单 完 井 设 计 的 采 收 率 最 大, 但 所 用 的 蒸 汽 和 产 出 的 水 更 多, 产 量 的 增 加 不 能 抵 消 资 本 和 作 业 费 用 的 增 加 智 能 完 井 设 计 在 稍 微 增 加 资 本 和 降 低 作 业 费 用 的 条 件 下 优 化 了 蒸 汽 注 入, 进 而 在 三 种 完 井 方 法 中 其 净 现 值 (NPV) 最 高 生 产 优 化 利 用 SAGD 方 法 获 得 最 优 经 济 效 益 要 求 蒸 汽 腔 均 衡 扩 展, 即 均 衡 的 波 及 效 果 然 而, 沥 青 和 蒸 汽 在 双 SAGD 井 之 间 的 地 层 中 流 动 通 常 是 不 均 匀 的 ( 下 一 页, 右 上 图 ) 油 藏 的 非 均 质 性 造 成 蒸 汽 在 油 砂 中 流 动 的 不 均 匀 并 使 得 原 油 的 流 动 性 各 不 相 同, 从 而 造 成 原 油 流 动 的 不 均 匀 此 外, 蒸 汽 还 受 页 岩 和 泥 岩 岩 层 的 阻 挡 而 被 分 流 以 上 影 响 造 成 80% 的 注 入 蒸 汽 沿 着 阻 力 最 小 的 通 道 从 生 产 井 的 跟 部 流 出, 而 剩 下 全 部 蒸 汽 都 几 乎 从 生 产 井 的 趾 部 流 出 [15] 为 利 用 控 制 蒸 汽 注 入 来 提 高 注 入 蒸 汽 推 进 的 均 匀 性, 作 业 者 已 实 施 了 多 种 策 略, 包 括 在 生 产 井 和 注 蒸 汽 井 中 下 割 缝 衬 管 或 在 其 他 防 砂 筛 管 内 下 双 油 管 柱 等 ( 左 图 ) 对 于 安 装 双 油 管 的 注 蒸 汽 井, 一 个 油 管 柱 用 来 在 水 平 段 的 跟 部 注 蒸 汽 而 另 一 个 油 管 柱 用 来 在 趾 部 注 蒸 汽 由 于 蒸 汽 沿 着 整 个 注 蒸 汽 井 水 平 段 通 过 割 缝 衬 管 进 入 地 层, 原 油 则 会 从 生 产 井 的 趾 部 和 跟 部 两 部 分 进 入 生 产 油 管 将 注 蒸 汽 点 和 采 油 点 分 别 设 置 在 注 蒸 汽 井 和 生 产 井 水 平 段 的 两 端, 两 井 之 间 的 流 动 分 布 会 更 加 均 匀 ^ 控 制 水 平 井 段 的 蒸 汽 注 入 和 沥 青 开 采 当 作 业 者 用 多 个 油 管 柱 和 割 缝 衬 管 对 SAGD 注 入 井 ( 右 ) 进 行 完 井 时, 可 将 蒸 汽 ( 红 色 箭 头 ) 从 注 蒸 汽 井 的 趾 部 和 跟 部 两 处 注 入 套 管 - 油 管 环 空 中, 从 而 使 得 整 个 水 平 井 段 的 注 入 剖 面 更 均 衡 双 油 管 柱 和 割 缝 衬 管 完 井 的 生 产 井 ( 左 ) 使 得 重 力 驱 动 的 沥 青 和 蒸 汽 冷 凝 液 ( 绿 色 箭 头 ) 更 均 匀 地 沿 整 个 水 平 段 进 入 油 管 - 套 管 环 空 比 例 - 积 分 - 微 分 反 馈 控 制 器 ( 未 显 示 ) 通 过 生 产 井 内 仪 表 化 的 连 续 油 管 对 注 入 蒸 汽 和 产 出 液 温 差 进 行 监 测, 并 根 据 目 标 温 差 调 节 注 蒸 汽 速 率 在 加 拿 大 西 部 实 施 的 双 油 管 SAGD 完 井 通 常 还 安 装 了 气 举 工 具 以 代 替 电 潜 泵 (ESP) 来 举 升 原 油, 但 未 安 装 井 下 控 制 阀 双 油 管 完 井 还 可 安 装 带 有 分 布 式 温 度 测 量 工 具 串 或 热 电 偶 阵 列 的 仪 表 化 连 续 油 管 一 项 研 究 建 议 在 每 个 注 蒸 汽 油 管 柱 上 安 装 比 例 - 积 分 - 微 分 (PID) 反 馈 控 制 装 置 来 控 制 注 蒸 汽 速 率 PID 控 制 器 对 注 10 油 田 新 技 术
ᘠ 㧥 㚁 入蒸汽和产出液温差进行监测 并通过调 㻱 㧥 㚁 节注蒸汽速率使得两者温差保持为一个特 定值 [16] 注入蒸汽和产出液之间的温差 㻳ఫ ᒏ 㻱 ᒏ 是 SAGD 作业的一个关键控制参数 该 温差通常保持在 15 C 至 30 C 27 F 至 54 F 之间 [17] 随着油藏条件的变化 配 置 PID 控制器的双油管完井方式通过控制 अࡃ ߕ 注蒸汽速率保持温差为一个特定值 进而 提高蒸汽腔的均匀性 旨在优化产量和净现值的后续研究检 验了 PID 控制器在双 SAGD 井中的应用 㻱 ఫ 研究者断定 控制器可快速调节注蒸汽速 率 从而获得并保持一个目标温差值 并 同时取得较好的蒸汽 - 油比 此外 由于 双 SAGD 井的跟部和趾部的目标过冷温差 ^ 理想与实际的蒸汽腔 理想蒸汽腔 左 内的蒸汽沿注蒸汽井的水平段均匀分布 且均匀渗透到 地层并高效地驱替沥青至下部的生产井 而在实践中 若不进行干预 蒸汽腔极其不规则且驱替效 率极低 右 值相同 PID 可能会提高整个双 SAGD 井 蒸汽腔波及的均匀性 [18] 工程师还可将向井流动装置 ICD 作为防砂筛管组合的一部分安装在注蒸汽 井或生产井或两口井中 从而使得蒸汽腔 扩展更加均匀 ICD 可改变沿井筒方向的 压力分布或流动 当作为注蒸汽井完井组 ޟ 㑊㶙ノ 成部分时 ICD 可使得趾部至跟部的蒸汽 流动更加均匀 当作为生产井完井组成部 分时 ICD 可使得趾部至跟部的蒸汽 - 油 乳化液流动更加均匀 从而使得趾部至跟 部的温差值更加均衡 右图 14. Akram F Effects of Well Placement and Intelligent Completions on SAGD in a Full-Field ThermalNumericalModel for Athabasca Oil Sands SPE/ PS/CHOA 117704 发表在SPE国际热采作业与稠油 讨论会上 卡尔加里 2008年10月20 23日 15. Banerjee S Abdelfattah T和Nguyen H Benefits of Passive Inflow Control Devices in a SAGD Completion SPE 165478 发表在SPE加拿大稠 油会议上 卡尔加里 2013年6月11-13日 16. Stone TW Brown G Guyaguler B Bailey WJ 和Law DH-S Practical Control of SAGD Wells with Dual Tubing Strings Journal of Canadian Petroleum Technology 53卷 第1期 2014年1 月 32 47 17. Gates ID Kenny J Hernandez-Hdez IL和Bunio GL Steam-Injection Strategy and Energetics of Steam-Assisted Gravity Drainage SPE/PS-CIM/ CHOA 97742 发表在SPE国际热采作业与稠油讨论 会上 卡尔加里 2005年11月1-3日 18. Stone TW和Bailey WJ Optimization of Subcool in SAGD Bitumen Processes WHOC 14-271 发表 在世界稠油大会上 新奥尔良 2014年3月5-7日 2014 年夏季刊 Ⴖ㷲 䭟 よノ ς ߕᣔ ݣ 㷲㒛 ^ 跟趾效应 SAGD 作业注蒸汽后产生的蒸汽 - 油乳化液 蓝色 更易流向渗透率高的地层 通常 位于井的跟部 上 而非均衡地流入生产井的割缝衬管 防砂筛管组合内的控水防砂完井装置 ICD 可均衡整个井筒中的压降 从而使得地层中乳化液的流动分布和整个水平生产管柱中的流动更加均 衡 下 11
140 120 100 80 60 40 20 2.5 mm, 0 kpa 2.5 mm, 25 kpa [4 psi] 2.5 mm, 50 kpa [7 psi] 2.5 mm, 75 kpa [11 psi] 2.5 mm, 100 kpa [15 psi] 的 鼓 舞,Brion 能 源 公 司 的 工 程 师 实 施 了 一 项 初 步 研 究, 以 定 量 确 定 以 尾 管 形 式 安 装 的 ICD 的 潜 在 效 益 工 程 师 使 用 的 油 藏 模 型 以 他 们 在 Mackay River 的 商 业 项 目 (MRCP) 为 基 础, 该 项 目 实 施 地 点 位 于 阿 尔 伯 塔 省 Fort McMurray 西 北 部 30 公 里 (18.7 英 里 ) 处 最 初 的 模 型 以 理 想 条 件 和 一 个 完 全 均 质 的 油 藏 为 基 础, 因 而 未 能 展 示 出 ICD 的 优 势 随 后, 初 始 模 型 被 新 的 模 型 替 代 新 的 模 型 以 相 同 油 藏 区 域 内 的 最 大 预 测 值 为 依 据, 垂 直 于 井 眼 轨 迹 面 上 的 油 藏 单 元 的 绝 对 渗 透 率 相 应 增 大 或 降 低 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 ^ 控 水 防 砂 装 置 (ICD) 完 井 的 标 准 SAGD 井 的 沥 青 产 量 Brion 能 源 公 司 的 模 拟 结 果 表 明, 配 有 两 个 ICD 装 置 ( 每 个 ICD 装 置 中 的 每 个 油 管 短 节 都 安 装 有 2.5 毫 米 的 喷 嘴 ) 的 SAGD 生 产 井 比 基 础 案 例 ( 标 准 割 缝 衬 管 完 井 的 生 产 井 ) 的 累 积 产 量 ( 每 条 流 量 曲 线 下 部 的 面 积 ) 高 对 安 装 带 有 2.5 毫 米 喷 嘴 的 ICD 的 生 产 井 进 行 模 拟 时, 模 拟 的 压 降 (0,25,50,75 和 100 kpa) 都 小 于 标 准 双 SAGD 井 的 压 降 ( 根 据 Becerra 等 人 的 资 料 改 编, 参 考 文 献 22) 考 虑 到 ICD 中 的 防 砂 筛 网 的 影 响, 尾 管 直 径 由 85/8 英 寸 减 小 至 7 英 寸 模 拟 表 明, 尾 管 尺 寸 的 变 化 对 双 SAGD 井 的 蒸 汽 - 油 比 值 和 累 计 产 量 无 影 响 出 于 经 济 和 技 术 层 面 的 考 虑, 团 队 选 择 在 95/8 英 寸 套 管 内 下 入 喷 嘴 型 ICD 并 配 套 低 剖 面 过 滤 介 质 进 行 完 井 基 于 喷 嘴 节 流 的 控 水 防 砂 完 井 装 置 不 受 流 体 粘 度 影 响, 其 压 降 与 喷 嘴 流 速 的 平 方 成 正 比, 因 而 具 有 较 强 的 蒸 汽 节 流 能 力 当 液 体 接 近 ICD 防 砂 筛 管 时 会 在 阀 门 处 发 生 闪 蒸 或 蒸 发, 从 而 在 相 同 的 压 差 下 造 成 流 动 阻 力 增 加 因 此, 喷 嘴 在 SAGD 生 产 井 中 起 到 自 动 调 节 阀 的 作 用 这 一 过 程 阻 碍 了 蒸 汽 向 生 产 井 井 筒 的 流 动 ; 若 蒸 汽 进 入 井 筒, 则 流 入 速 度 会 大 大 降 低, 从 而 避 免 了 对 局 部 防 砂 筛 管 的 损 害 即 热 点 因 此, 利 用 控 水 防 砂 系 统 对 SAGD 井 进 行 完 井 可 提 高 蒸 汽 腔 扩 展 的 均 匀 性, 且 无 需 另 下 入 延 伸 到 生 产 井 趾 部 的 油 管 柱 [19] 斯 伦 贝 谢 公 司 的 专 家 进 行 了 双 SAGD 井 井 筒 模 拟, 其 中 包 括 一 口 ICD 完 井 的 生 产 井 和 一 口 双 油 管 PID 控 制 的 注 蒸 汽 井 的 基 础 案 例 最 大 蒸 汽 注 入 速 率 为 250 立 方 米 / 天 (8800 立 方 英 尺 / 天 ); 目 标 温 差 为 3 C(5.4 F) 在 此 项 研 究 中, 研 究 人 员 使 用 了 FluxRite ICD 现 称 为 MeshFlux ICD, 该 工 具 结 合 了 MeshRite 防 砂 技 术 和 喷 嘴 类 ICD 生 产 井 内 ICD 的 14 米 (46 英 尺 ) 长 7 英 寸 直 径 的 基 管 上 安 装 了 防 砂 筛 网, ICD 喷 嘴 则 装 有 一 个 4.22 毫 米 ( 0.17 英 寸 ) 的 节 流 阀 两 口 双 SAGD 井 的 水 平 段 长 度 为 700 米 (2290 英 尺 ), 垂 向 间 距 为 5 米 (16 英 尺 ) 模 拟 油 藏 的 数 据 取 自 加 拿 大 阿 尔 伯 塔 省 东 北 部 的 McMurray 地 层, 该 地 层 含 有 高 粘 度 的 沥 青 且 非 均 质 性 极 高 [20] 该 研 究 进 行 了 四 项 模 拟 : 案 例 1( 基 础 案 例 ), 生 产 井 跟 部 和 趾 部 中 间 的 温 度 平 均 值 利 用 一 个 温 度 分 类 算 法 计 算 得 出 案 例 2, 生 产 井 跟 部 和 趾 部 中 间 的 温 度 平 均 值 取 所 有 流 入 温 度 的 平 均 值 案 例 3, 目 标 温 差 为 3 C 至 15 C 案 例 4, 生 产 井 为 双 油 管 完 井 该 研 究 得 出 以 下 结 论 : 带 有 PID 控 制 装 置 的 双 油 管 完 井 提 高 了 蒸 汽 / 油 比 和 累 积 产 量 利 用 温 度 分 类 算 法 过 滤 掉 低 温 可 改 善 温 差 计 算 结 果 ; 较 低 的 温 差 使 产 量 和 经 济 性 都 得 到 改 善 [21] 利 用 ICD 完 井 的 生 产 井 比 利 用 双 油 管 完 井 的 生 产 井 的 压 力 更 加 稳 定 生 产 更 易 控 制 且 沿 整 个 水 平 段 的 生 产 分 布 更 加 均 匀 受 ICD 提 升 SAGD 作 业 产 量 和 效 率 在 该 完 井 条 件 下, 模 拟 表 明, 在 生 产 井 中 用 ICD 完 井 时 累 积 产 量 增 加, 蒸 汽 - 油 比 值 降 低 生 产 井 所 增 加 的 效 益 大 多 集 中 在 最 初 两 年 在 最 初 两 年 的 末 期, 尾 管 内 用 ICD 完 井 的 生 产 井 比 对 应 的 常 规 井 累 积 产 量 增 加 12.2%; 六 年 后, 两 者 之 间 差 距 降 低 至 只 有 2.5% 然 而, 蒸 汽 - 油 比 值 在 第 二 年 末 期 相 对 降 低 9.84%, 而 在 第 六 年 末 期 相 对 降 低 10.3% 公 司 认 为, 这 些 效 益 满 足 进 行 下 一 步 现 场 测 试 的 要 求 在 现 场 试 验 之 前, 公 司 进 行 了 一 个 更 详 细 的 动 态 模 拟 模 拟 中 使 用 了 真 实 的 双 SAGD 井 井 眼 轨 迹 并 更 新 了 油 藏 地 质 模 型 作 业 者 首 次 计 划 在 该 油 藏 地 质 模 型 中 应 用 ICD 完 井 方 法 油 藏 模 拟 运 行 使 用 Petrel 工 作 流, 该 工 作 流 结 合 了 ECLIPSE 油 藏 模 拟 器 和 完 全 耦 合 的 多 段 井 模 型 基 于 多 种 喷 嘴 尺 寸 和 井 下 压 降 条 件 下 的 模 拟 结 果, 为 确 保 井 筒 温 差 保 持 在 1 C(2 F), 作 业 者 决 定 在 生 产 井 中 的 每 个 尾 管 短 节 中 安 装 两 个 2.5 毫 米 的 喷 嘴 模 拟 结 果 显 示, 当 保 持 井 内 压 降 小 于 标 准 完 井 井 筒 压 降 的 70 kpa(10 psi) 时, 累 积 产 量 在 第 四 年 可 增 加 34%, 而 在 第 十 二 年 可 增 加 23% ( 左 上 图 ) 12 油 田 新 技 术
基 于 这 些 模 拟 结 果 以 及 ICD 具 有 提 高 SAGD 开 发 效 果 潜 力 的 结 论,Brion 能 源 公 司 于 2013 年 10 月 对 第 一 对 双 SAGD 井 进 行 了 ICD 完 井 第 二 对 双 SAGD 井 计 划 于 2014 年 用 同 样 的 方 法 进 行 完 井 蒸 汽 循 环 作 业 计 划 于 2015 年 下 半 年 实 施 并 于 2016 年 上 半 年 投 产 [22] 减 轻 负 载 与 所 有 油 气 生 产 作 业 一 样,SAGD 作 业 者 一 直 在 努 力 提 高 产 量 降 低 成 本 并 最 大 限 度 地 减 低 对 环 境 的 影 响 对 于 SAGD 井, 注 蒸 汽 在 增 加 产 量 的 同 时 也 增 加 了 成 本 在 不 进 行 机 械 干 预 的 情 况 下, 保 持 SAGD 井 的 沥 青 产 量 需 要 持 续 增 加 注 蒸 汽 速 率 和 压 力, 以 补 偿 蒸 汽 腔 的 渗 漏 并 辅 助 油 水 乳 化 液 举 升 到 地 面 SAGD 作 业 者 了 解 到 上 述 注 蒸 汽 速 率 和 压 力 持 续 的 增 加 不 具 有 可 持 续 性, 从 而 采 用 了 人 工 举 升 方 法 作 业 者 在 加 拿 大 西 部 油 砂 地 区 调 研 了 监 测 新 型 电 潜 泵 在 高 温 环 境 下 的 性 能 ( 下 图 ) REDA HotlineSA3 高 温 电 潜 泵 在 150 C 至 260 C(300 F 至 500 F)( 该 温 度 为 测 试 环 路 设 计 的 最 高 温 度 限 值 ) 的 流 体 温 度 下 无 故 障 运 行 时 间 接 近 42 天 [24] 实 时 测 量 生 产 参 数 随 着 经 验 的 不 断 积 累,SAGD 专 家 已 大 幅 提 高 了 稠 油 开 采 的 产 量 并 降 低 了 成 本 为 优 化 人 工 举 升 效 率 调 节 注 蒸 汽 速 率 和 压 力 以 及 测 试 和 改 良 用 于 产 量 预 测 的 油 藏 模 型, 需 要 及 时 和 精 确 的 流 量 数 据 对 作 业 做 进 一 步 的 精 细 调 整 由 于 产 出 液 密 度 与 水 和 油 的 密 度 差 异 很 小, 因 而 难 以 利 用 基 于 重 力 的 常 规 分 离 系 统 来 获 取 SAGD 井 的 流 量 数 据 另 外, SAGD 井 具 有 流 型 不 稳 定 高 温 且 含 有 乳 化 泡 沫 油 硫 化 氢 (H2S) 和 研 磨 性 砂 粒 的 生 产 特 点 考 虑 到 上 述 和 其 他 可 能 导 致 失 败 因 素, 卡 尔 加 里 的 Suncor 能 源 公 司 和 斯 伦 贝 谢 公 司 的 工 程 师 们 认 为, 利 用 常 规 生 产 监 测 方 法 监 测 流 量 满 足 不 了 SAGD 井 优 化 的 要 求 2007 年, 通 过 在 一 个 SAGD 井 中 测 试 和 验 证 一 种 多 相 流 测 量 仪 (MPFM), 工 程 师 找 到 了 能 克 服 这 些 限 制 的 解 决 方 案 [25] MPFM 基 于 Vx 多 相 流 试 井 技 术 研 发 而 来, 后 者 最 初 由 斯 伦 贝 谢 工 程 师 针 对 深 水 环 境 而 研 发 的 技 术 Vx 系 统 包 含 一 个 仪 表 化 的 文 氏 管 和 一 个 多 能 量 组 分 测 量 仪, 可 测 量 总 流 量 和 多 相 蒸 汽 流 中 的 气 油 和 水 组 分 的 流 量 ( 下 一 页, 上 图 ) [26] 多 种 人 工 举 升 方 法 和 工 具, 包 括 多 相 泵 基 本 气 举 方 法 和 电 潜 泵 (ESP) 由 于 多 相 泵 和 气 举 方 法 的 成 功 率 较 小, 作 业 者 进 而 决 定 应 用 电 潜 泵 工 程 师 了 解 到, 为 保 持 电 潜 泵 的 效 率, 必 须 控 制 电 潜 泵 入 口 处 的 温 差 温 差 过 低 时, 蒸 汽 会 直 接 流 入 油 管 柱, 从 而 降 低 能 量 利 用 效 率 若 流 入 压 力 低 于 规 定 的 净 吸 入 扬 程, 流 入 割 缝 衬 管 内 的 蒸 汽 会 造 成 尾 管 毁 坏 出 砂 和 电 潜 泵 的 气 蚀 [23] 电 潜 泵 在 较 浅 的 井 中 的 性 能 一 直 都 很 可 靠, 但 当 其 处 于 井 底 高 温 环 境 或 泵 入 口 含 有 水 蒸 气 或 蒸 汽 时, 其 寿 命 会 大 幅 降 低 为 避 免 此 类 问 题 的 发 生, 制 造 电 潜 泵 的 材 料 要 比 标 准 材 料 的 耐 热 膨 胀 能 力 更 强 马 达 用 油 必 须 在 高 温 条 件 下 保 持 其 绝 缘 能 力 和 润 滑 性 能 ; 马 达 电 缆 则 必 须 能 够 承 受 高 温 流 体 的 持 续 浸 泡 为 满 足 上 述 要 求, 斯 伦 贝 谢 和 康 菲 公 司 的 工 程 师 设 计 出 了 高 温 电 潜 泵, 并 在 阿 尔 伯 塔 省 埃 德 蒙 顿 的 C-FER 技 术 实 验 室 的 流 动 环 路 中 进 行 了 测 试 利 用 该 实 验 室 的 设 施, 研 究 团 队 使 用 各 种 井 下 仪 器 来 ^ 为 电 潜 泵 (ESP) 的 高 温 测 试 安 装 测 量 仪 实 验 室 测 试 时, 通 过 在 电 潜 泵 上 安 装 多 种 传 感 器, 工 程 师 可 检 测 电 潜 泵 在 高 温 环 境 下 经 常 失 效 部 位 的 表 面 和 内 部 的 温 度 及 变 化 ( 改 编 自 Noonan 等 人 的 资 料, 参 考 文 献 24) 19. Stone TW,Law DH-S 和 Bailey WJ: Control of Reservoir Heterogeneity in SAGD Bitumen Processes,SPE 165388, 发 表 在 SPE 加 拿 大 稠 油 会 议 上, 卡 尔 加 里,2013 年 6 月 11 13 日 更 多 有 关 控 水 防 砂 完 井 装 置 的 信 息, 参 见 :Ellis T,Erkal A,Goh G,Jokela T,Kvernstuen S, Leung E,Moen T,Porturas F,Skillingstad T, Vorkinn PB 和 Raffn AG: Inflow Control Devices Raising Profiles, 油 田 新 技 术,21 卷, 第 4 期, (2009/2010 年 冬 季 刊 ):30 37 20. Stone 等 人, 参 考 文 献 19 21. 温 度 分 类 算 法 取 生 产 井 中 所 有 温 度 的 平 均 值 若 两 个 半 个 井 筒 内 的 最 低 温 度 与 最 高 温 度 差 距 很 大 且 影 响 渗 透 率 的 计 算, 则 在 取 平 均 值 时 不 计 最 低 温 度 22. Becerra O,Kearl B 和 Sanwoolu A: A Systematic Approach for Inflow Control Devices Testing in Mackay River SAGD Wells,SPE 170055, 发 表 在 SPE 加 拿 大 稠 油 会 议 上, 卡 尔 加 里,2014 年 6 月 10 12 日 23. Gaviria F,Santos R,Rivas O 和 Luy Y: Pushing the Boundaries of Artificial Lift Applications:SAGD ESP Installations in Canada,SPE 110103, 发 表 在 SPE 年 度 技 术 会 议 暨 展 览 会 上, 美 国 加 利 福 尼 亚 州 Anaheim,2007 年 11 月 11-14 日 液 体 流 入 泵 叶 轮 时 会 产 生 压 力 降 净 吸 入 扬 程 为 泵 在 吸 入 口 处 避 免 气 蚀 现 象 所 需 的 最 低 压 力 24. Noonan SG,Dowling M,D Ambrosio L 和 Klaczek W: Getting Smarter and Hotter with ESPs for SAGD,SPE 134528, 发 表 在 SPE 年 度 技 术 会 议 暨 展 览 会 上, 意 大 利 佛 罗 伦 萨,2010 年 9 月 19-22 日 25. Pinguet B,Gaviria F,Kemp L,Graham J, Coulter C 和 Perez-Damas C: SAGD Real-Time Well Production Measurements Using a Nucleonic Multiphase Flowmeter:Successful Field Trial at Suncor Firebag,WHOC 论 文 11-514, 发 表 在 世 界 稠 油 大 会 上, 阿 尔 伯 塔 省 埃 德 蒙 顿,2011 年 3 月 14-17 日 2014 年 夏 季 刊 13
但 研 究 人 员 发 现,Vx 测 量 仪 测 得 的 水 / 流 体 比 (WLR) 始 终 比 测 试 分 离 器 的 测 量 结 果 低 调 查 研 究 发 现, 测 试 分 离 器 测 量 的 含 水 量 较 实 际 水 平 高 而 产 油 量 较 实 际 水 平 低 更 值 得 注 意 的 是,Suncor 和 斯 伦 贝 谢 公 司 的 研 究 团 队 通 过 一 个 三 年 期 项 目 的 实 施 结 果 得 出,Vx 技 术 具 有 较 好 的 动 态 反 应 可 重 复 性 和 更 高 的 SAGD 井 流 量 测 量 精 确 度, 因 而 是 一 个 很 好 的 优 化 工 具 [27] 优 化 ^ Vx 多 相 流 试 井 技 术 Vx 测 量 仪 的 测 量 无 需 流 体 分 离 或 流 量 标 定, 也 不 受 泡 沫 或 乳 化 液 的 影 响 该 测 量 仪 无 活 动 部 件, 且 传 感 器 不 与 流 体 直 接 接 触 绝 对 压 力 和 压 差 的 测 量 在 文 氏 管 喉 道 的 同 一 位 置 进 行 伽 马 射 线 从 射 线 源 发 射 到 探 测 器 时, 文 氏 管 的 核 透 明 窗 口 使 得 硬 件 对 射 线 的 衰 减 几 乎 为 零 传 感 器 处 理 和 流 量 数 据 显 示 由 流 量 计 算 机 执 行 和 提 供 2009 年, 在 2007 年 测 试 结 果 的 基 础 上 实 施 多 项 设 计 改 进 后, 研 究 小 组 建 议 将 阿 尔 伯 塔 省 东 北 部 Suncor Firebag 项 目 中 一 个 井 场 上 的 九 口 井 内 的 居 中 测 试 分 离 器 更 换 为 Vx MPFM( 下 图 ) 除 了 能 够 利 用 MPFM 获 取 精 确 度 更 高 的 测 量 外, 以 上 0 200 0 200 措 施 还 可 在 每 口 井 中 进 行 连 续 流 量 测 量 而 在 原 来 的 设 计 中, 每 个 井 场 只 有 一 个 分 离 器, 工 程 师 只 能 在 短 时 间 内 进 行 间 歇 性 试 井 通 过 测 量 同 一 稳 定 流 动 期 内 的 流 量 表 明,MPFM 和 测 试 分 离 器 的 测 试 结 果 一 致 Suncor Firebag SAGD ^ Firebag 项 目 位 于 阿 尔 伯 塔 省 东 北 部 的 Suncor Firebag 项 目 是 进 行 Vx 多 相 流 测 量 仪 测 试 的 现 场 SAGD 方 法 的 应 用 需 要 密 集 的 资 本 投 入, 其 中, 蒸 汽 生 产 费 用 为 作 业 成 本 中 的 一 大 块 SAGD 工 程 师 一 直 在 努 力 通 过 实 时 优 化 (RTO) 来 提 高 蒸 汽 沿 双 SAGD 井 分 布 的 均 匀 性 然 而,SAGD 作 业 非 常 复 杂, 需 要 监 测 和 控 制 多 种 参 数 其 中, 最 重 要 的 参 数 包 括 注 蒸 汽 速 率 温 差 和 井 下 温 度 与 压 力 [28] 此 外, 工 程 师 通 过 结 合 多 种 信 息 源 来 推 导 各 个 参 数, 从 而 进 一 步 增 加 了 SAGD 作 业 实 施 实 时 优 化 措 施 的 复 杂 性 ( 下 一 页 表 ) [29] 虽 然 这 些 参 数 使 得 SAGD 作 业 优 化 变 得 困 难, 但 参 数 的 复 杂 性 同 时 表 示 这 些 作 业 是 很 好 的 实 时 优 化 方 案 的 候 选 目 标 26. 更 多 有 关 Vx 技 术 的 信 息, 参 见 :Atkinson I, Theuveny B,Berard M,Conort G,Groves J, Lowe T,McDiarmid A,Mehdizadeh P,Perciot P,Pinguet B,Smith G 和 Williamson KJ: A New Horizon in Multiphase Flow Measurement, 油 田 新 技 术,16 卷, 第 4 期,(2004/2005 年 冬 季 刊 ):52 63 27. Pinguet B,Gaviria F,Kemp L,Graham J, Coulder C,Damas C 和 Ben Relem K: First Ever Complete Evaluation of a Multiphase Flow Meter in SAGD and Demonstration of the Performance Against Conventional Equipment, 发 表 在 第 28 届 国 际 北 海 流 动 测 量 研 讨 会 上, 苏 格 兰 St. Andrews, 2010 年 10 月 26-29 日 28. Gonzalez LE,Ficocelli P 和 Bostick T: Real Time Optimization of SAGD Wells, SPE 157923, 发 表 在 SPE 加 拿 大 稠 油 会 议 上, 卡 尔 加 里,2012 年 6 月 12-14 日 29. Mohajer M,Perez-Damas C,Berbin A 和 Al-kinani A: An Integrated Framework for SAGD Real-Time Monitoring,WHOC 论 文 2009-390, 发 表 在 世 界 稠 油 大 会 上, 委 内 瑞 拉 Margarita Island,2009 年 11 月 3-5 日 30. 更 多 有 关 DTS 的 信 息, 参 见 :Brown G: Downhole Temperatures from Optical Fiber, 油 田 新 技 术,20 卷, 第 4 期,(2008/2009 年 冬 季 刊 ): 34 39 31. Mohajer 等 人, 参 考 文 献 29 32. 加 拿 大 石 油 生 产 者 协 会 (CAPP): Crude Oil Forecast,Markets and Transportation, 卡 尔 加 里 :CAPP,2013 年 6 月 14 油 田 新 技 术
ESP 稠 油 的 未 来 据 加 拿 大 石 油 生 产 者 协 会 (CAPP) 的 数 据, 加 拿 大 在 2012 年 从 油 砂 中 开 采 的 原 油 量 为 29 万 立 方 米 / 天 (180 万 桶 / 天 ) 其 中,13 万 立 方 米 / 天 ( 80 万 桶 / 天 ) 的 原 油 通 过 矿 采 方 法 采 出, 剩 下 的 原 油 则 利 用 原 地 开 采 方 法 ( 主 要 为 SAGD) 采 出 CAPP 在 同 一 报 告 中 预 计, 到 2030 年, 矿 采 法 采 出 的 原 油 量 为 27 万 立 方 米 / 天 (170 万 桶 / 天 ), 而 原 地 开 采 方 法 采 出 的 原 油 量 将 增 加 到 56 万 立 方 米 / 天 (350 万 桶 / 天 ) [32] ^ 地 面 和 井 下 测 量 为 监 控 监 测 诊 断 和 优 化 SAGD 井 作 业, 工 程 师 必 须 利 用 各 种 技 术 测 量 所 需 的 变 量 ( 改 编 自 Mohajer 等 人 的 资 料, 参 考 文 献 29) 利 用 光 纤 分 布 式 温 度 传 感 器 (DTS) 可 获 取 实 时 优 化 (RTO) 用 到 的 最 重 要 的 两 个 测 量 参 数 沿 水 平 井 段 的 温 度 和 压 力 剖 面 [30] MPFM 则 可 获 取 另 一 项 重 要 信 息 各 个 流 相 的 实 时 地 面 流 量 由 基 于 相 关 测 量 的 估 算 值 所 代 替 经 快 速 分 析 测 量 数 据, 在 无 明 显 关 系 的 多 维 数 据 集 中 确 定 出 隐 藏 的 相 互 关 系 或 趋 势 通 常, 得 出 的 关 系 足 以 描 述 几 项 参 数 得 出 的 观 测 数 据 的 特 征 [31] 由 于 加 拿 大 西 部 地 区 的 沥 青 埋 藏 过 深, 且 SAGD 项 目 的 资 本 投 入 和 作 业 费 用 远 小 于 矿 采 作 业, 因 而, 对 SAGD 作 业 的 倾 斜 使 得 SAGD 方 法 的 采 油 量 与 矿 采 方 法 的 采 油 量 的 比 值 变 得 越 来 越 大 小 的 SAGD 项 目 也 会 有 收 益, 且 收 益 会 随 着 时 间 逐 渐 增 大 与 此 同 时, 油 气 井 比 采 矿 的 作 业 周 期 短, 公 司 可 根 据 市 场 变 化 而 做 出 及 时 调 整 此 外, 沥 青 矿 采 作 业 需 要 将 上 部 土 壤 和 上 覆 层 全 部 清 除, 而 SAGD 井 对 环 境 的 影 响 相 对 较 小, 因 而 后 者 在 环 境 保 护 方 面 更 具 吸 引 力 加 拿 大 的 油 砂 为 勘 探 与 生 产 公 司 提 供 了 另 外 一 个 有 利 条 件, 即 储 量 是 明 确 的, 因 此 基 本 上 没 有 勘 探 成 本 和 风 险 受 经 济 和 环 境 问 题 的 驱 动, 以 及 数 十 年 的 上 游 技 术 发 展 应 用 的 影 响, 基 本 可 以 确 定 的 是, 在 未 来 许 多 年 内, 加 拿 大 的 油 砂 将 是 全 球 油 气 市 场 上 的 一 个 重 要 组 成 部 分 RvF 对 于 实 时 优 化 (RTO), 基 本 质 量 检 查 通 过 软 件 去 除 负 压 力 值 以 及 极 高 和 极 低 温 度 值 等 明 显 错 误 的 数 据, 从 而 得 到 上 述 关 键 参 数 然 后, 利 用 更 严 格 的 程 序 对 参 数 进 行 细 化, 确 保 所 有 参 数 遵 循 热 动 力 定 律 具 有 实 际 物 理 意 义 且 与 系 统 之 前 的 信 息 保 持 一 致 缺 失 或 之 前 被 剔 除 的 数 据 则 之 后, 通 过 对 比 油 藏 模 型 中 实 施 的 实 时 DTS 温 度 测 量 计 算 出 的 温 差 和 目 标 温 差 范 围, 进 而 实 施 优 化 当 系 统 提 示 作 业 者 温 差 值 超 出 目 标 范 围 时, 工 程 师 便 调 整 注 蒸 汽 速 率 和 多 相 流 泵 流 量 理 想 情 况 下, 所 做 的 调 整 会 在 一 个 闭 环 系 统 内 自 动 进 行 微 调 控 制 2014 年 夏 季 刊 15
超 深 水 科 学 海 洋 钻 探 探 测 孕 震 区 Nobuhisa Eguchi Kyaw Moe 日 本 海 洋 与 地 球 科 技 研 究 社 日 本 横 滨 Masafumi Fukuhara 日 本 神 奈 川 Koji Kusaka 日 本 东 京 日 本 海 岸 线 高 处 的 石 碑 标 记 着 历 史 性 高 水 位, 也 提 醒 人 们 很 久 以 来 这 里 曾 经 遭 遇 过 毁 灭 性 海 啸 的 影 响 在 远 离 海 岸 的 南 海 海 槽 和 日 本 海 沟 深 处, 地 震 成 因 和 海 啸 成 因 的 地 质 记 录 跨 越 了 数 千 年 目 前 科 学 家 们 正 在 对 这 些 深 处 的 俯 冲 带 以 及 全 球 各 地 的 俯 冲 带 进 行 探 测, 希 望 深 入 了 解 发 生 在 构 造 板 块 边 界 上 的 地 质 活 动 根 据 这 些 信 息, 他 们 希 望 改 进 海 啸 预 警 系 统, 减 轻 地 震 的 风 险 Alberto Malinverno 哥 伦 比 亚 大 学 Lamont-Doherty 地 球 观 测 站 美 国 纽 约 Palisades Harold Tobin 威 斯 康 星 大 学 麦 迪 逊 分 校 美 国 威 斯 康 星 州 麦 迪 逊 Brion 能 源 公 司 阿 尔 伯 塔 省 卡 尔 加 里 油 田 新 技 术 2014 年 夏 季 刊 :26 卷, 第 2 期 2014 斯 伦 贝 谢 公 司 版 权 所 有 在 编 写 本 文 过 程 中 得 到 以 下 人 的 帮 助, 谨 表 谢 意 : 日 本 长 冈 的 Lifeng Gan,Takashi Monden 和 Ushio Takahashi, 吉 隆 坡 的 Gokarna Khanal adnvision,arcvision,flexstone,fmi,formation MicroScanner,geoVISION,MDT,PowerPulse, PowerV,RAB,seismicVISION,sonicVISION, TeleScope,UBI 和 VSI 是 斯 伦 贝 谢 公 司 的 商 标 1. 孕 震 区 是 地 壳 内 诱 发 地 震 的 深 度 范 围 某 些 断 层 段 面 和 构 造 板 块 界 面 锁 到 一 起, 并 不 断 积 聚 应 力 当 克 服 了 静 摩 擦 力 后, 就 会 发 生 地 震, 导 致 断 层 滑 动, 地 震 能 量 辐 射 地 震 学 家 认 为 断 层 面 与 板 块 界 面 锁 定 和 释 放 发 生 时, 动 摩 擦 力 小 于 静 摩 擦 力, 断 层 摩 擦 力 表 现 为 速 度 衰 减 关 于 孕 震 区 的 详 细 信 息, 请 参 考 :Dixon TH and Moore JC( 编 辑 ):The Seismogenic Zone of Subduction Thrust Faults 纽 约 市 : 哥 伦 比 亚 大 学 出 版 社,2007 年 2. 关 于 海 啸 成 因 的 详 细 内 容, 请 参 考 :Bunting T, Chapman C,Christie P,Singh SC 和 Sledzik J: The Science of Tsunamis, 油 田 新 技 术,19 卷, 第 3 期 (2007 年 秋 季 刊 ):4 19 3. 关 于 IODP 的 历 史 及 其 2004 年 以 前 的 项 目, 请 参 考 : Brewer T,Endo T,Kamata M,Fox PJ,Goldberg D,Myers G,Kawamura Y,Kuramoto S,Kittredge S,Mrozewski S 和 Rack FR: Scientific Deep- Ocean Drilling:Revealing the Earth s Secrets, 油 田 新 技 术,16 卷, 第 4 期 (2004 年 冬 季 刊 ): 24 37 4. 很 多 政 府 机 构 将 深 水 区 定 义 为 水 深 超 过 300 米 (1000 英 尺 ), 超 深 水 区 定 义 为 水 深 超 过 1500 米 (5000 英 尺 ) 5. 关 于 IODP 新 项 目 的 详 细 内 容, 请 参 考 :Bickle M, Arculus R,Barrett P,DeConto R,Camoin G, Edwards K,Fisher F,Inagaki F,Kodaira S, Ohkouchi N,Pälike H,Ravelo C,Saffer D 和 Teagle D: Illuminating Earth s Past,Present and Future:Science Plan for 2013 2023, International Ocean Discovery Program:Exploring the Earth Under the Sea,http://www.iodp.org/ program-documents(2014 年 4 月 20 日 浏 览 ) 俯 冲 带 地 震 是 地 球 上 最 严 重 的 自 然 灾 害 之 一 大 约 5 40 千 米 (3 25 英 里 ) 深 度 范 围 内 是 最 危 险 地 震 的 诱 发 区, 称 为 孕 震 区 [1] 在 更 浅 和 更 深 的 深 度, 断 层 可 能 发 生 非 地 震 性 蠕 动, 这 种 蠕 东 不 会 产 生 强 烈 的 地 震 波 在 较 浅 的 深 度, 通 常 应 力 较 小, 不 足 以 诱 发 大 震 级 地 震 在 较 深 的 深 度, 岩 石 在 高 温 下 变 得 具 有 一 定 的 塑 性 通 过 钻 进 孕 震 区, 并 取 样 研 究, 科 学 家 们 希 望 弄 清 楚 物 质 的 特 性 和 应 力 场 是 如 何 影 响 断 层 滑 动 的, 地 震 期 间 断 层 滑 动 能 传 播 到 海 底, 形 成 海 啸 [2] 2004 年 发 生 在 苏 门 答 腊 - 安 达 曼 的 大 地 震 和 随 后 发 生 的 海 啸, 以 及 2011 年 发 生 在 日 本 东 北 地 区 太 平 洋 的 大 地 震 和 海 啸 都 说 明 了 这 些 自 然 现 象 带 来 的 巨 大 破 坏 力 针 对 这 种 破 坏 性 的 大 地 构 造 事 件, 科 学 家 们 努 力 更 好 地 了 解 地 震 多 发 地 区 的 地 质 情 况 从 2003 年 到 2013 年, 启 动 了 综 合 大 洋 钻 探 计 划 (IODP), 这 是 一 项 国 际 海 洋 科 研 合 作, 通 过 监 测 海 底 环 境 并 采 集 岩 样, 致 力 于 推 动 对 地 球 的 科 学 理 解 [3] IODP 最 初 科 学 计 划 确 定 了 三 个 主 题 : 深 海 生 物 圈 和 海 底 海 洋 ; 环 境 变 化, 过 程 及 影 响 ; 固 体 地 球 循 环 和 地 球 动 力 学, 包 括 孕 震 区 研 究 计 划 基 于 上 述 主 题, 该 工 程 确 定 了 48 项 IODP 科 学 考 察 项 目, 是 以 之 前 的 科 考 研 究 项 目 为 基 础, 包 括 莫 霍 计 划, 深 海 钻 探 计 划 和 海 洋 钻 探 计 划 等 斯 伦 贝 谢 参 与 了 其 中 很 多 项 目 的 深 海 科 学 钻 探 工 作 IODP 计 划 及 大 地 提 高 了 科 考 团 体 钻 探 海 底 以 下 数 千 米 深 度 的 能 力 通 过 改 善 钻 井 技 术, 取 心 技 术, 测 井 技 术 和 资 料 解 释 技 术, 将 井 下 测 量 与 取 心 和 地 震 资 有 机 结 合 起 来, 实 现 科 学 钻 探 研 究 的 目 的 其 中 多 项 技 术 都 是 针 对 油 气 勘 探 而 开 发 的 本 文 回 顾 了 最 近 更 名 的 IODP 项 目 目 标, 分 析 了 当 前 和 今 后 即 将 开 发 的 有 助 于 深 水 钻 探 的 各 项 技 术, 介 绍 了 IODP 孕 震 区 案 例 研 究, 给 出 了 未 来 研 究 方 向 和 遇 到 的 各 种 挑 战 [4] 科 学 钻 探 的 新 时 代 为 了 了 解 地 球 的 历 史 和 构 造,IODP 项 目 进 行 了 航 海 科 学 考 察, 研 究 洋 底 下 面 的 沉 积 层 和 岩 石 [5] 2013 年 到 2023 年 的 IODP 科 研 计 划 包 括 的 几 大 主 题 与 气 候 和 海 洋 变 化 的 过 去 和 未 来, 深 海 生 物 圈, 以 及 它 们 与 地 面 环 境 和 地 球 事 件 过 程 的 联 系, 对 地 面 和 地 球 事 件 过 程 的 影 响, 对 人 类 生 存 的 危 害 参 与 IODP 计 划 的 地 学 家 研 究 了 导 致 地 震, 山 体 滑 坡 和 海 啸 的 动 态 过 程, 断 层 断 裂 导 致 的 地 震 周 期 内 地 下 物 质 / 构 造 特 征 的 变 化, 流 体 在 沉 积 层 和 火 山 地 壳 中 的 流 动 特 征 他 们 通 过 井 眼 中 的 长 期 观 测 系 统 采 集 流 体 和 微 生 物 样 本, 监 测 应 力 和 应 变 情 况 16 油 田 新 技 术
0 2000 JAMSTEC/IODP 2500 2000 3500 3500 2000 2000 2000 2000 200 2000 2000 3000 3000 3500 2500 3500 3500 4000 2014 年 夏 季 刊 17
IODP 计 划 致 力 于 通 过 实 施 现 代 化 的 海 洋 钻 探 技 术, 促 进 数 据 的 传 播 和 分 享, 提 供 良 好 的 科 学 环 境, 及 时 通 知 并 增 强 大 众 对 地 质 灾 害 和 环 境 变 化 的 全 球 意 识, 来 推 动 这 项 研 究 截 至 2014 年,IODP 得 到 了 26 个 国 家 的 财 政 支 持 [6] 日 本 的 地 球 深 部 勘 探 中 心 (CDEX) 是 立 管 钻 探 船 作 业 公 司, 美 国 的 执 行 组 织 (USIO) 是 无 立 管 钻 探 船 作 业 公 司 海 洋 研 究 钻 探 (ECORD) 科 学 作 业 公 司 欧 洲 联 盟 管 理 具 体 研 究 任 务 的 作 业 ^ JOIDES 决 心 号 无 立 管 钻 探 船 服 役 将 近 25 年 后,JOIDES 决 心 号 钻 探 船 进 行 了 改 造 和 能 力 提 升 试 水 成 功 后, 于 2009 年 2 月 作 为 一 艘 无 立 管 钻 探 船 又 开 始 了 钻 探 作 业, 继 续 为 综 合 海 洋 钻 探 计 划 ( 现 改 名 为 国 际 海 洋 发 现 计 划,IODP) 服 役 此 次 服 役 是 参 与 此 前 授 予 海 洋 领 导 集 团 10 年 期 合 同 的 一 年 延 期 合 同 ( 照 片 由 IODP 和 得 克 萨 斯 A&M 大 学 提 供 ) 国 际 大 陆 科 学 钻 探 项 目 (ICDP) 作 为 基 层 单 位, 帮 助 在 陆 地 环 境 进 行 科 学 研 究 钻 探, 现 在 又 对 其 活 动 与 IODP 的 活 动 进 行 协 调 [7] 服 务 公 司 提 供 MWD,LWD 和 电 缆 测 井 服 务, 提 供 专 业 技 术 支 持, 在 科 考 期 间 提 供 钻 井 和 完 井 服 务 最 新 技 术 进 展 科 学 钻 探 有 三 个 主 要 目 标 : 收 集 岩 心 和 流 体 样 本 并 进 行 分 析, 采 集 井 下 测 量 数 据, 在 井 中 安 装 监 测 设 备 深 水 科 学 钻 探 一 直 以 来 面 临 很 多 挑 战, 例 如, 如 何 补 偿 钻 井 和 测 量 时 钻 探 船 的 运 动, 如 何 保 持 井 眼 稳 定 性, 如 何 平 衡 孔 隙 压 力, 避 免 使 地 层 破 裂 科 学 家 们 使 用 的 取 心 和 测 井 设 备 应 能 适 应 超 深 井 中 的 高 温 高 压 环 境, 固 井 专 家 设 计 的 水 泥 体 系 必 须 在 海 底 温 度 较 低 ^ Chikyu 号 立 管 钻 探 船 地 球 深 部 勘 探 中 心 由 日 本 海 洋 地 球 科 技 机 构 (JAMSTEC) 赞 助, 负 责 全 面 管 理 和 运 作 Chikyu 号 立 管 钻 探 船 Chikyu 船 是 第 一 艘 立 管 式 钻 探 船, 装 备 了 现 代 化 的 钻 井, 取 心 和 实 验 设 施 2011 年 3 月 这 艘 船 遭 遇 了 海 啸 破 坏, 修 理 后 同 年 又 开 始 服 役, 此 后 一 直 用 于 研 究 导 致 其 损 毁 的 海 啸 发 生 的 根 源 ( 照 片 由 IODP 和 JAMSTEC 提 供 ) 6. 为 IODP 计 划 提 供 财 政 支 持 的 国 家 包 括 澳 大 利 亚, 奥 地 利, 比 利 时, 巴 西, 加 拿 大, 中 国, 丹 麦, 芬 兰, 德 国, 冰 岛, 印 度, 爱 尔 兰, 以 色 列, 意 大 利, 日 本, 韩 国, 荷 兰, 新 西 兰, 挪 威, 波 兰, 葡 萄 牙, 瑞 典, 瑞 士, 英 国 和 美 国 等 7. 国 际 大 陆 科 学 钻 探 计 划 (ICDP) 和 国 际 海 洋 发 现 计 划 (IODP) 目 前 联 合 出 版 Scientific Drilling 杂 志 关 于 ICDP 及 其 活 动 的 更 多 信 息, 请 参 考 http://www. icdp-online.org/(2014 年 4 月 20 日 浏 览 ) 8. 关 于 深 水 固 井 的 更 多 信 息, 请 参 考 :Cuvillier G, Edwards S,Johnson G,Plumb D,Sayers C,Denyer G,Mendonça JE,Theuveny B 和 Vise C: Solving Deepwater Well-Construction Problems, 油 田 新 技 术,12 卷, 第 1 期 (2000 年 春 季 刊 ):2 17 9. 关 于 油 田 岩 心 分 析 的 更 多 信 息, 请 参 考 :Andersen MA,Duncan B 和 McLin R: Core Truth in Formation Evaluation, 油 田 新 技 术,25 卷, 第 2 期 (2013 年 夏 季 刊 ):16 25 10. 关 于 取 心 技 术 的 更 多 信 息, 请 参 考 :Huey DP: IODP Drilling and Coring Technology:Past and Present Phase 2 Final Report, 应 力 工 程 服 务 公 司 提 交 给 IODP-MI 的 报 告 (2009 年 9 月 ),http:// www.iodp.org/doc_download/3464-iodp-drillingcoring-tech-final (2014 年 4 月 20 日 浏 览 ) 11. 关 于 JOIDES 决 心 号 钻 探 船 的 更 多 信 息, 请 参 考 : Riserless Vessel,International Ocean Discovery Program:Exploring the Earth Under the Sea, http://www.iodp.org/riserlessvessel(2014 年 4 月 20 日 浏 览 ) 18 油 田 新 技 术
的 环 境 下 有 效 由 于 时 间 和 成 本 限 制, 要 求 高 效 钻 井, 取 心, 并 及 时 进 行 岩 心 分 析 为 了 应 对 上 述 挑 战, 研 究 团 队 部 署 了 专 用 研 究 船, 并 配 置 了 先 进 的 钻 井, 测 井 和 完 井 技 术 [8] MWD 和 LWD 等 服 务 都 是 现 代 科 学 钻 探 活 动 中 的 重 要 内 容 取 心 是 科 学 钻 探 的 核 心 工 作, 也 是 钻 探 船 上 的 主 要 活 动 [9] 工 程 师 们 开 发 了 各 种 专 门 的 取 心 方 法 [10] 这 些 技 术 和 方 法 对 IODP 计 划 的 成 功 实 施 都 是 至 关 重 要 的, 有 了 它 们, 以 研 究 船 为 载 体, 就 能 对 地 下 构 造 进 行 有 效 的 钻 探 和 研 究 JOIDES 决 心 号 研 究 船 JOIDES 决 心 号 是 为 海 洋 钻 探 计 划 服 役 的 唯 一 研 究 船 ; 它 还 在 综 合 海 洋 钻 探 计 划 初 期 无 立 管 钻 探 阶 段 进 行 了 作 业 ( 前 一 页, 上 图 ) 自 1985 年 以 来, 在 该 船 上 工 作 的 科 学 家 完 成 了 120 多 项 科 学 考 察, 采 集 了 大 量 岩 心, 水 深 从 85 米 ( 280 英 尺 ) 到 将 近 6000 米 (20000 英 尺 ), 海 底 以 下 深 达 2100 米 (6900 英 尺 ) 者 是 随 后 利 用 深 井 眼 进 行 长 期 观 察 就 比 较 困 难 用 海 水 钻 疏 松 地 层 比 较 困 难 如 果 不 添 加 常 规 的 钻 井 液 添 加 剂 和 加 重 材 料, 可 能 导 致 井 眼 坍 塌, 或 地 层 流 体 从 高 压 层 段 进 入 井 眼 为 了 减 少 环 境 破 坏 的 风 险, 地 学 家 认 真 挑 选 井 位, 以 尽 量 避 开 潜 在 含 油 气 层 段 立 管 钻 井 是 油 气 生 产 行 业 的 标 准 做 法,2005 年 被 应 用 到 IODP 科 学 钻 探 工 作 中 立 管 钻 井 比 无 立 管 钻 井 耗 时, 成 本 高 海 洋 立 管 将 钻 探 船 与 海 底 的 防 喷 器 连 接 起 来 立 管 系 统 包 括 钻 杆 外 套 管, 它 与 钻 杆 形 成 一 个 环 空, 便 于 钻 井 液 循 环 出 去 司 钻 可 以 控 制 泥 浆 比 重, 从 而 调 节 地 层 流 体 压 力, 防 止 井 眼 坍 塌 司 钻 用 粘 性 钻 井 泥 浆 带 出 岩 屑, 科 学 家 在 船 上 采 集 样 本 岩 屑 提 供 了 地 下 地 层 的 连 续 记 录 采 用 立 管 钻 井, 钻 井 队 还 可 以 钻 进 不 稳 定 地 层, 从 活 动 断 层 带 取 样 电 缆 测 井 可 在 立 管 钻 井 和 无 立 管 钻 井 中 进 行 但 是, 某 些 仪 器 只 能 通 过 立 管 下 井, 这 类 仪 器 由 于 直 径 大, 可 能 无 法 通 过 直 径 较 小 的 钻 杆 进 入 无 立 管 钻 孔 其 中 测 量 井 下 孔 隙 压 力 和 流 体 取 样 的 仪 器 就 有 这 种 局 限 Chikyu 号 钻 探 船 Chikyu 号 钻 探 船 是 第 一 艘 专 用 于 科 学 研 究 的 立 管 式 钻 探 船 ( 前 一 页, 下 图 ) 这 艘 船 作 为 一 项 国 家 项 目, 由 日 本 政 府 投 资 建 造, 从 2005 年 开 始 服 役, 由 日 本 海 洋 地 球 科 技 机 构 (JAMSTEC) 运 作 [12] Chikyu 钻 探 船 为 钻 探 海 洋 地 壳 深 处 目 标 直 击 下 伏 地 幔, 俯 冲 带, 相 关 的 孕 震 区, 含 2006 年 作 业 公 司 让 JOIDES 决 心 号 钻 探 船 停 止 了 服 役, 随 后 对 船 只 进 行 了 改 造 ; 改 造 的 重 点 是 提 高 作 业 的 可 靠 性 和 时 效 性 针 对 这 个 项 目, 改 造 的 主 要 目 标 是 加 强 复 杂 岩 性 和 超 深 水 条 件 下 的 取 心 质 量 和 岩 心 采 收 率, 提 高 钻 井 速 度 次 要 目 标 是 提 高 各 种 井 下 测 井 仪 器 和 采 样 工 具 的 部 署 能 力 经 过 改 造 后 的 JOIDES 决 心 号 新 增 了 实 验 设 施, 提 高 了 岩 心 处 理 能 力, 扩 展 了 信 息 技 术 网 络 和 基 础 设 施, 翻 新 了 井 架 和 被 动 升 降 补 偿 系 统, 提 升 了 测 井 能 力, 生 活 和 工 作 空 间 更 大 更 合 理 [11] 得 克 萨 斯 农 工 大 学 基 金 会 从 2014 年 10 月 接 手 管 理 JOIDES 决 心 号, 管 理 期 限 为 5 年 采 用 无 立 管 钻 井 技 术,JOIDES 决 心 号 司 钻 将 海 水 ( 主 要 的 钻 井 液 ) 通 过 钻 杆 泵 入, 然 后 使 钻 井 液 返 回 到 海 底 ( 右 图 ) 这 种 工 艺 可 使 作 业 公 司 在 相 对 短 周 期 内 钻 很 多 口 浅 井 海 水 是 廉 价 的 钻 井 液, 能 够 清 洗 冷 却 钻 头, 将 岩 屑 带 出 井 眼 如 果 需 要 进 一 步 清 洗 井 眼, 可 在 海 水 中 添 加 高 粘 度 泥 浆 由 于 井 眼 清 洁 和 稳 定 性 问 题, 钻 1000 米 (3300 英 尺 ) 以 上 的 井 眼, 或 ^ 立 管 钻 井 技 术 和 无 立 管 钻 井 技 术 立 管 钻 井 ( 左 ) 包 括 钻 杆 外 套 管, 它 与 钻 杆 形 成 一 个 环 空, 方 便 钻 井 液 返 出, 便 于 保 持 井 眼 内 压 力 平 衡 防 喷 器 保 护 钻 探 船 免 受 流 体 超 压 自 喷 破 坏 立 管 钻 井 用 于 钻 深 井 眼, 钻 进 不 稳 定 地 层 或 超 压 地 层, 以 及 可 能 钻 遇 油 气 的 地 层 无 立 管 钻 井 ( 右 ) 用 海 水 作 为 主 要 钻 井 液, 通 过 钻 杆 泵 钻 井 液 无 立 管 钻 井 可 用 于 超 深 水 钻 井, 其 在 海 底 下 面 的 钻 进 深 度 一 般 不 超 过 1000 米 (3300 英 尺 ) 2014 年 夏 季 刊 19
NAP 35 0 km 50 EP 0 mi 50 PAC PHS 34 Tonankai, 1944 Kumano C0009 33 Nankaido, 1946 C0010 C0002 C0001 C0003, C0004, C0008 C0006, C0007 C0011 C0012 Shikoku 135 136 137 138 ^ 南 海 海 槽 孕 震 区 试 验 项 目 (NanTroSEIZE) 的 地 震 勘 探 与 钻 井 区 域 图 中 的 星 号 指 示 近 期 发 生 的 两 次 大 地 震 的 震 中 位 置 黑 色 框 线 的 区 域 是 3D 地 震 勘 探 区 域 红 色 圆 点 是 南 海 海 槽 孕 震 区 实 验 项 目 的 钻 井 井 位 在 日 本 西 南 外 海 的 南 海 海 槽, 菲 律 宾 海 板 块 (PHS) 俯 冲 到 欧 亚 板 块 (EP) 下 面 ( 插 图 ) 在 日 本 北 部, 太 平 洋 板 块 (PAC) 俯 冲 到 北 美 洲 板 块 (NAP) 下 面 灰 色 箭 头 表 明 板 块 汇 聚 向 量 ( 根 据 Tobin 等 人 的 资 料 修 改, 参 考 文 献 15 ) 油 气 带 内 的 地 质 系 统 和 生 物 系 统 提 供 了 条 件 Chikyu 钻 探 船 既 适 合 无 立 管 钻 井, 也 适 合 立 管 钻 井 该 船 采 用 无 立 管 钻 井 可 在 2500 米 (8200 英 尺 ) 水 下 钻 深 可 达 7000 米 (23000 英 尺 ) JAMSTEC 的 科 研 人 员 认 为 7000 米 水 深 加 上 1000 米 钻 深 对 无 立 管 钻 井 是 一 个 上 限 受 地 层 条 件 和 海 况 的 影 响 作 业 公 司 用 GPS 卫 星 资 料, 水 下 声 波 定 位 系 统, 和 方 位 推 进 器 控 制 船 的 动 态 位 置 Chikyu 船 能 在 表 面 洋 流 高 达 2.1 米 / 秒 (4 节 ), 风 速 高 达 80 千 米 / 小 时 (50 英 里 / 小 时 ), 浪 高 达 4.5 米 (15 英 尺 ) 的 恶 劣 条 件 下 安 全 连 续 钻 井 Chikyu 船 有 一 根 121 米 (397 英 尺 ) 高 的 井 架, 一 套 复 杂 的 钻 杆 处 理 系 统, 配 置 了 液 压 钻 工 和 钻 杆 排 放 系 统, 一 套 钻 井 液 循 环 系 统, 立 管 和 防 喷 器 现 代 化 的 船 上 岩 心 处 理 分 析 设 施 包 括 X 射 线 计 算 机 断 层 扫 描 实 验 室, 微 生 物 实 验 室, 能 够 在 厌 氧 环 境 下 无 污 染 取 样 的 取 样 室, 岩 心 分 割 室, 对 岩 心 进 行 物 理 测 量 的 岩 心 实 验 室, 用 来 测 量 岩 石 古 地 磁 特 征 的 磁 屏 蔽 室, 以 及 用 于 测 井 - 地 震 资 料 处 理, 综 合 及 分 析 的 设 施 基 于 该 船 自 服 役 以 来 多 年 的 经 验, JAMSTEC 的 科 研 人 员 不 断 开 发, 培 育 并 评 估 适 合 Chikyu 船 的 新 技 术 工 程 师 们 引 进 了 一 套 用 于 实 时 监 测 立 管 运 动 的 系 统, 希 望 在 强 海 流 和 超 深 水 下 提 高 立 管 钻 井 作 业 效 率 钻 井 行 业 开 发 了 一 种 高 强 度 钻 杆, 适 用 于 12000 米 (39000 英 尺 ) 的 超 深 水 钻 井 作 业 JAMSTEC 的 工 程 师 们 对 这 种 钻 杆 的 疲 劳 寿 命 进 行 连 续 评 估 工 程 师 正 在 开 发 长 期 井 下 监 测 系 统 (LTBMS) 和 高 级 取 心 技 术, 如 涡 轮 驱 动 取 心 系 统, 边 取 心 边 测 量 系 统 和 高 温 取 心 桶 南 海 海 槽 孕 震 区 试 验 大 型 俯 冲 带 地 震 是 发 生 在 俯 冲 带 的 大 级 别 地 震, 俯 冲 带 的 形 成 是 由 于 地 壳 一 个 板 块 俯 冲 到 另 一 板 块 下 方 形 成 的 位 于 日 本 南 部 的 南 海 海 槽 ( 上 图 ) 就 是 一 个 俯 冲 带 这 是 一 个 不 断 增 加 的 收 敛 边 界, 沿 边 界 沉 积 到 菲 律 宾 海 板 块 上 面 的 沉 积 物 不 断 剥 落, 转 移 到 欧 亚 板 块 上, 形 成 一 个 增 生 棱 柱 体 南 海 海 槽 是 世 界 上 最 活 跃 的 俯 冲 带 之 一, 有 着 1300 年 的 地 震 发 生 史, 常 常 引 发 海 啸 这 也 是 研 究 最 多 的 俯 冲 带 之 一 1944 年 的 Tonankai 大 地 震 (M 8.1 级 ) 和 1946 年 的 Nankaido 大 地 震 (M 8.3 级 ) 仅 仅 是 近 期 发 生 在 该 俯 冲 带 的 两 次 大 地 震 [13] 20 油 田 新 技 术
2 4 6 8 10 C0009 C0002 C0001, 03 C0021, 18 C0006 C0007 C0011 Kumano C0022 C0004,10 C0008 C0012 0 km 10 0 mi 10 ^ NanTroSEIZE 项 目 沿 南 海 海 槽 横 切 面 部 署 的 钻 井 位 置 已 经 计 划 在 C0002,C0009 和 C0010 三 个 井 眼 内 安 装 长 期 监 测 系 统 C006 和 C007 两 个 井 眼 穿 透 了 增 生 棱 柱 的 前 缘 逆 冲 部 分, 与 海 槽 轴 附 近 的 板 块 界 面 滑 脱 构 造 交 叉 工 程 师 计 划 加 深 C0002F 井, 使 井 眼 穿 过 孕 震 区 上 倾 高 点 的 分 枝 断 层 ( 根 据 第 332 号 科 学 考 察 科 研 人 员 资 料 改 编, 参 考 文 献 22 ) 南 海 海 槽 孕 震 区 试 验 (NanTroSEIZE) 是 一 项 多 年 的 海 洋 钻 探 计 划, 由 JAMSTEC 代 表 IODP 实 施, 涉 及 到 多 项 科 学 考 察 内 容, 具 体 执 行 是 来 自 多 个 国 家 的 科 研 人 员 组 成 的 科 研 小 组 该 试 验 的 目 的 是 研 究 俯 冲 带 地 震 的 发 生 根 源, 主 要 目 标 是 了 解 在 某 些 地 震 发 生 过 程 中, 为 什 么 大 陆 板 块 会 向 海 底 大 范 围 延 伸, 导 致 海 啸 发 生 科 研 人 员 希 望 通 过 钻 进 上 板 块, 并 向 下 穿 透 板 块 边 界, 进 入 地 下 大 约 7000 米, 采 集 资 料, 实 现 研 究 目 标 地 震 专 家 正 用 采 集 的 资 料 验 证 一 种 假 说, 即 控 制 从 浅 层 抗 震 蠕 变 区 到 沿 主 板 块 界 面 ( 称 为 滑 脱 构 造 ) 的 深 层 间 歇 性 锁 定 和 同 震 滑 动 区 过 渡 的 机 理 还 有 一 个 大 断 裂 带, 被 称 为 分 枝 断 裂 带, 从 滑 脱 构 造 处 岔 开, 进 入 上 板 块 ( 上 图 ) 12. 关 于 Chikyu 号 船 及 其 技 术 规 格, 请 参 考 : A New Frontier of Earth and Life Science:Deep Sea Drilling Vessel CHIKYU,JAMSTEC: Center for Deep Earth Exploration,http://www.jamstec.go.jp/chikyu/ eng/chikyu/index.html(2014 年 4 月 20 日 浏 览 ) 13. 地 震 学 家 采 用 力 矩 震 级 ( 缩 写 为 Mw 或 M) 区 分 地 震 释 放 的 能 量 大 小 力 矩 震 级 是 上 世 纪 70 年 代 开 始 使 用 的, 启 用 之 后 代 替 了 当 地 里 氏 震 级, 并 纠 正 了 老 办 法 固 有 的 不 足 之 处, 同 时 保 留 了 对 数 震 级 力 矩 震 级 增 加 一 个 单 位, 相 当 于 地 震 释 放 能 量 增 加 大 约 32 倍 关 于 地 震 能 量 测 定 技 术 的 更 多 信 息, 请 参 考 : Measuring the Size of an Earthquake,US Geological Service,Earthquake Hazards Program, http://earthquake.usgs.gov/learn/topics/measure. htm(2014 年 4 月 1 日 浏 览 ) 14. 关 于 第 314 号 科 学 考 察 项 目, 斯 伦 贝 谢 提 供 了 geovision 服 务, 进 行 了 LWD 电 阻 率 测 井 和 自 然 伽 马 测 井, 用 sonicvision 仪 器 测 量 了 地 震 波 传 播 速 度 和 旅 行 时 间, 用 PowerPulse MWD 测 量 了 环 空 压 力,BHA 方 向 和 倾 角, 用 seismicvision 随 钻 测 量 了 层 速 度, 用 adnvision 密 度, 孔 隙 度 和 超 声 波 井 径 仪 随 钻 采 集 了 相 关 测 井 资 料 目 前 还 不 十 分 了 解 如 何 区 分 滑 脱 构 造 和 分 枝 断 裂 带 之 间 的 应 力 状 况, 也 不 清 楚 它 们 在 地 震 和 海 啸 发 生 方 面 起 到 多 大 作 用 为 了 弄 清 楚 这 一 点, 科 研 人 员 开 始 研 究 板 块 边 界 断 层 的 绝 对 力 学 强 度, 以 及 认 为 控 制 断 层 滑 动, 应 力 积 聚 和 应 力 释 放 方 式 的 摩 擦 过 程 和 水 文 变 化 过 程 确 定 断 层 区 域 内 的 应 力 状 态 对 了 解 地 震 能 量 释 放 机 理 非 常 重 要 NanTroSEIZE 项 目 现 在 分 四 个 阶 段 第 一 阶 段, 项 目 组 在 多 个 位 置 进 行 无 立 管 钻 井, 并 采 集 样 本, 用 于 分 析 地 下 构 造 的 地 质 特 征, 为 后 面 的 研 究 阶 段 提 供 地 质 技 术 信 息 第 二 阶 段, 项 目 组 在 孕 震 区 上 面 的 Kumano 盆 地 进 行 立 管 钻 井, 然 后 进 行 无 立 管 钻 井, 采 集 南 海 海 槽 临 海 位 置 的 俯 冲 带 信 息 Chikyu 号 船 安 装 的 第 一 批 观 测 设 施 目 标 是 调 查 浅 层 分 枝 断 层 和 将 来 打 超 深 井 的 位 置 第 三 阶 段, 科 研 人 员 的 重 点 是 钻 进 孕 震 区, 目 标 是 海 底 下 大 约 5200 米 (17000 英 尺 ) 深 处 的 分 枝 断 层, 和 更 深 处 的 板 块 界 面 第 四 阶 段, 科 研 人 员 将 在 超 深 井 中 安 装 长 期 观 测 设 备 目 前,Chikyu 号 船 上 的 调 查 人 员 正 在 纪 伊 半 岛 外 海 井 场 进 行 钻 井 和 监 测 作 业, 所 选 井 位 沿 正 交 于 南 海 海 槽 的 方 向 分 布 地 震 队 收 集 了 在 Kumano 盆 地 和 纪 伊 半 岛 外 海 各 个 时 期 采 集 的 2D 地 震 资 料 2006 年,PGS(Petroleum Geo-Services) 在 该 区 域 进 行 了 3D 地 震 反 射 波 勘 探, 提 供 了 增 生 构 造 的 高 分 辨 图 像 分 析 人 员 用 这 些 地 震 资 料 优 选 了 井 位, 并 确 定 了 复 杂 分 枝 断 裂 区 域 内 的 钻 探 目 标, 在 2007 到 2014 年,IODP 计 划 并 完 成 了 10 项 科 学 考 察, 这 是 NanTroSEIZE 项 目 第 一 第 二 和 第 三 阶 段 的 部 分 工 作 IODP 第 一 阶 段 中 部 分 科 学 考 察 项 目, 第 314 号, 第 315 号 和 第 316 号, 于 2007 年 到 2008 年 完 成 Chikyu 号 船 作 业 队 在 沿 地 震 横 切 方 向 布 置 的 几 个 井 位 通 过 无 立 管 钻 井 方 式 完 成 了 钻 井 和 取 心 工 作 他 们 采 集 了 进 入 四 国 盆 地 的 沉 积 物 样 本, 海 槽 朝 海 方 向 上 的 下 伏 洋 壳 样 本, 海 槽 附 近 增 生 棱 柱 根 部 前 缘 逆 冲 推 覆 断 层 系 统 的 样 本, 海 槽 朝 陆 方 向 上 的 中 棱 柱 分 枝 断 层 系 统 的 样 本, 以 及 熊 野 弧 前 盆 地 中 的 样 本 在 科 学 考 察 初 期, 科 研 人 员 完 成 了 两 项 壮 举 : 他 们 钻 了 最 深 的 井 眼 海 底 下 深 达 1401 米 (4596 英 尺 ) 达 到 了 海 洋 科 研 钻 井 史 上 的 最 高 纪 录, 同 时 完 成 了 随 钻 测 井, 并 首 次 穿 透 了 南 海 海 槽 边 缘 分 枝 逆 冲 断 层 系 统 科 研 人 员 认 为 这 个 区 域 与 海 啸 发 生 有 关 [14] 司 钻 还 打 算 在 两 个 井 位 钻 1000 米 深 的 井 眼, 这 两 个 井 位 是 计 划 后 期 深 穿 孕 震 区 断 层 的 位 置 参 加 海 洋 钻 探 项 目 的 研 究 人 员 从 以 往 经 验 中 认 识 到, 在 板 块 汇 聚 边 缘, 即 不 稳 定 地 层, 例 如 那 些 出 现 在 增 生 棱 柱 中 的 地 层, 进 行 随 钻 测 井 是 获 得 高 质 量 测 井 资 料 的 最 佳 方 法 利 用 LWD 资 料 和 岩 心 分 析 2014 年 夏 季 刊 21
σ Hmax σ Hmin Borehole breakout MPa 0 150 N 0 C0002 C0001 C0004 C0006 S N N S N N S N N S N 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 ^ 井 筒 应 力 指 示 受 到 水 平 压 应 力 的 井 筒 可 能 会 发 生 井 壁 崩 落 ( 根 据 Zoback 等 人 的 资 料 改 编, 参 考 文 献 15) 在 C0002,C0001,C0004 和 C0006 四 口 井 ( 下 图 ) 中, 用 近 钻 头 随 钻 成 像 仪 记 录 了 资 料, 垂 直 方 向 上 成 对 出 现 的 深 色 波 段 表 示 发 生 了 井 壁 崩 落 地 质 学 家 对 井 壁 碰 落 方 向 进 行 解 释, 以 得 到 平 均 σhmax 方 位 ( 根 据 Tobin 等 人 的 资 料 改 编, 参 考 文 献 15) 结 果, 科 研 人 员 成 功 记 录 了 增 生 复 合 体 及 其 断 裂 系 统 的 构 造 岩 性 年 代 物 理 属 性 和 应 力 状 态 ( 上 图 ) [15] 在 孕 震 带 上 面, 增 生 棱 柱 内 部 和 分 枝 断 层 上 面 的 逆 冲 岩 席 内, 不 同 位 置 上 的 应 力 条 件 是 不 同 的 ( 下 一 页 图 ) [16] 通 过 第 一 阶 段 的 作 业, 为 后 面 采 用 立 管 钻 井 方 法 钻 进 孕 震 带 做 好 了 必 要 的 前 期 准 备 2009 年 到 2010 年, 进 行 了 IODP 第 319,322,332 和 333 号 科 学 考 察 项 目, 它 们 是 第 二 阶 段 科 研 计 划 的 一 部 分 在 执 行 上 述 项 目 期 间,Chikyu 号 船 工 作 人 员 完 成 了 海 洋 科 学 钻 探 计 划 的 首 批 立 管 钻 探 作 业 科 研 人 员 采 集 了 岩 性 识 别 资 料, 井 眼 成 像 资 料, 环 境 特 征 资 料, 进 行 了 地 层 评 价 和 固 井 效 果 评 价 测 井 工 程 师 们 完 成 了 LWD,MWD 和 电 缆 测 井, 评 估 了 井 况, 确 定 了 孕 震 带 以 上 Kumano 盆 地 内 和 下 伏 增 生 棱 柱 内 的 沉 积 覆 盖 层 的 地 层 特 征 [17] 由 于 采 用 了 立 管 作 业, 测 井 工 程 师 能 够 采 集 各 种 电 缆 测 井 资 料, 它 们 对 科 学 钻 探 来 说 是 新 资 料, 例 如 用 FMI 全 井 地 层 微 成 像 仪 采 集 电 阻 率 成 像 资 料, 用 MDT 模 块 式 地 层 动 态 测 试 器 进 行 测 量 [18] 由 于 上 述 测 井 仪 尺 寸 都 比 较 大, 因 此 无 法 通 过 无 立 管 钻 杆 进 行 部 署 测 井 工 程 师 部 署 了 VSI 多 功 能 地 震 成 像 仪, 提 升 电 缆 地 震 作 业 能 力 勘 探 内 容 包 括 零 偏 VSP( 垂 直 地 震 剖 面 ), Walkaway VSP( 地 面 变 井 源 激 发, 井 中 接 收 的 井 筒 勘 探 技 术 ), 直 线 VSP( 测 线 长 55 公 里 ) 和 径 向 VSP( 半 径 3.5 公 里 ( 2.2 英 里 )) [19] 采 用 斯 伦 贝 谢 井 下 地 震 工 具, 结 合 采 集 软 件, 以 及 震 源 控 制 和 导 航 系 统, 完 成 了 资 料 采 集 Kairei 震 源 船 上 的 JAMSTEC 人 员 部 署 了 高 达 128000 立 22 油 田 新 技 术