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世界石油工业未来技术发展盘点-【zixun】

发布时间:2021-10-12 17:15:59 阅读: 来源:冰箱厂家

世界石油工业未来技术发展盘点

世界石油工业当今和未来的主要业务,是在持续提高常规油气的发现率和采收率的同时,高效勘探开发深层超深层、非常规、深水超深水、北极等油气资源,发展安全、低碳、环保技术,开发新能源及可再生能源。

石油工业的技术发展主要是受业务驱动,同时IT、通讯、生物、医学、材料、航天、军事等高新技术产业的技术突破或革命对石油工业的技术发展也有很大的推动作用。为更好地发展这些业务,迫切需要超前储备一批技术。

中国石油集团经济技术研究院科技研究所长期跟踪研究世界石油工业超前储备技术,截至目前共跟踪监测到超前储备技术大约100项,本文按照创新性、重要性、可行性等原则从中筛选出对未来世界石油工业有重大影响的技术18项,并加以简要介绍,以期对推动我国石油工业技术储备有所裨益。

1 无机成因深层油气补给理论

地球深部的油气资源比全部沉积盖层中的原始总资源量大许多倍

2012年,俄罗斯地学专家撰文《石油储量能否再生?》,提出基于无机生油成因的油气资源深层石油补给理论,认为罗马什金油田用现有采油技术可以开采到2065年,采用新一代提高采收率技术可以延长到2200年,而依据深层石油补给理论,开采时间将可延长数百年。已开采50年之久的乌克兰谢别林卡大气田,上世纪70年代达到高峰年产量310亿立方米,高峰期后多次对气田原始储量进行核实,天然气资源不但没有枯竭,目前几乎增长了一倍,成为深层油气补给理论的有力证明。一些学者认为,地球深部的油气资源将比地球全部沉积盖层中的原始总资源量大许多倍。美国地质学家普拉特断言,美国油气勘探的巨大成就完全是应用新思想的结果,勘探工作者往往在老概念认为不可能有油的地方发现石油。

2 无水压裂技术

用丙烷混合物替代水进行压裂获增产技术创新奖

为了解决页岩气开发的用水问题,业界正积极研发无水压裂技术,目前已经崭露头角的有以下几种:液化石油气压裂(图①)是用丙烷混合物替代水进行压裂,将丙烷压缩到凝胶状态,与支撑剂一起压入地层,该技术获2012年《勘探与生产》杂志评选的增产技术创新奖;深冷压裂是指将温度极低的液态氮或液态二氧化碳注入井底,利用温差导致的应力产生裂缝并使裂缝扩张;推进剂压裂是把一种固体燃料和氧化剂的混合物注入地层,点火产生大量气体使地层压力变大,从而压裂岩石;另外还有超临界二氧化碳压裂以及酸性矿山排水压裂技术。

3 新一代二氧化碳提高采收率技术

采收率将从目前的33%提高到60%以上甚至80%以上

在美国能源部的资助下,美国先进资源国际(ARI)和美国国家能源实验室(NETL)正致力于新一代二氧化碳提高采收率(CO2-EOR)技术的研究,经模拟评估,油田采收率将从目前的33%提高到60%以上,在一些地质条件适宜的油藏中,采收率甚至可达到80%以上。

近混相CO2驱的驱油机理(图②)是降黏、原油膨胀、低界面张力,全球许多由于受原油性质和储层条件限制而无法实现混相的油田适用近混相二氧化碳驱技术;残余油区CO2-EOR技术已证实可行,但尚需解决一系列技术问题;海洋CO2-EOR技术适用于全球很多海上埋藏较深且富含轻质原油的油田,但目前在海上部署CO2驱还面临许多技术障碍和经济挑战。

4 海底油气处理工艺技术

海底分离器能提高深水项目的经济性和降低开发风险

海底油气处理工艺技术主要包括多相增压泵、多相计量仪、海底分离器、海底产出水处理装置等,能降低对水合物的敏感性,减少开发投入。

海底多相增压泵用于向海底管道流体提供长距离输送的动力,可以输送多相流体,也可以用于气体的采收。海底分离器可以在海底进行油气水分离,从而避免将大量的水举升到海面生产装置,既可以降低举升成本,提高甲板上水处理能力和经济性,也能够提高深水项目的经济性和降低开发风险。海底产出水处理装置能够实现将产出水处理后进行重注。多相计量仪能够实现对产出的水、气、油进行多项测量。展望未来,海底油气处理工艺技术的发展方向是:作业水深更大,处理能力更大,多功能化,集成化,自动化、更加经济、可靠、安全。

5 陆上百万道地震采集技术

新一代地震采集系统能接收超低频信息,改善成像质量

地震勘探逐渐向着更高密度、更多道数发展,尤其陆上地震勘探,开发百万道陆上地震采集系统,实现大道数地震数据采集是未来的重大目标。要实现百万道数据采集,就要提高带道能力,单分量采集需达到30~5万道甚至更高。目前正在研发的新一代超灵敏惯性MEMS加速度计平台,将在一个平面芯片上整合三轴惯性传感器和陀螺仪,体积更小,灵敏度更高,成本更低,动态范围达130dB,预计将比普通MEMS加速度计敏感1000倍以上。新一代地震采集系统采用先进的惯性传感技术,能够接收低于2赫兹的超低频信息,是一套无缆、超灵敏、百万信道的传感器系统,布设灵活,具有更大带道能力,将促进高密度、宽频采集技术的发展,从而推动陆地地震勘探数据质量的飞跃,改善复杂环境、复杂地质目标的成像质量。

6 海底节点地震采集技术

低成本节点系统将推动海底节点地震数据采集技术突破

近几年,海底节点地震勘探进入海洋地震勘探领域,但由于成本太高,后勤保障困难,冰下数据采集更是困难甚至无法实现,因此海底节点采集技术尚未实现大规模应用。因此,若研发成功低能耗自动节点采集装备及技术,将推动海底地震勘探取得重大突破。

海底节点采集装备与技术能够实现全方位数据采集,但在数据处理和成像方面仍面临一些挑战。壳牌公司正在研发的新一代节点系统采用惯性传感器及自动推进式运载工具,目的是大大提高操作效率、降低成本,并且增加节点的密度。这种低成本节点系统将推动海底节点地震数据采集技术取得重大突破,加快其规模化应用进程。随着装备与技术的不断进步,海底节点地震采集技术具有良好的应用前景。

7 波动方程叠前偏移成像技术

已在墨西哥湾、巴西海上应用,有效提高了盐下和盐丘两翼构造成像

波动方程叠前深度偏移是复杂构造成像的有效手段,基于波动方程的逆时偏移成像技术是一种无算子逼近的波动方程偏移技术,理论上无倾角限制,可以成像回转波、多次波、棱镜波、散射波等各种体波,能够使用偏移校正所有地质倾斜,包括超过70度的倾斜和垂直倾斜,并获得更精确的振幅等动力学信息,具有良好的保幅性,实现保幅成像。相对于其他偏移方法,逆时偏移技术采用双程波动方程,避免了对波动方程的近似,基于时间逆时外推对波场进行重构,可以对复杂速度场进行更细化、更精确的估计。目前逆时偏移技术已在墨西哥湾、巴西海上等多个项目中应用,有效提高了盐下和盐丘两翼构造成像。地震成像技术的目标是实现全弹性波成像,原则上逆时偏移技术是实现全波场、保幅成像的最佳方法。

8 井下流体实验室

可以在地层条件下实时测量流体性质,了解油藏

井下流体实验室(图③)是指模块式动态地层测试器中的流体分析器,可以在地层条件下实时测量流体性质,深入了解流体及油藏的复杂性,了解油藏的分隔与连通情况,解决在样品采集、回收和运输期间流体混合或发生变化而导致关键信息缺失或延误生产决策等一系列问题,协助完成井位部署、开发方案制定、完井策略和地面设施设计。

井下流体实验室利用声、光、电、核磁共振等一系列传感器获取流体性质,烃类物质测量的基础是基于可见光和近红外光的光谱仪,利用流体的光吸收性质以及不同材料的光散射性质识别流体组分,计算气油比、相对沥青含量和水含量等。

井下流体分析的发展方向主要是实现随钻井下流体分析以及研发新的测量方法。随着这项技术的进一步发展与完善,预计将来还会出现井下岩石物理实验室、井下岩石力学实验室以及井下生产动态实验室,从而全面提高油气勘探与开采效率,降低作业风险与成本。

9 油藏纳米传感器

大小不足人类发丝直径的1/1000,随注入水进入油藏

油藏纳米传感器是一种了解井间基质、裂缝和流体性质以及与油气生产相关变化的全新技术,突破了现有测井和物探技术在探测范围或分辨率上的限制,对发现和开采当前存储于地下大量的剩余油具有重要作用。

油藏纳米传感器是能够在纳米空间进行操作的功能分子器件,大小不足人类发丝直径的1/1000,随着注入水进入油藏,在地下旅行期间探测岩石及所含流体的性质。测量的垂直分辨率高于测井和岩心分析,探测范围介于测井与地震勘探之间,非常有助于油藏描述,可应用于辅助圈定油藏范围、绘制裂缝和断层图形、识别和确定高渗通道、识别油藏中被遗漏的油气、优化井位设计以及建立更有效的地质模型等。

目前从事油藏纳米传感器研究的机构主要有沙特阿美石油公司和先进能源财团。一些科学家认为,油藏纳米传感器前景非常广阔,可以提供近乎无限的可能性,有助于提高油气产量和延长油气田开采期限。

10 连续起下钻和连续循环钻机

作业过程全自动,钻井周期有望缩短20%以上

连续起下钻及连续循环钻机(CMR钻机,图④)能够完成常规钻杆的连续、快速起下钻,以及常规套管的连续、快速下套管作业,并实现连续循环和连续钻进,目前正由挪威油井系统技术集团开展研发。CMR钻机的主要部件包括:双井架,设计紧凑,合二为一,看上去像一个井架;两个井架机器人;两套提升系统,配备顶驱和自动上卸扣装置,提升能力最高达750吨;两套自动管子操作设备。CMR钻机井架高,可排放的钻杆立柱为:二类钻杆四单根一立柱,三类钻杆三单根一立柱,设计最大起下钻速度1800~3600米/小时,设计最大下套管速度900米/小时。钻井作业过程全自动,无需钻台工和井架工,钻井周期有望缩短20%以上。CMR钻机有望成为钻机技术的一次重大突破,若与海洋双作业钻机的功能集成,将产生一种新型海洋钻机——CMR双作业钻机,进一步提高海洋钻井效率。

11 井下材料、工具和仪器不断突破高温高压极限

未来将有更多航空材料用于井下工具和管材

美国能源部正在实施“深井技术开发计划”中的“地热技术开发计划”,主要任务之一就是攻克高温高压瓶颈。在电子器件方面,陶瓷多芯片组件的应用已使石英压力计突破210℃/200兆帕的极限,硅绝缘技术的应用使电子芯片可在300℃高温下连续工作1000余小时。哈里伯顿公司已推出耐温230℃的随钻测量和随钻测井工具,以及耐温300℃的涡轮钻具,正在研发的井下冷却技术、真空隔热技术、变频冷却技术也将使井下工具的抗温能力大幅提升。贝克休斯公司正在研发耐温300℃、适合1万米井深的钻头、导向泥浆马达、钻井液及其配套固控设备。

在井下工作液方面,甲酸盐钻井液、聚合醇钻井液、硅酸盐钻井液等新型钻井液已在230℃井中获得成功应用。在井筒完整性方面,已研制成功的弹性聚合物外加剂、粒度分布、微钢带等新技术,将提高水泥石的耐温能力和固井质量。密封技术方面,纤维增强氟橡胶、金属-金属密封等密封材料已在270℃地热井和340℃/100兆帕的高温高压环境下保持稳定。在材料科学方面,未来将有更多航空材料用于井下工具和管材,大幅提升其抗压、抗腐蚀能力。

12 二开一趟钻完钻——水平井钻井新趋势

用一套钻井组合完成全部钻井作业

所谓二开一趟钻完钻是指表层套管固井后,用一套钻井组合完成全部钻井作业(如是水平井,则包括钻直井段、造斜井段和水平井段),然后下生产套管。在美国页岩气开发中,如能实现二开一趟钻完钻,则可减少起下钻次数,免下技术套管,缩短钻井期间,降低钻井成本。为减少靶前距和增加水平段长度,斯伦贝谢和贝克休斯相继推出了高造斜率旋转导向钻井系统,分别是PowerDrive Archer系统(图⑤)和AutoTrak Curve系统(图⑥),最大造斜能力高达15度/30米,既能钻直井,又能钻造斜井段和水平井段,自应用以来,提速降本效果显著。

随着钻头、钻井液和旋转导向钻井等技术的进步以及自动控压钻井等先进技术的集成应用,水平井钻井效率将进一步提升,水平井二开一趟钻完钻将成为新趋势。同时发展大位移丛式水平井组,平均水平段长度有望在几年内突破5000米,以提高产量、减少井场数量、保护环境。

13 钻井自动化、智能化

标志是自动化钻机和旋转导向钻井系统

钻井自动化包括地面自动化和井下自动化,前者主要指钻机自动化,后者主要指井下自动钻井系统,两个最重大的标志是自动化钻机和旋转导向钻井系统。挪威机器人钻井系统公司正与美国国家航空航天局合作研发无人钻机——机器人钻井系统,预计20年后钻井有望进入全自动钻井和智能钻井阶段,它主要由全自动钻机(智能钻机)和井下智能钻井系统组成,而且地面自动化和井下自动化作为一个整体进行大闭环控制。全自动钻机或智能钻机具有双作业、连续起下钻、连续循环、连续起下钻和连续下套管、自动控压钻井等功能。

未来的智能钻井是未来数据油田的重要组成部分,将大幅度减少现场作业人员,显著提高钻井效率和安全性,简化井身结构,缩短钻井周期。在远程控制技术的支持下,有望实现无人钻井,钻井专家只需身处公司总部或地区中心的监控室里就可对钻井全过程进行远程监控,从而充分发挥总部专家团队的作用,避免安全隐患。无人钻井将首先应用于深水超深水、北极、沙漠等恶劣的工作环境,给钻井带来一次深刻的革命。

14云计算推动石油工业技术发展

为决策提供战略数据支持,借助高性能计算实现最佳勘探效益,大幅度削减管道运营费用

在国际著名市场研究机构Gartner评选的2011年最具战略意义的十大技术中,云计算位居榜首。在石油企业信息管理方面,云计算有利于石油企业对各油田、各区块、各单位的信息进行有效统一的管理和多级备份,充分发挥数据管理主导作用,进而为决策者提供动态、及时、全面的战略数据支持;石油勘探、油藏动态模拟等领域计算量巨大,地震勘探过程中一般二维数据可达1~2TB,三维数据更是高达几百TB甚至PB级,然后对采集到的海量数据进行大量密集计算和模拟,为确定井位和制定开发方案提供依据。这些海量数据的处理只有借助高性能计算才能实现最佳的勘探效益,云计算可以充分发挥其并行计算的能力,通过服务器将任务分解,达到分布式计算的效能,提高计算效率;在油气管道工业,基于云计算的代表性技术ViSiVi(virtual-site-visits),是获得管道工业协会奖的在线数据管理和集成工具,可在线获取图像信息,提高管道选线和决策效率,基于云计算的SCADA系统改进了管道运行可靠性,可大幅度削减管道运营费用,SCADA系统连接到云服务器上,操作者可以远程观看、记录和获取数据。

15 悬浮床加氢裂化技术

将在应对原油劣质化、重油深度加工等方面发挥重要作用

悬浮床加氢工艺是劣质重油/渣油在氢气、催化剂存在的条件下,进行以加氢裂化反应为主的过程,主要目的是将渣油转化为轻质馏分油,兼有热加工和加氢两种工艺的特点。

该工艺将分散得很细的催化剂或添加物与原料油及氢气一起通过反应器进行转化。反应器为管式空筒结构,内部可以设置简单的档板。少量催化剂或添加剂以细粉颗粒形式悬浮在反应物料中呈三相(气、液、固)浆液床。此过程以热反应为主,催化剂和氢气的存在主要是抑制胶质和沥青质的缩合生焦反应,另一方面也在一定程度上促进加氢脱硫反应。

同时,催化剂或添加物的存在,还会成为沉积焦炭的载体,可很大程度地减少反应器壁的结焦。悬浮床加氢的工艺比较简单,对高金属、高残炭的劣质渣油具有良好的适应性,可在基本不生焦的前提下实现渣油深度轻质化,具有转化率及脱金属率高、空速大、无床层堵塞等特点。如果悬浮床加氢裂化技术成功实现大规模工业化,将在应对原油劣质化趋势加剧、重油深度加工能力扩大等方面发挥重要作用,对整个炼油业有着里程碑的意义。

16 超临界溶剂脱沥青组合工艺

可得到重金属含量和残炭值较低的脱沥青油,是一条比较有利的重质油加工路线

超临界溶剂脱沥青组合工艺是指重质油经过超临界溶剂脱沥青可得到重金属含量和残炭值较低的脱沥青油,这些脱沥青油根据脱沥青深度的不同可作为催化裂化工艺或加氢裂化工艺的原料。相比以焦化过程为先导和以加氢处理为先导的组合工艺,超临界溶剂脱沥青组合工艺具有投资利润率高、经济效益好的特点,是一条比较有利的重质油加工路线。

中国石油大学(北京)开发了沥青质选择性萃取工艺,并建设了世界首套重油梯级分离工业示范装置,但由于工程上的原因,这一流程迄今尚未实现工业化,尤其是在涉及工程应用方面的重要工艺参数的选择和优化,重质油残渣的分离等缺乏相关技术的支持,还需要进行深入、系统的研究。预计随着工程问题的解决,超临界溶剂脱沥青技术将在重油加工中得到广泛应用。

17 生物乙醇制乙烯

发展方向是探索以非粮原料生产低成本生物乙醇的生产路线

生物乙醇制乙烯是指以大宗可再生的生物质为原料,通过微生物发酵得到乙醇,进而在催化剂作用下脱水生成乙烯。生物乙醇制乙烯原料来源广泛,生物乙醇可用淀粉、糖类、纤维素等多种原料生产;反应条件相对温和,一般在200℃~300℃(对比石脑油裂解温度800℃左右);工艺设备简单,乙醇脱水制乙烯的工艺为乙醇→预热→反应,产物便于进行提纯、精制;能耗降低20%左右,所需设备减少1/10。目前生物乙醇制乙烯技术已初步具备工业化生产条件,只是在催化剂制备、反应条件优化和反应器设计方面尚显不足。今后生物乙醇制乙烯技术的主要发展方向是:探索以非粮原料生产低成本生物乙醇的生产路线;研发低浓度、多杂质的生物乙醇作为原料的催化剂、最佳反应条件以及反应器的设计和工业放大,从而降低生产成本。

18 制备宽/双峰聚乙烯的复合催化剂

很好解决了聚乙烯树脂可加工性和强度之间的矛盾

宽/双峰相对分子质量分布的聚乙烯既含有高相对分子质量组分,又含有低相对分子质量组分。其中,高相对分子质量组分可以提供制品的强度,而低相对分子质量组分则可以起到润滑剂的作用。宽/双峰聚乙烯很好地解决了聚乙烯树脂可加工性和强度之间的矛盾。采用复合催化剂的关键是要注意三个问题:一是催化剂之间相互反应的问题;二是助催化剂之间相互干扰的问题;三是两种催化剂动力学平衡的问题。目前,宽/双峰聚烯烃是全球聚烯烃合成与应用的研究热点,其消费量及新建装置在不断增加,所以加快双峰聚乙烯催化剂及生产工艺的研究开发,顺应了聚烯烃技术的发展方向。复合催化剂在制备宽/双峰聚乙烯时,选用的催化剂需在氢调响应、共聚性能上有较大的区别,这样才可在同一反应组分中生产宽/双峰聚乙烯。随着研发的深入,用于制备支链反向分布的宽/双峰聚乙烯的茂金属/茂金属复合催化剂、茂金属/后过渡金属复合催化剂、后过渡金属/后过渡金属复合催化剂逐渐成为热点。  

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