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能源服务革新： 改变北美大陆的油气供应
能源服务革新： 改变北美大陆的油气供应 领导人寄语 近年来，上游石油服务在油气领域的地位日益凸显。这是由 于对更好的技术、各种高度专业产品和所有领域持续改善有 着广泛的需求，且在加拿大和美国难以获得非传统油气所带 来的挑战更是增加了此需求。 这些资源的一部分已经为人知晓多 年，但是试图利用这些资源进行生 产，所得的结果，即便从最好的角度 来看，也是喜忧参半。之后，20世纪 80年代和90年代涌现的颠覆性技术使 得利用这些非传统资源生产油气成为 可能。 1. 通过附加的组件及其他增强功能， 改进水平钻井系统，以更好地进入 难以获取的油气储量。 进入21世纪，这种趋势被逆转了。近 十多年来，领先的油气生产商公司加 倍增加研发经费，2004年超过了25亿 美元，2013年超过了50亿美元。 油气领域的其他重要趋势也在2000年 左右显现： 2. 采用新型水力压裂法和技术释放先 前搁浅的油气。 • 新型经济传统油气资源日渐匮乏。 3. 3D地震探测实现了地下油气储量绘 制技术的一次飞跃。 • 每桶石油价格呈现阶段性变化，从 15美元至25美元的范围变成从80美 元到100美元的范围。 为满足日益复杂的作业相关需求，服 务业企业开始向超过它们传统的相对 直接的经营（如钻井和封井）转型。 能源服务改革 同时，面对20世纪80年代晚期和整个 20世纪90年代原油价格低廉的问题， 主要国际石油公司的研发经费有所减 少。 • 全球的石油领域快速进入向极具挑 战性和复杂的地区开发，如北极、 深水区、油砂和致密油及页岩。 “ 由于油价降低，工业技术预计将从利用技术扩大 除了亚伯塔的油砂外，凭借前述三大领域的 技术突破，近十多年来，致密油和页岩气在 加拿大和美国的生产呈现指数增长。加拿大 的上游油气服务已经成为此次致密油和页岩 气革命的重要组成部分。 在准备这份报告的过程中，我们访问了一些 来自各地参与上游油气服务领域的关键人 员，包括来自诸如加拿大能源服务和技术公 司、Ensign Energy Services Inc、Anton Energy Services Corp、通用电气(GE)、Packers Plus Energy Services Inc.、以及 Trican Well Service Ltd等的高管。 生产转变为利用技术帮助公司更有效地经营公司 以应对全球竞争。 ” 我们同他们以及其他公司的访谈以及录音记 录描述了一个行业发出的创新承诺。总的 说来，此报告的各个部分阐述了加拿大上游 服务领域的创新是如何促使技术变革应运而 生，从而得以继续满足一个洲的油气供应， 使服务公司、其客户以及整个经济一同受 益。 我们相信这份报告阐释了行动中所应用的原 理，以及油价降低如何促使能源领域的技术 需求发生变化。 技术革新： • 提高效率、减少失误，支持公司的成长和 收益。 • 为客户面临的挑战提供应对方案。 Reynold Tetzlaff • 获取服务、产品和系统的出口收益。 国家能源部领导人 • 刺激副产品领域和其他新领域问世。 加拿大 普华永道 目录 02 04 12 15 18 页岩气和致密油的革新： 颠覆性技术开启尘封的资源 水平定向钻井和多级水力压裂的影响 服务行业的革新造就了今天的钻井和 完井技术 中小型企业开始行动 支撑剂行业的兴起 19 20 22 24 期待以较古老的技术解决新的挑战 推动更好的数据分析和计算需求 继续追求突破性技术 未来的技术 改变北美大陆的油气供应 1 页岩气和致密油的革新： 颠覆性技术开启尘封的资源 2 1. 水平定向钻井 2.多级水力压裂 3.更强大的计算处理和更有针 对性的软件 直至15年前，垂直定向钻进是广为采用 的钻井方式。然而30多年前开发的井下 动力钻具使今天的水平定向钻井成为可 能。水平定向钻井是水平钻井的一种， 距离钻井口的垂直线超过约80度。在注 入井下泥浆的驱使下，这些可以在井底 旋转钻头，而无需使整个钻柱旋转，且 可以帮助作业人员将钻头控制在指定的 方向。近年来，全球定位和现金的传感 技术、平衡器和专业钻头的出现，使得 水平定向钻井成为变革洲油气领域的技 术之一。然而、这些占据先锋地位的技 术会首先试水高成本高风险的海洋钻探 环境中。Ensign Energy Services Inc.的 总裁和首席运营官 Robert Geddes说道： “我们现在正准备开始将该技术用于陆 地。在返回陆地之前，顶部钻探和水平 钻井事离岸作业的重要组成部分。” 水力压裂法或压裂法最初在20世纪40年 代使用。今天，普遍采用的是沿水平钻 井的横截面的多级水力压裂法。这包括 高压下注入水沙，加上一些化学物质、 而后形成水力压裂。因此，地下岩石是 成碎片的，为天然油气流入水平井身创 造了通道。一般地，当技术首次用于垂 直钻井时，仅沿着产油层的井底进行水 力压裂作业。同时，早期的水平线只沿 着横向扩展的井底进行一次或两次水力 压裂作业。今天、在使用多级水力压裂 法时，可以沿着井底的水平截面进行按 照指定时间间隔进行30、40甚至更多次 水力压裂作业。 页岩气和致密油革新中的第三大技术支 柱就是今天更为强大的计算处理能力和 更有针对性的软件，而且其地位愈来愈 重要。得益于该技术，从地质构造的3D 地震定测法和地层分析到生产曲线的参 照分析，涵盖作业方法和一系列构造特 点。用于信息技术的投资额有望用于提 高效率、增加收益，而这对将来实现更 高成本生产区域的成功至关重要。 能源服务改革 页岩气和致密油的革 新起源: George Mitchell的迫 在眉睫的天然气生产 问题 当 George Mitchell，一名立足休斯顿的 独立生产人意识到他即将由于产量下降 而遭遇交付所约定的天然气产量的困境 时，就下定决心要开启生产非传统油气 之路。 于 是 ， 在 20世 纪 80年 代 ， 他 的 公 司 Mitchell Energy & Development Corp.便 着手在德克萨斯的巴奈特页岩通过水力 压裂法进行试验。尽管有美国政府和一 些国有—私人联合企业的支持和帮助， 然而没有人找到开拓巴奈特的关键。最 终，历经15年奋战后，在美国能源部、 美国天然气研究所、地质学家和服务业 专家的帮助下，Mitchell实现了技术突 破，就是众所周知的松砂压裂，从而得 以通过经济的方式从Barnett生产天然 气。 随后，在2001年，Devon Energy 的高 管 意 识 到 若 干 年 前 错 失 收 购 Mitchell Energy公司的另一个独立生产人将对巴 奈特的天然气供应造成一场风波。次 年，Devon以35亿收购了Mitchell Energy 公司。 水平定向钻井：一项复杂技术的80年改革 现代水平定向钻井技术在20世纪80年代问 世。之后，在20世纪90年代，随着先前若 隐若现的传统油气危机日渐凸显，由于渴 望产生更好的技术以应对较难获得的非传 统资源的难题，一系列改进措施的研发步 伐加快了。 自20世纪20年代以来，水平定向钻井就已 经成为产业的一部分了，至今依然如此： 在不同角度钻井，以更好地获得和生产在 水平延伸的含油气地层发现的油气存储。 • 今天，“行走钻机”技术可以在60秒内 最多将1200万磅重的全负荷大型钻机 移动一米。 同时，垫块钻井也节约了不少时间，减少 了每桶石油产量的资本成本。这在成本由 700万加元的成本变成1,000万加元后，油 井尚不能总是获取利润的情况下是非常重 要的，包括将60%或以上的资本用于完成 多级压裂上。持续进行的技术领先创新将 更适用于瞬息万变的钻井环境中。 水平定向钻井的一大优势在于其允许从同 一个垂直钻井孔或者同一小块土地上开发 多个水平钻井。在20世纪90年代晚期之 前，加拿大或美国的为数不多的钻井成本 达一百万美元以上。自2005年起，钻井 成本急剧下降，这是创新竞争所引发的局 面，我们也因此看到科学技术突飞猛进， 节约了生产时间、成本和资源： • 在发明垫块钻井之前，钻井者想要在钻 井后拆卸钻井设备，搬到另一个地方。 一般需要花费两天时间拆卸钻井设备， 花费一天时间移动钻井设备，或者三天 时间安装钻机。 • 然而，垫块钻井只需要将钻井设备挪动 几米，在开始钻探另一口井之前几乎不 需要拆卸钻井设备。 “ 当我看到服务业推动的创新改革时，我想说水平定向钻井 和多级水力压裂甚是关键，它们对我们行业产生的影响无 可匹敌。 ” Dan Themig：Packers Plus Energy Services Inc. 总裁和首席执行官 改变北美大陆的油气供应 3 水平定向钻井和多级水力压裂的影响 今天，水平定向钻井技术更为先进，可以在任何产油层获取油气。与此同时，凭 借日益精密的多级水力压裂技术，可以沿着钻井的水平截面获取油气。这是北美 大陆油气供应史上一次华丽的变革。 两大主要影响: 1 美国是世界第三大石油生产国，自 2008年以来，其日均石油产量已经 超过了50%以上。2013年，日均产 油量增至740万桶、截至2014年10月，日均 产油量增至900万桶。美国产油量在1970年 达到顶峰，日均960万桶，到2008年跌落， 当时日均产油量仅500万桶。 2 加拿大是世界第五大天然气生产 国。连续11年日均天然气产量下降 后，在2013年轻微反弹，增至平均 每天141亿立方尺，较2012年的140亿立方 尺有所增长。2014年日均天然气产量计划 达到143亿立方尺。 美国—世界第三大 石油生产国 加拿大 —世界第五大天然气 生产国 日均产油量（百万桶/天） 日均天然气产量（10亿英尺/天） 1970 9.6 2013 2008 十月 2014 7.4 9.0 5.0 2001 4 能源服务改革 2014 14.3 2013 14.1 14.0 2012 Photo provided courtesy of Ensign Energy 两国实现转变的关键在于采用水平定向钻井 和多级水平压裂技术。 Photo provided courtesy of Packers Plus Energy Services Inc. 如同许多其他北美的许多其他油气生产区域， 今天亚伯达省的水平钻井数量超过了传统垂直 钻井数量的，超过达25%及以上。相比20年 前，当时几乎只有1%的油井采用水平钻井技 术。这有力地证明了变革自此产生。 改变北美大陆的油气供应 5 油气区 以下即为页岩气和致密油油气区，反映了水平定向钻井和多级水力压裂法促进 的油气产量增长。 Bakken的故事 北达科塔仅用短短是年多的时间将成为石油储藏丰富的 地区。Bakken也占据了萨斯克彻温、马尼托巴湖和蒙大 拿地下的次表面地区。 2006年，Bakken可能只采用一级水力压裂。除了增加压 裂层级外，生产和服务公司使用压裂定序和各种其他办 法让石油更好地流动。今天，在Bakken的公司多数已经 采用油井横截面40多级水力压裂法。层级越高，完成钻 井的总成本就会增加，却也能增加产量，提高油井的经 济效益。 “ 继水平定向钻井后，横截面多级水力压 裂成为第二大完井装置技术，对全世界 油气领域具有深远的影响。 ” Dan Themig：Packers Plus Energy Services Inc. 总裁和首席执行官 Packers Plus Energy Services Inc. 早在十多年前就 引进了开孔完井装置技术，是这一技术革命领 域的重要参与者。 Bakken油产量 1951 1991 在Bakken发 现石油 2000 2005 达到日 均产油量 日均产油量 日均产油量 13,171桶 2,000桶 ， 3,902桶 引起关注 的顶峰 6 能源服务改革 x2 2010 水平钻井 日均产油量 274,000桶， 约占产量的 90% 2011 日均产油量 470,000桶； Bakken对当地 管道输送能力产 生压力 2014 日均产油量达 １百万桶以 上。７月份， 在Bakken每天 用火车运送超 过600,000桶 石油 Barnett页岩气 水平定向钻井和水力压 裂技术颠覆了Barnett的 规则。 2004 2007 2009 2010 400口水平钻井 水平钻井产量超过 垂直钻井 10,000口水平钻井 Barnett水平钻井 占生产油井的 70% The Montney油气区 过去七年，Montney凭借多级水力压裂成为天然气和液化 天然气生产大国。 油气底层约占亚伯达省和不列颠哥伦比亚省地表12,000公 里。在Montney的粉砂岩和页岩中藏有大量的天然气，属 混合致密天然气和页岩油气区。为靠近产油层，在1,700至 3,000米的深度范围内水平钻井，具有划时代的意义。 “ 2014 2.5 2010 bcf .75 bcf Montney 储藏区紧密，在多级压裂法诞生之前， 没有其他方法可以提取油气。 ” Craig Nieboer：Canadian Energy Services 首席财务官 改变北美大陆的油气供应 7 油气区 Cardium油气区 2014 —日均生产 自1953年起，位于西亚伯达中心的Cardium就开始生产石油。现 在，有了水平定向钻井和水力压裂技术，专家们认为可以再维持 50年的生产。 2008 – 开始非传统生产 产量巨大的Marcellus Marcellus页岩底层通过北阿巴拉契亚延伸，主要经由 宾夕法尼亚、纽约、俄亥俄州及西弗吉尼亚。 Marcellus近来实现天然气产量增长有力地证明了 现代钻井和压裂完井技术的高明。 2014 2010 – 2012 141个钻机，日均产 量达20亿立方尺 8 能源服务改革 钻机数量降至80台， 但是日均产量增至超过 150亿立方尺，超过加拿 大的天然气总产量（仅 140亿以上立方尺） 95,000桶致密油 Eagle Ford页岩油气区 基于所投资的资本额，Eagle Ford页岩油气区也 许是德克萨斯州史上最大的经济开发区。2013 年，用于此油气区的开发约300亿美元，其石 油、天然气和冷凝物储量丰富。最近，月增量 生产为39,000桶/天。2014年，Eagle Ford的投资 预计达269亿美元。 300亿 美元 160万桶/天 2014 Haynesville页岩 2008年后，海内斯维尔页岩部层的产量激增。但是， 相对高昂的成本和低廉的天然气价格使得自海内斯维 尔在2011年11月日均产量达到72亿立方尺后，产量开 始有所下降，并在包括碳酸盐岩油储在内的其他海内 斯维尔页岩部层生产油气。 2011 达72亿 立方尺/天 改变北美大陆的油气供应 9 油气区 二叠纪盆地的转变 在这拥有百年历史的油气区中的水平截面中，靠近页岩储层，生产 石油，近十年来，不断获得成功。石油目前也在此地区的多级储藏 区中开采，占德克萨斯西部和新墨西哥州东南部部分地区。自2010 年起，Permian的产量稳定增长，主要归功于水平定向钻井的发展 和多级压裂钻机的改进。Permian和Eagle Ford的产量使得德克萨斯 30年来的日均石油产量首次超过300万桶。 实际产量 预计产量 160 85 万桶/天 万桶/天 2014 90亿美元 2010 10 能源服务改革 2013 花费资本 120亿美元 2014 Duvernay 这个有前景的页岩自皮斯河弓形延伸至埃德蒙顿、 亚伯达奥尔兹地区南部，含有三大资源窗口：石油、 冷凝物和干气。分析师称，如若增加开发，到2024 年，日均产量将达100万桶，包括47%天然气，33% 石油和冷凝物，以及20%液化天然气。 钻井和完井成本高昂，平均每口井需花费1200万加 元，但该成本与类似级别开发的可比较油气区相符。 相比之下，2014年9月，《油气杂志》报道称2010年 Eagle Ford 每口井的成本为1,400万美元，2012年降 至800万美元。运营商开始从单一的开发油井，向使 用垫块钻井的工厂方法转变。Duvernay一运营商预 计到2015年钻井成本将下降20—30%。 443 兆 立方尺 617 亿桶 液化天然气储量丰富的油气区 天然气含量预计443兆立方尺， 石油储量预计617亿桶。 改变北美大陆的油气供应 11 服务行业的革新造就了今天的 钻井和完井技术 水平定向钻井和水平压裂的变革是若干系统和组件的结合，彼此互相促进、 相辅相成。 “ 这并不是一项什么大技术，只是结合了一大堆小事物，投入了钻进 工人和其他专家，改变了行业的游戏规则而已。 Dale Dusterhoft：Trican Well Service 首席执行官 以下为证明现代钻井和完井的创新抽样。 ” 多井垫块钻井 2006年，启动垫块钻井后，在美国主要非传统油气区， 如Bakken Barnett及Eagle Ford，多井垫块约占5%。截至 2013年秋，该比例升至50%以上。 2006 5% 多井垫块 12 能源服务改革 2013 50% 多井垫块 “ PDC 钻头（或聚晶金刚石复合片钻头）采用倾斜节理持续移动修剪岩石。这是15年前的创新，相 比传统的旋转堆钻头，可以在洞中待三倍或四倍长的时间。由于我们是希望更快地将泥垢从洞中 抽出，因为我们需要更大的抽泥泵。 ” Robert Geddes：Ensign Energy Services 总裁和首席运营官 钻井实时数据流 PDC钻头 除井下导向马达和钻头附近的特殊弯头或“弯接头”外，今天的仪器更为灵活。钻柱，过 去称为钻杆的硬干，在钻探设备控制室中将一列尺寸传送给定向钻井工程师。有了最新的 传感器、伽马线、中子孔隙测量技术，钻井仪器的数据可以提供有关地层特性的关键信息。 类似PDC钻头的早期突破为后续的革新奠 定了坚实的基础。“PDC钻头（或聚晶金 刚石复合片钻头）采用倾斜节理持续移动 修剪岩石。这是15年前的创新，相比传 统的旋转堆钻头，可以在洞中待三倍或四 倍长的时间。由于我们是希望更快地将泥 垢从洞中抽出，因为我们需要更大的抽泥 泵。”Ensign Energy Services公司的总裁 和首席运营官如是说道。“更大的抽泥 泵需要更大的马达，然而由于大型柴油 发动机过重、因此逐渐为电力驱动泵所代 替。” 改变北美大陆的油气供应 13 钻机 — 过去和现在 就在数十年前、当钻探者开始使用钻头吊缆在洞中作业钻柱时，两名钻工在钻台作业。同时，井 架工封锁管道到“电梯”的部分（井架工乘坐该电梯至钻台），也就是校准的部分。当管道的一 段提升时，在旋链和人工作业钳的帮助下，下面的工作人员或钻探工将其附在钻柱上，紧固连接。 除了一起清空绳索卡车以及在钻井时召唤后勤外，今天的钻探工，每天有从事文书工作的，通常 都有一名助理钻探工。钻井组包括钻工和井架工，但是每次将管道放进洞中时，他们都不会爬上 井架，也可能不会在地面上待命。今天，管道推压和连接工作都由机器设备作业，业内称之为“ 铁吊杆”和“铁钻工”，省下的人力资源用于从事价值含量更高的工作。 与在钻台安置转盘不同，如今使用的是现代顶部电驱动器带电作业（无论是水力的还是电力的）， 代替过去使用的需要更高维修但性能并不强大且使用柴油的驱动器。与绕线带配套的现代拖车装载 设备可能包括积分子结构和工作层、钻头吊缆、匀绕储存滚筒、注射器、顶部驱动和液压系统，这 些全部都是由电力驱动器驱动的。 Photo provided courtesy of Trican 14 能源服务改革 中小型企业开始行动 许多中小型创新服务公司设立在加拿大，位于国家油气领域的中心。 非传统和难以触及地层的水平钻井和多级压 裂的时代见证了每口井的成本是如何飙升 的。十年前，加拿大西部多数钻井和完井 的成本低于100万加元。今天，该地区大约 65%采用水平压裂法钻井，成本高达500万 加元或以上。就野外作业的许多方面而言， 近几年可算是力挽狂澜了。这包括分配优先 及使用创新工具进行钻井项目，测试多级压 裂完井的新技术。 服务性企业不仅帮助客户使用更好的工具提 高效率，还将内部运作合理化，以削减成 本，更具竞争力。这意味着作出最佳成本 效益的选择。“如果没有更好的策略，就 需要更优的价格”，Anton Energy Services Corp. VP业务开发副总兼总经理Barry Evans 说道。 在今天的非传统领域，复制同一种模式往往 是错误的方法。只有迅速地了解在既定区域 或油气区使用混合工具和技术才可以快速获 得投资的回报。 这促进了许多在上游服务领域已经用创新的 产品做出应对的专营和专业工具和技术中小 型企业的需求，而凭借这些产品可以成功面 对相关新兴和持续的挑战。 “ 运营者和服务公司经常携手合作。在卡尔加 里油气领域专业知识，这种聚焦是一大优 势，因此产业可以快速发展。我们可以在这 里做到最好。 ” Craig Nieboer：Canadian Energy Services 首席财务官 改变北美大陆的油气供应 15 一些最近的革新 快速钻井用快速脉冲工具 多级压裂用快速FRAC 系统 新型电化氧化技术 在成本更为高昂的环境下，问题变得更为紧 迫。钻井穿透速度是关键。钻井穿透速度快 意味着节约很多成本。钻井成本一般是日均 100,000美元左右，因此通常花费三周才能 完成的钻井如今省去了五天，节约了许多成 本。 通过压裂法处理用水时，油气公司可以使 用一种低成本零化学产品的催化剂从工业 废水总去除有机毒素，从而保护环境。这 种新型的电化氧化技术是由 Axine Water Technologies Inc. 发明的。 Wavefront Technology Solutions Inc.和 Sicotte Drilling Tools Inc.两家公司组队研发 快速脉冲工具，在大约18个月前即可投入商 用。该工具采用了空穴现象的原理，也就是 船只螺旋桨凹陷的原因，在通过表层钻井的 同时加速岩石破坏。 16 能源服务改革 在卡尔加里的 Packers Plus Energy Services Inc.大约持有20多项压裂技术的专利，是许 多革新技术的开拓者。十多年前、公司曾在 页岩油气领域尚属起步，并首次将其开孔 方法用于Barnett页岩开采上。凭借公司的 Stack FRAC HD技术，可以沿横截面基于多 级完成压裂，无需像早期压裂系统那样，移 动及重新插入设备。在完成钻井时，这项创 新落球完井系统节约了时间和成本。近来对 这项技术的改进包括快速FRAC系统，通过 一个球头就可以完成多级压裂钻井，更加节 约了时间和成本，而且可以在一个井内完成 层级的增加，这对于成本更高的远距离钻井 而言特别有利。 FlareAdvisor – 合规管理软件工具 WellEXPERT – 让泵更高效率地工作 Process Ecology 研发的一款新软件，基于卡 尔加里的油气咨询，旨在为公司在上游油气 领域的预估提供帮助，管理气体（如甲烷、 天然气的主要成分）的燃烧和排放。公司基 于网络的 Flare Advisor 向领域内的作业者及 时提供有关在何处燃烧或排放的信息，精确 定位设备故障或问题。 点头泵与起重机作为石油产业的象征，较量 了近一个世纪。石油每桶价格一般在100美 元左右。我们发现近年来，美化这些之前用 于从油井中提取石油的循环设备开始受人关 注。自动化、软件、反馈回路、传感器和一 些更高的路径是提高泵的效率和利润率的 控制系统的主要组成部分。该控制系统在 Pumpwell Solutions Ltd. 研发。凭借 Well EXPERT 技术，Pumpwell 现在可以让石油生 产商外包油田中的人工起运作业管理。由于 有类似Pumpwell的服务机构的专家聚焦这项 专门领域，因此石油生产商和生产工程师可 以更容易地满足今天日益增长的复杂钻井和 压裂作业的需求。 “ 生产商有两大关键目 标：减少生产费用和提 高环保成效。能实现这 些目标的技术有望获得 生产商的青睐。 ” James Cleland：通用电气公 司重油全球总经理 改变北美大陆的油气供应 17 支撑剂行业的兴起 水平压裂的指数式增长促进了若干年前还不 为人知的新兴行业的崛起。 压裂法的一大重要成分是石英砂、有时也 称为“压裂砂”，在油气领域称为“支 撑剂”，说明了其在压裂作业中扮演的角 色。在压裂法中、由于高压泵的作用，迫 使支撑剂同水和化学物质一起用力落到井 底，从而使地层压裂和分裂。正如支撑剂 的名称所示、支撑剂的作用在于确保这些 新开的口保持敞开状态，提高渗透性，为 油气提供输送路径。 Photo provided courtesy of Trican 18 能源服务改革 正如有人曾经预测的那样，由于在一些液 化天然气储量丰富的油气区中进行压裂工 作时，每口井使用多达2,000到3,000吨的 砂，因此需要压裂砂。尽管有人认为随着 新参与者的加入，该领域存在一定风险， 但目前支撑剂领域已经以每年2点多的速度 暂时增长。 由于支撑剂一般最多占油井成本的5%，这 一领域已经开始在跨洲油气服务中占据一定 重要地位。 Photo provided courtesy of Trican 期待以较古老的技术解决新的 挑战 尽管由于近25年来的创新技术，非传统领域实现了快速增长，然而一 些早期的系统和技术一样大有裨益。通用电气公司自大约1969年起使 用的25兆瓦电力发电机就是一个典型的例子。 快速浏览一下今天一些大型压裂工作对功率 的要求，不难发现为什么说GE重负荷机器 的便携版本似乎是为今天非传统环境特制 的。正如 Apache Corporation 在其网站上 作出的解释：“霍恩河盆地的多级水平完井 是一项巨大的工程，现场团队大约有280个 工人组成，需要一些最大的舰队-压力泵消 防车、钢索卡车、起重机、绕线带服务钻头 和其他工具，这些曾在加拿大的能源行业装 配过。” 以这种形式运转的柴油驱动的泵卡车的数量 有几个问题：许多都不是为长时间艰难运转 而设计的。卡车只要行走一或两英尺，周围 的温度可以冲到82度。在这样热度中运转就 有可能需要重新给引擎加油。 与二三十辆泵卡车成群结队不同，使用大型 便携式GE燃气涡轮发电机给压裂工作所需 的重负荷、2,500马力的电力泵发电，这种 作业更为简单、安静、安全，产生的温度更 低。 那发生在五年前。当时的压裂工作放到今 天，只需要耗费当年一半的时间，但是一样 很复杂。 改变北美大陆的油气供应 19 推动更好的数据分析和计算需求 信息正逐渐成为所有领域颇具价值的资产。对油气公司而言，获知 观察和钻孔的地点、钻井的深度等等已经成为创新改革的关键驱动 因素。 由于日益数字化的油田运作从地震成图、钻 井和压裂中产生更为多样化和更大的数据 流，从其他来源范围获得数据的要求有可能 增加，包括油井生产曲线、服务计划等，这 是非传统油气的挑战促成的局面。于是，就 开始使用大数据分析作业的各个方面，监测 设备、确定作业或油井动态问题以及实现生 产和收入最优化。 大数据能更好地用于预测分析的重大优势在 于其包含了大量更为复杂的编码数据变量抽 样，减少了存在纰漏假说的数量，可以取得 更为精确的结果。 Photo provided courtesy of Packers Plus Energy Services Inc. 20 能源服务改革 获取碳氢化合物： 地震探查技术 在20世纪90年代早期，油田探测是一种猜 测，主要取决于表面的迹象，如油苗。但是 在1775年Lison地震后诞生的地震科学研究 地震学，让反射地震学这种地质勘探的方法 也应运而生。反射地震学包括使用控制爆炸 从“爆炸点”表面发出地震波，以预测地表 次表面的属性。地震检波器这种表面接收器 接收次表面地质反射的能量波，然后将其转 化为在预先确定时间段内记录的电子信号。 信号处理好用于绘制次表面的结构成图。 在 一 个 世 纪 前 ， 加 拿 大 发 明 家 Reginald Fessenden曾想到过应用地震学的原理，通 过反射的地震波确定地表次表面的属性。这 是1912泰坦尼克号撞击冰山沉船事故发生 后他在利用水中声波的传播测量深度和发 现冰山时受到的启发。他于1914年申请了 一项有关地震探查的专利，1917年获得许 可。Fessenden的发明具有深远的影响，3D 形式的地震探测其实是Fesenden理念的现代 模型，将继续使全球石油工业获益。 目前尚好，2D地震探测 21世纪的钻井和完井变得智能化 最终应变得更好 可以说，石油的信息时代始于1924年首次使 用2D地震图发现田位于特克萨斯州布拉佐里 亚的纳什盐丘下方的油田。但是，直到20世 纪70年代，公司才开始使用3D地震监测进 行试验。幸运的是，这些复杂且相当详细的 调查与现代计算机处理同时出现。然而，仅 用一个月时间即可收集到的3D检测数据，当 时的大型笨重电脑需要耗费一年或两年的时 间才能完成处理。 在过去的十年里，每口井的水平钻井和完井 成本在500万加元至1,000万加元的范围内浮 动，3D检测技术非常普遍。今天，软件程序 可以提供地质数据3D视觉解读，正如CAT扫 描可以呈现出病人的内脏器官图一样。 基于传感器的地震导向 微震监测 非传统油气的兴起不仅是因为基于软件的 3D检测提供了更为精准、详细和准确的信 息，而且是因为钻井和完井智能化得多了。 十五年前，BHA这一在钻柱业务端点作业的 工具和专门设备的集合异常简单，成本不足 100,000美元。在今天复杂的水平定向钻井 中，BHA包括用于收集和传送实时数据的操 纵、传感器及其他设备机制，成本通常超过 100万美元。数据经软件处理后用于调整钻 头在石油所在的产油区内的方向。 为了更好地模拟完井末端的油井状态，压裂 作业开始逐渐采用微震监测技术。微震监测 提供有关响应高压泵和产生的“压裂”所传 播的压裂和相关地震事件的具体信息。当检 测活动通过基于软件的图像显示时，作业人 员可以为下一次压裂等级变更设计，同时有 望改进储层的接触和将来的生产。 上述发明在勘探钻井上取得巨大成功。例 如，2014年，新油田随意勘探的成功率为 50%。40多年前，只有15%的油井勘探成 功（根据加拿大石油产商联合会或CAPP的 数据显示、2013年，相比1966年由976口油 井勘探成功，2013年仅有50口油井勘探成 功）。也许，北美如今面临的挑战更多的是 在于如何从地表发掘最大的油气储藏，而不 是发现石油或天然气，特别是在今天成本要 求的情况下。 Photo provided courtesy of GE 改变北美大陆的油气供应 21 继续追求突破性技术 削减成本、提高效率、以及使作业更为洁净需要更多的技术创 新。至少三大核心潜在改进领域正受到上游能源服务领域的重视 以及研发经费。 使用微震分析进行实时 减 少 、 再 使 用 、 重 复 压裂监测 利用：发现低成本技术 众所周知，对于行业次表面压裂行为的理解 需要提高。为此，有必要结合通过实时压 裂监测获取的高质量物探数据。使用微震分 析进行实时压裂监测，地震检波器可以测量 水力压裂造成的一小部分地震活动，这被视 为一项颇有前景的新兴技术。预测算法的发 展可以提供某一特定形态的底层压裂时发生 的具体情况，工程师可以借此决定压裂的等 级，以及如何最好地设置压裂设计参数。其 目的之一在于提高各个压裂登记的有效性。 改进的第二大领域包括处理压裂用水。目 前，地下岩石的压裂通常需要700万到1,900 万升水。如果进行压裂工作的地区面临缺水 问题，就头疼了。因此压裂中需要低成本高 容量技术的洁净用水，这就减少了上游产业 对淡水的依赖。Trican Well Service 的首席 执行官 Dale Dusterhoft说道：“用水管理是 我们目前正在努力研究的一个项目，主要是 减少淡水的使用，这对我们领域的进步而言 非常重要，同时也关乎环保问题，有利于提 升社会价值。” 淡化海水的膜蒸馏系统及使用带正电离子和 气泡的处理系统同时引起关注。其他新兴的 潜在技术包括离心机、电沉降净化以及超声 波学和紫外线光的使用。也许，结合这些技 术就能找到解决之道。 22 能源服务改革 结束语 本报告探讨了有关启用遗留油田的更新以及更好地实现先前不 经济的油气前景的技术变革的一些重要方面的内容。在加拿大 和美国油气供应中，这些碳氢化合物的新资源仍处于变革期。 在我们的采访中，许多公司的高管都强调了技术突破在水平定 向钻井和多级水力压裂方面的重要性。 服务业专业人士也加强对里程碑式创新的重视，如聚晶金刚石 复合式钻头（PDC钻头）以及近来有关地质导向技术的改进。 无水压裂 理想的上游解决方案-无水压裂可能是上述 技术结合的最佳结果。除了减少压裂的环境 影响外，这也有可能开启另一片研发区域， 避免因缺水而受到的限制。数十年前，二氧 化碳曾用于压裂气井，也从此在有限的情况 下运用。公司正继续开发其潜能。“我们已 经在Bakken试运行二氧化碳技术。”通用电 气公司重油全球总经理James Cleland说道。 更为广泛地使用二氧化碳压裂有可能需要在 一定工业规模上运输。而这需要在将二氧化 碳通过管道运送至所需地区上进行大量投 资。氮气和液化石油气也用于压裂。一些人 认为碳的价格是从公共事业设备的烟囱中获 取二氧化碳的契机，但也需要考虑安全、技 术或物流问题。 一些油气领域内外人士指出今天在非传统领域的上游钻井和完 井作业上存在每口井耗费的成本高得多这一问题。 本报告中列述的产量增加证明了创新技术的结合以及获悉地层 知识可以得到之物。 “ 为了使加拿大和美国在全球上仍然保持竞争力，我们需 要继续关注技术以应对能源领域衰退带来的挑战，同时 充分利用复苏带来的优势。技术革新使我们今天以及日 后能够取得成功的关键所在。 ” Reynold Tetzlaff：国家能源部领导人，加拿大，普华永道 Photo provided courtesy of GE 改变北美大陆的油气供应 23 将来的技术 “ 如今，几乎每口井均采用水平定向钻井技术，使用垂直钻井 的微乎其微。故而这是一个大的转变，在我看来是多种机器 设备和系统控制的革命。我们正致力于可以吩咐不同机器行 事的交互式控制回路的研究。 ” “ Robert Geddes：Ensign Energy Services Inc. 总裁兼首席运营官 公司懂得岩石和油藏的意义，知道在这一领域将继续前进。 但是如果看看我们领域的现状，再回头看看10年前的情况， 就会发现不同之处在于一切开始往井下延伸。我不知道这是 怎么发生的，但如果我们有一口两米长的水平油井，那么油 井的每一个地方发生了什么都会知道得一清二楚。但是对于 目前正在发生什么毫无线索可知。 ” Dan Themig：Packers Plus Energy Services Inc. 总裁兼首席执行官 “ 大多数变革集中在设备、效率和流体方面。我认为我们仍将 继续通过钻井、压裂和其他方式让管道进入油井中，但我觉 得我们无论如何都会找到更好的办法。 ” Dale Dusterhoft：Trican Well Service 首席执行官 24 能源服务改革 “ 除了找到开发新储藏区的方法外，新技术的关键要素在于提 高现存和已知油田的采收率。先进的化学和科学技术很可能 是提高采收率的突破口。 ” Craig Nieboer：Canadian Energy Services & Technology Corp.首席财务官 “ 我发现产业互联网和大数据以及分析甚是重要。在我看来，将来 五年的大数据和分析对于帮助产业统一步伐，取得更好的成效发 挥非常重要的作用。对于预测失败，知晓井下发生了什么也很重 要。这将成为产业的一次变革。 ” James Cleland：通用电气公司重油全球总经理 “ 开发一项燃料或机械技术，运行成本低得多，可以在全世界普 及使用；同时为高里程商业运用开发柴油发动机。柴油技术的 创新尚在起步中。北美需要加快柴油技术前进的步伐。相比汽 油，使用柴油更为洁净。 ” Barry Evans：Anton Energy Services Corp. 业务开发副总兼总经理 改变北美大陆的油气供应 25 主要联系人 确认 咨询 Reynold Tetzlaff Shannon Ryhorchuk Matthew Wetmore 国家能源部领导人 卡尔加里审计部领导人 国家能源咨询部领导人 +1 403 509 7520 [email protected] +1 403 509 7506 [email protected] +1 403 509 7483 [email protected] Calvin Jacober Khurram Asghar 交易 卡尔加里管理合伙人 能源服务部领导人 +1 403 509 7531 [email protected] +1 403 509 7501 [email protected] David Bryan 税务 Clinton Roberts 亚伯达交易部领导人 +1 403 509 7307 [email protected] 埃德蒙顿管理合伙人 +1 780 441 6709 [email protected] Domenico Baruffaldi 国家能源行业税务部领导人 +1 403 509 6676 [email protected] Angelo Toselli 卡尔加里税务部领导人 +1 403 509 7581 [email protected] 欲知更多内容并加入PwC Canada’s Energy Community，请访问：www.pwc.com/ca/energy-linkedin © 2015 普华永道会计师事务所，安大略有限责任合伙公司。版权所有。 PwC 系指加拿大会员事务所，有时也可指PwC网站。各会员事务所系一名独立法人。更多内容访问网站： www.pwc.com/structure 4487-02 0215