世界石油工業的歷史是一部技術創新史。
作者 | 子衿
技術是油氣行業的靈魂。小到隨鑽測井工具內的微型地質導向定位電子元器件，大到龐大如辦公大樓般大小的海底防噴器，油氣行業裡這些技術設備都是按照能夠在惡劣環境下完美運行的要求來設計的，可以說，他們是各個學科的技術結晶。
技術不僅貫穿油氣行業各個技術裝備，也貫穿著油氣行業發展的整個歷程。在今年的IPTC大會上，王宜林說的，“世界石油工業的歷史，就是一部技術創新史”。自20世紀80年代以來，油氣行業經歷了一場轟轟烈烈的技術革新，正是無數技術創新成就了今日的油氣行業。
那麼，在油氣行業技術革新歷史上，哪些技術為油氣行業帶來了翻天覆地的變化呢？國際石油工程師協會（SPE）網站上推出了上世紀80-90年代的十項核心技術。這是一場技術評選，更是對每項技術背後的靈魂人物/企業的致敬。這些技術可謂“點石成金”，推動著油氣行業實現跨越式發展。SPE認為正是這10大核心技術開創了今日的油氣行業。這10大“點石成金”的技術是哪些，如今又有哪些進展？
1981年：水平井技術，提速增產
在油氣田開發中，水平井可以增加目的層長度，增大洩油麵積，數倍地提高油氣產量。
事實上，20世紀60年代末蘇聯就率先開發水平井技術，但後來卻放棄了在該技術上進一步發展，轉而開發更簡單、更快速的直井技術。但是，法國Elf Aquitaine石油公司的鑽井工程師Jacques Bosio重拾蘇聯的“衣缽”，利用水平井鑽井技術，使井筒與裂縫相交，提高了位於意大利海岸的Rospo Mare油田岩溶儲層的產量。
開展開創性技術的平臺仍然矗立在意大利近海
1981年，儘管水平井的成本是直井的兩倍，但由於油價在每桶35美元左右，高油價推動人們重新燃起對水平井的興趣，隨即水平鑽井投入應用。第一口水平井的日產量達到3000桶，為直井的20多倍。到20世紀80年代中期，水平井廣泛應用於德克薩斯、中東和北海的薄油藏。多年來，油公司很早就知道這些油氣藏，但苦於沒有相應的開採技術，只能“望洋興嘆”。而通過水平井技術，增大與油藏的接觸面積，油公司獲得鉅額收益，Jacques Bosio也於1993年成為第一位非美國裔SPE總裁。
發展到如今，隨著隨鑽測井、連續油管、水力壓裂等配套技術的出現和發展，進一步推動了水平井的發展，例如“長水平井+超級壓裂”技術，成為推動北美頁岩油氣增產的核心技術之一。
1982年：頂驅提效，開啟鑽井自動化
如今幾乎無處不在的頂驅鑽井技術，其實來自於一位航天工程師。航天工程師George Boyadjieff職業生涯的大部分時間都在Varco International公司工作，他不斷挑戰自己，想找到一條更好的創新路線。其早期的創新引領了20世紀70年代中期鐵鑽工的發明，這對鑽井工業本身來說是一個開創性的創新。另外，鑽井平臺上也取得了一些進步，加快了鑽速，比如動力水龍頭。不過，儘管這些節省了時間，但起下鑽仍是瓶頸。
在簽約幫助設計兩個新的自升式鑽井平臺後，George Boyadjieff意識到這些問題，並設想了一種能夠懸掛在遊車上的機器，該機器用90英尺長的鑽桿支架，而不是和動力水龍頭搭配使用的30英尺長的支架來鑽井。1982年，Varco公司發佈頂驅技術，實現了George Boyadjieff這個想法。十年後，大部分大型鑽井平臺使用頂驅鑽井，如今這項技術已經無處不在。
目前我國在頂驅鑽井技術方面也取得了長足進展，例如，中石油自主研發的“新型頂部驅動鑽井裝置與頂驅小套管”。該項裝置為機電液體一體化產品，可以覆蓋3000米—12000米鑽井深度需要和頁岩氣等特殊地層，目前已在30多個國家的地區實施超深井、長水平井、叢式井等複雜井作業。
1983年：油藏數值模擬使油田整裝開發成為可能
今日油藏模擬器的發展，可以說與英國政府以及理論物理學博士Ian M. Cheshire密不可分。
自20世紀50年代初以來，油氣行業一直在努力模擬油藏的儲量。英國能源部需要預測該國北海的遠景儲量，於是找到了核工業的理論物理學家Ian M. Cheshire提供幫助。因此，在英國政府的推動下，這一工作得以迅速發展。而Ian M. Cheshire 作為油藏模擬器發展的靈魂人物，功不可沒。
Ian M. Cheshire 先後曾經在NASA、原子能管理局（AEA）等機構工作。1971開始，他開始領導AEA商業軟件部門。1977年，Ian M. Cheshire和他的團隊發佈了一套新的模擬軟件，該軟件以三維地質結構和多相流的形式模擬儲層。1981年，Ian M. Cheshire加入倫敦的Exploration Consultants (ECL)公司工作，擔任軟件總監，鑽研石油工業的數字模擬軟件。
而他的最高成就當屬1983年發佈的ECLIPSE油藏模擬器。一經發布，Eclipse就得到了廣泛的採用，因為它允許工程師更改油藏模型的單元大小，以幫助匹配獨特的幾何形狀。換句話說，它使模擬更接近真實情況。1995年，ECL公司被斯倫貝謝 GeoQuest收購，Eclipse也隨之成為斯倫貝謝資產，目前該軟件已在70多個國家使用。
1983年：連續油管使老井“煥發生機”
關於連續油管技術，有很多報道表示，該技術起源於二戰時期盟軍代號為“PLUTO”的絕密計劃，即在英法之間鋪設一條穿越英吉利海峽、總長近49000米的海底輸油管道，為盟軍穿越法國、直推德國提供燃料。
但事實上，首次提出在石油/天然氣中使用連續油管的概念可見於1934年7月10日授予Clyde E. Bannister的美國專利1,965,563 “Well Boring Machine,”中。而記錄在案的第一個在油井作業中使用連續長度鋼管的概念是由George D. Priestman和Gerald Priestman提出的，見於1951年4月10日授予的美國專利2,548,616“Well Drilling”。
現代連續油管技術發展始於20世紀50年代初，見於1951年9月4日授予George H. Calhoun and Herbert Allen的美國專利2,567,009“Equipment for Inserting Small Flexible Tubing into High Pressure Wells”。1962年，美國加里福尼亞石油(California Oil)公司和波溫石油工具(Bowen Oil Tools)公司聯合研製了第一臺連續油管輕便修井裝置，主要用於墨西哥海灣油、氣井的衝砂洗井作業。20世紀70年代，中國引進第一臺Bowen Oil Tools的連續油管設備。
然而，使用連續油管進行井間干預的結果發現，繞放/收取柔性管會造成管的疲勞損傷使其壽命縮短，這意味著，從油井中打撈連續油管所消耗的成本，要比它們產生的生產改進所帶來的收入還要高，因此，連續油管並沒有受到油服公司和運營商的追捧。
1983年，連續油管的命運迎來改變。1983年日本的Quality Tubing開始生產更長的鋼板，這意味著製造連續油管需要的焊接點變少，從而使失效點減少。到了20世紀90年代，由於持續的改進，連續油管成為修井的代名詞，這項技術後來也廣泛應用於油氣田修井、鑽井、完井、採油、測井和集輸等各個作業領域。如今的連續油管技術也不僅僅侷限其本身，而是結合大數據和智能化等新技術，取得進一步發展。
例如，在測井作業方面，TeleCoil智能連續油管業務，可以提供實時數據，幫助用戶識別確認井深、提高井下鑽具組合的功能性，監視工作進程以及驗證井下操作是否成功；在射孔作業方面，ACTive OptiFIRE連續油管實時選擇射孔工具和光纖實時遙測的連續油管射孔激活系統可以一次下鑽，在不同井深進行多次射孔作業，射孔作業中可主動檢測每次射孔作業和靜水壓力控制過程，進而減少作業時間和成本。
1985年：三維地震成為油藏工程的日常工具
數十年來，油氣公司一直在研究二維地震解釋，但是仍無法滿足現實需要。地下垂直剖面對於勘探至關重要，但對於儲層開發卻遠遠不夠。為了在儲層最佳位置打井，工程師需要三維立體的地震數據。
1964年Esso在休斯敦郊外進行了第一次三維地震實驗。之後，由石油公司和獨立機構組成的財團對這項技術進行了改進。但是，由於整理和解釋這些新數據集所需的計算機非常昂貴，而且體積龐大，只能依賴配給制度才能獲得計算機的使用機會，進展甚微。
到了20世紀80年代，決定性的發展到來了。當時的技術進步開創了一種新型計算機——工作站。工作站變得不可或缺，它讓工程師能夠在辦公桌上進行油氣三維藏數值模擬。
當時的軟件開發和收購方面的關鍵參與者包括Sun Microsystems，Landmark Graphics，GeoQuest Systems和Geco地震公司。當越來越多的從業者採用他們的技術，沒有三維地震，大型項目將難以開展。
隨著時間推移，如今通過重複進行三維地震勘探，一種被稱為四維（4-D）地震的技術甚至可以監測儲層中的流體運動。四維地震技術，即時延三維地震，是近年來發展起來的一項儲層開發和管理新技術。該技術研究的是地下儲層中流體變化所引起的時延三維地震資料的差異。
4-D地震被認為是優化油氣生產的關鍵工具。油氣開採會引起儲層的變化，導致地震時間、速度和振幅的變化，進而影響反演結果。通過準確重複4-D監測勘查來監測地震信號中的這些變化，可以推導出儲層性質的變化。這通過繪製不排水體積且為動態地質和油藏模擬模型提供輸入數據，可以提高採收率。
如今，油氣生產商已經認識到4-D地震是一項經濟有效的技術，有利於成功實施加密井作業和提高採收率，如注氣和水平鑽井，其附加價值是獲取4-D地震數據成本的數倍。
1985年：MWD和LWD保證水平井的未來
隨鑽測量（MWD）的商業化應用經歷了許多挫折，包括電子元器件和遙測技術的侷限性以及行業的不信任。但到了20世80年代，這些問題開始得到解決，MWD在定向井工程師中廣受歡迎，因為鑽定向井時需要知道鑽頭在地層中的具體位置。
隨之而來的就是測井以類似的方式進行。這項創新被稱為隨鑽測井（LWD），它為工程師提供了一種無需等待電纜測井就能評價儲層的方法。在1985年，Sperry Sun率先推出了自己的第一套LWD工具，並發表SPE論文。
LWD的引入給了測井作業更多的選擇。當電纜測井在水平井無法使用時，作業人員可以選擇LWD進行測井作業，甚至可以看到鑽頭前方和周圍的地層情況。這極大地增加了命中儲層和儲層中甜點的幾率。
1989年：第三代電纜地層測試
自20世紀20年代以來，工程師們就已經知道地層測試的價值。而測量儲層壓力和流量的工具是引發技術創新的源泉。到了20世紀50年代，作業人員首次進行地層壓恢和壓降測試，獲取了地層滲透率的信息。基於此，很快發展了一套確定井筒到封閉斷層和其他儲層結構之間距離的方法。1955年，斯倫貝謝投入這項技術，推出第1個商用電纜地層測試器，用電纜代替鑽桿進行部分測試。20世紀60年代至70年代，斯倫貝謝公司的重複式地層測試器RFT和阿特拉斯公司的多次地層測試器FMT是第二代產品，主要功能是取樣、測壓，測試精度較以往有了提高。
然而，由於作業過程中無法控制鑽井液和泥漿濾液的侵入，電纜地層測試儀器並不能準確地獲得未被汙染的儲層流體作為測試樣品。後來，一家位於休斯頓的服務公司解決了這個問題。他們借鑑產量檢測的方法，對井下工具進行封裝，從而獲得真實的儲層流體作為樣品。自1989年投入市場以來，他們的模塊化動態地層測試儀結合了許多其他技術的特點，增強了整個行業計算儲量的能力。20世紀90年代中期，斯倫貝謝和阿特拉斯先後推出了MDT和RCI，成為第三代，相對於前2代儀器進行了重大技術革新。
目前，在國內，中海油田服務有限公司牽頭研製了第3代電纜地層測試器FCT(Formation CharacterizationTool)，其目標是開發和國外MDT等第3代地層測試器技術相當的基本功能型儀器，它可以實現MDT的基本功能。
如今，除了電纜地層測試技術外，地層深層探測技術的出現也給了油氣行業更多的選擇。
為了預防鑽井風險、優化鑽井方案、減少鑽井複雜故障，斯倫貝謝、貝克休斯等公司開展了地層深層探測技術研究。斯倫貝謝公司研發的PeriScope 隨鑽電磁波電阻率測井技術，具有360°連續測量和深度成像功能，可探測井眼周圍及鑽頭前方33m 地層情況，提高鑽井井眼軌跡控制精度。貝克休斯公司研發的SeismicTrak 隨鑽地震技術能夠探測鑽頭前方數百米甚至上千米的地層壓力變化和儲層特性，為及時調整井眼軌跡、鑽井密度、避免井下複雜情況提供預見性指導。
1990年：海洋工程進入深水時代
自20世紀40年代以來，海洋石油工業一直通過使用鑽井船和固定井架的生產設備，緩慢地進入深水水域。但是在更深的水域有更多的礦藏等待開採，油氣企業需要投資開發浮式生產系統，尤其是那些能夠應對惡劣海洋環境的系統。
其中兩個關鍵的解決方案——張力腿平臺（TLP）和Spar（深吃水立柱式平臺），均來自Edward E. Horton——Deep Oil Technologies（DOT）公司的工程師兼創始人。他的設想始於上世紀70年代。1984年Edward E. Horton成立了DOT公司，研發Spar（深吃水立柱式平臺）和其他深水鑽井及生產技術。1987年，Edward E.Horton在柱形浮標和張力腿平臺（TLP）概念的基礎上提出了用於深水生產的Spar平臺概念。1996年世界上第一座Spar平臺問世，作業於墨西哥灣1930英尺（約588米）水深海域的Neptune油田。
到了上世紀90年代，隨著越來越多的企業開始在水深超過1500英尺的水域作業，Edward E. Horton的成就被廣泛應用於海洋深水油氣開採。例如，1998年雪佛龍為其水深達2590英尺深（約789米）的Genesis項目選擇Spar，埃克森美孚為其位於4800英尺深（1463米）的Hoover/Diana項目選擇了Spar，這些表明Spar概念在逐漸向更深的水域延伸。
在墨西哥灣Edward E. Horton的成就最為明顯。在那裡TLP和Spar主宰著深水海域。其中包括殼牌的Perdido Spar，它在2010年創造了全球最深海底項目記錄。這個記錄在2016年被自家公司的Stones(同樣位於墨西哥灣)打破，Stones使用了巴西的一項創新技術——浮式生產儲油卸油裝置(FPSO)，可在9500英尺（約2896米）水深進行生產。
除了張力腿平臺（TLP）和Spar（深吃水立柱式平臺）外，當前主流的浮式生產裝置還包括浮式生產儲油卸油裝置（FPSO）、半潛式平臺（Semi）。其中，FPSO 應用最為廣泛，2018 年全球大約有180 艘FPSO 在役。經過數十年的發展，FPSO 相關技術已經成熟，並持續升級換代，張力腿平臺（TLP）已發展到第3 代，Spar 平臺已發展到第4 代。
在缺乏海底管道設施的海域，國外正大力發展浮式 LNG 裝置（FLNG）。該裝置集天然氣生產、處理、液化、儲存、卸載功能於一體，開創了全新的海上天然氣開採方式。就在今年3月底，世界上最大的海上浮動設施、最大的FLNG-Prelude號“開花結果”，已經從西澳大利亞布魯姆的Prelude FLNG項目中運出了第一批冷凝物。在中國石油集團經濟技術研究院石油科技研究所看來，FLNG也是未來 10 年極具發展潛力的20 項油氣勘探開發新技術之一。伴隨越來越多的FLNG 裝置投入運營，將推動海上邊際氣田、遠海氣田和深水氣田的高效開發。
1992年：水平井生產流量控制裝置
流量控制裝置的出現源自於挪威Norsk Hydro公司（這家公司後來併入了挪威國油）。該公司是挪威大陸架上最長水平井的運營商。在開發薄油層時，由於水平井能夠使井眼的洩油麵積最大化，因而在上世紀90年代初深受作業者的青睞。
但令Norsk Hydro公司措手不及的是，隨著油井開採的持續，水平井眼段會出現意想不到的氣竄或者底水錐進，或者由於水平段壓降而造成的產液剖面不均勻。隨著鑽井和測井的作業量越來越多，人們總結髮現，產量並不是沿井筒均勻分佈的。Norsk Hydro公司的工程師發現在油井中75%的產量是由最靠近套管的產層區域貢獻的。
為了擴大產層剖面，1992年Norsk Hydro公司的工程師設計了一種叫做流量控制裝置（ICD-Inflow Control Device）的完井工具，它使用了沿著水平井井段分佈的過濾器和節流器，可以對其進行調整以優化產量。其他人也意識到了ICD代表的機遇，比如沙特阿美，該公司目前是ICD最大的用戶。對於沙特阿美來說，ICD的出現意味著可以用多分支井經濟地開發緻密地層，大大增加井筒的儲層接觸面積。
如今，隨著智能化的發展，ICD也逐漸實現智能化、自動化。例如，哈里伯頓自動流入控制裝置(AICD)通過採用新型的流徑和通道設計來識別並控制液體的流動，該系統具備自動化的運行特性和耐腐蝕耐堵塞，通過限制水和氣的流量來延緩油層的見水/見氣，使油井的產量達到最大化。
中國海油能源發展工程技術公司研發推出了智能化—粘度敏感AICD控水技術。該技術利用ACP管外分段，下入AICD控水中心管柱至生產層，適用於地層原油粘度大於20cp，液量大於50m³/d，含水小於95%的井況，可實現邊底水油藏流體流量的平衡控制和全水平段的均衡產出。粘度敏感AICD控水技術中的流量控制閥（發明專利），利用流體動力學原理，根據流體粘度差異來控制閥門開度，適用於水平井控水完井以及生產井剩餘油挖潛等領域。
1997年：水平井與水力壓裂
當石油商人George Mitchell的一個天然氣油田枯竭時，他受到啟發，想要找到一種方法，從巴涅特頁岩的超緻密岩石中開採油氣。在政府資助的課題研究和MWD/LWD技術發展的基礎上，Mitchell和他的工程師想到了一個方法，即結合水平井和水力壓裂來實現這個目標。
1991年，第一口試驗井鑽成並壓裂，儘管付出了許多努力但仍未能獲得預期的天然氣產量。隨後在1997年，為Mitchell工作的石油工程師Nick Steinsberger，由於一個偶然發現而載入史冊。他無意中將凝膠加入壓裂液中，導致比之前的壓裂液含水更多，這似乎起到了作用。
這項技術後來被稱為“滑溜水壓裂”（slickwater frac”），並使Mitchell Energy公司天然氣產量翻了一倍。該公司在2012年被出售給Devon Energy公司，幾年後，報紙頭版頭條報道稱，頁岩氣革命已然發生。在隨後幾十年裡，美國改變了其能源歷史，成為世界最大的油氣生產國。加拿大，阿根廷，中國和沙特阿拉伯也正在進行著不同成熟度的項目，水力壓裂和水平井鑽井結合目前在全球範圍內得到應用。
隨著水平井與壓裂技術的發展，2006年開始出現“連續油管定點壓裂技術（多級壓裂技術）”，至2010年前後，這一技術被用於全球範圍內近萬口非常規井。近年來，各大油服公司相繼推出多級壓裂及其配套技術。
另外，由於水力壓裂面臨水資源緊缺、水處理和再利用等難題，無水壓裂是當下不少學者的研究課題。在這項技術中，推進劑以亞音速爆燃（無需外部氧氣的快速燃燒）。推進劑的能量密度接近高爆物，除了核能，它比其他的任何主要能源密度都要大。但是這種技術仍然存在缺陷，比如目前的推進劑壓裂方法只利用了高壓極速上升的特點，無法延長將壓力控制在目的層的時間，還無法發揮固體推進劑的其他性能。
自20世紀80年代以來，油氣行業經歷了一場技術革新熱潮。顛覆性技術的出現推動油氣勘探開發進入全新的時代。時至今日，這些技術仍然深刻影響著當下的油氣行業。而隨著大數據、人工智能等新技術的湧現，油氣行業迎來新的、更深刻的技術革命，一場技術大融合革命。在你的身邊有哪些新技術呢？歡迎大家留言探討。
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