“國字號”技術突圍—剖析中國石化自主知識產權頁巖氣開發(fā)配套技術、裝備系列形成路徑
2014-02-28 01:31:15蔡廷永李泰豫徐耀陳志毅
中國石油企業(yè) 2014年7期
□ 文/蔡廷永 李泰豫 徐耀 陳志毅
“國字號”技術突圍—剖析中國石化自主知識產權頁巖氣開發(fā)配套技術、裝備系列形成路徑
□ 文/蔡廷永 李泰豫 徐耀 陳志毅
編者按：經過兩年多的科研實踐，中國石化石油工程技術服務有限公司初步形成了具有自主知識產權的頁巖氣開發(fā)配套技術、裝備系列，在鉆完井、井下作業(yè)、測錄井和裝備制造4個方面實現(xiàn)重大突破，打破了國外技術壟斷，大幅降低了開采成本，用“國”字號技術、裝備助推頁巖氣產業(yè)快速發(fā)展。
胡慶明/攝
2014年6月13日，涪陵頁巖氣田，焦頁29-2HF井僅用39天完鉆，應用國產技術裝備刷新了涪陵工區(qū)4000米以上井最短鉆井周期紀錄。
“用我們自己制造的裝備、自己研發(fā)的技術把頁巖氣井打得這么好，干活都有底氣！”中國石化江漢石油工程公司50787JH鉆井隊長劉巍自豪地說。
從2011年引進國外頁巖氣開采技術“水土不服”，到2012年推廣應用國產技術裝備，再到2014年頁巖氣技術裝備全面推行國產化，在位于重慶的涪陵焦石鎮(zhèn)，中國石化石油工程技術服務有限公司憑借一項項優(yōu)良施工紀錄打響了“國”字號品牌，走出了一條頁巖氣開發(fā)技術裝備的國產化之路。
用自有鉆井技術體系實現(xiàn)“百步穿楊”
怎樣才能安全高效地打開埋藏于地下4000多米深處的頁巖氣“寶藏”？首先，鉆機要從地面鉆向頁巖氣層，再在頁巖氣層水平穿行1000多米，到達頁巖氣富集區(qū)。俗話說，“上天容易入地難”。焦石壩地區(qū)地下溶洞多、暗河多、裂縫多，頁巖氣層易
塌陷，鉆頭要在如此復雜的地層中“命中靶心”，難度可想而知。
“記得2011年剛開始打頁巖氣水平井時，好多鉆井技術掌握不了，被外國公司卡著脖子要錢，老外要多少就給多少?！敝袊瓭h石油工程公司鉆井專家王偉，回憶起2011年鉆探中國石化第一口頁巖氣水平井時的情形，依然印象深刻。
經過近3年的攻關，中國石化石油工程公司初步形成了適用于焦石壩地區(qū)頁巖氣開采的自有鉆井技術體系，基本滿足了安全、快速的鉆井工程需求。
針對頁巖氣鉆井技術特點，選用適應頁巖氣地層特點的系列牙輪和PDC鉆頭、適應頁巖氣開發(fā)大斜度定向鉆井的高速螺桿和馬達鉆頭，采用先進的泥漿脈沖隨鉆MWD、電磁波隨鉆EMWD、多參數(shù)LWD定向和水平井鉆井技術，推廣水平段“一趟鉆”鉆井技術，優(yōu)選PDC鉆頭，加強地質與工程的結合，優(yōu)選軌跡穿行層位，實現(xiàn)了1500米至2000米水平段“一趟鉆”鉆完井施工目標，鉆井速度明顯加快。
鉆井液是鉆井的“血液”。由于頁巖層地質結構特殊，在進行水平段鉆井時如果采用傳統(tǒng)的水基鉆井液，巖層容易塌陷，必須改用油基鉆井液。公司的研發(fā)團隊通過自主研發(fā)，研究出了適用于頁巖氣開發(fā)的油基泥漿，針對焦石壩頁巖氣井水平段存在高壓氣體，根據(jù)地層預測壓力系數(shù)調整鉆井液密度，壓穩(wěn)地層。在配制時加入足量的瀝青類處理劑，增加鉆井液的防塌性。鉆進過程中，及時補充足量的氧化瀝青、液體瀝青等處理劑，加強鉆井液的抑制性。頁巖氣層存在微裂縫，經常有滲漏情況發(fā)生，在鉆井液中加入足量的酸溶性暫堵劑、氧化瀝青等封堵劑，用以防止?jié)B漏的發(fā)生。鉆井液的國產化，大大降低了鉆井成本。
“2012年某外國公司賣給我們的油基鉆井液一立方米要兩萬多元，現(xiàn)在我們自主研發(fā)的油基鉆井液一立方米只要9000多塊。”中國石化中原石油工程公司的鉆井專家李忠壽做了一番比較。
在完井、固井技術方面，形成了多扶正器套管串下入、四級沖洗、套管居中等長水平段固井配套工藝技術，提高了長水平段固井質量，滿足了多級分段壓裂的要求。針對一開溶洞、裂縫多，易造成斜、漏、阻等復雜情況，采用清水搶鉆技術，實現(xiàn)一開快速完井。針對二開地層易漏、定向鉆井困難的問題，采用泡沫定向鉆井技術，有效解決井漏，提高鉆井速度。針對三維定向水平井造斜困難、鉆井速度慢等問題，與螺桿廠進行聯(lián)合攻關，研發(fā)大彎角可復合螺桿鉆具，開展井眼軌跡控制工藝優(yōu)化，探索試驗大彎角螺桿定向鉆井技術，提高定向鉆井效率。
為進一步提高施工效率、降低開采成本，中國石化石油工程公司積極開發(fā)應用“叢式水平井”方式，設計鉆井平臺65個，每個平臺鉆井3-6口，采用直井、二維和三維定向水平井結合的方式，進行防碰和井眼軌跡優(yōu)化設計，實現(xiàn)了“井工廠”作業(yè)模式。在焦頁30號平臺，采用導軌式鉆機，同時施工4口井，“井工廠”鉆井作業(yè)。
“與4口井單獨施工相比，搬家時間節(jié)約45天左右，倒換泥漿時間5天左右，總計在50天左右。鉆井液也用得少了，鉆完4口井僅用了1口井的泥漿?！痹谠撈脚_進行施工的鉆井隊長曹華說。
用自有井下作業(yè)技術實現(xiàn)“破門而入”
6月的涪陵焦石小鎮(zhèn)陰雨連綿，街上少有車馬喧囂。然而，在10公里外的焦頁9號井場，十幾臺形似消防車的紅色壓裂車正發(fā)出地動山搖的“吼聲”，大量沙子正源源不斷地被巨大的壓力瞬間壓入幾千米深的地底……頁巖氣深藏于密不透風的頁巖中，必須通過大規(guī)模水力壓裂使巖壁碎裂，釋放油氣。由于其壓裂試氣規(guī)模遠超以往常規(guī)儲層作業(yè)，施工規(guī)模大、地下壓力高、工序復雜且風險高，技術門檻高，中國的石油工程技術服務企業(yè)一度只能望“氣”興嘆。
為打破技術瓶頸，降低壓裂施工成本，中國石化石油工程公司
通過技術引進、消化吸收，逐步摸索出一套適合涪陵頁巖氣開發(fā)的壓裂試氣工藝技術，一次次打破了國際壟斷，刷新施工紀錄：
南頁1HF井，在水平井斜深達5820米、井下施工壓力最高達113兆帕的環(huán)境中，完成壓裂施工；
元頁HF-1井，創(chuàng)下水平井井下作業(yè)施工排量最大達到每分鐘15立方米，施工階段砂比最高32%；
…………
最令技術專家們難忘的還是丁頁2HF井的臨“?！笔苊?。
丁頁2H F井深5700米，井底壓力高達138兆帕，井溫高達146℃，地質結構復雜，存在多套壓力系統(tǒng)，主力氣藏埋藏深，具有高溫、高壓、高含硫化氫等特點，采用的電纜射孔泵送橋塞分段壓裂聯(lián)作工藝屬世界級難題。原本由一家國外知名工程服務公司承擔橋塞射孔聯(lián)作施工，但隨著易開采油氣儲量的逐漸下降，油氣勘探轉向高溫、高壓等復雜地層，酸化、壓裂施工難度越來越大，這家外國公司中途放棄。緊迫關頭，中國石化石油工程公司接受了這項挑戰(zhàn)。
“當時橋塞射孔聯(lián)作技術工藝領域，主要被國際大公司壟斷。說實話，心里沒有底?！必撠煷舜问┕さ募夹g專家趙開良回憶道，“但大伙兒心里明白，沒有退路了，只有靠自己挑戰(zhàn)極限”。他們針對該井超深、超高壓、超高溫的特點和儀器串進入防噴器難、工具串下井難、泵送施工難、橋塞坐封難等6個施工難點，對射孔儀器串、7英寸套管橋塞、井口防噴裝置等進行了技術革新。
2013年12月9日，在貴州省習水縣寨壩鎮(zhèn)，丁頁2HF井12段壓裂完美收官。中國石化石油工程公司的專家們應用革新后的泵送橋塞—射孔聯(lián)作施工技術，順利完成該井射孔9層31米的施工任務。這是我國首次采用電纜射孔泵送橋塞分段壓裂聯(lián)作工藝，獨立完成的大型頁巖氣分段壓裂施工。
技術攻關仍在繼續(xù)。水平井多級射孔技術是頁巖氣開發(fā)中不可或缺的環(huán)節(jié)，其可靠性直接影響整套壓裂工藝的成敗。公司針對分級射孔與橋塞聯(lián)作工藝、壓控裝置、橋塞送進工具和多級激發(fā)裝置等關鍵技術環(huán)節(jié)進行自主研究，并進行了120多次地面及井下模擬試驗，最終研發(fā)出由具有安全保障的分級點火控制、水平井電纜射孔與橋塞聯(lián)作、大通徑帶壓電纜密閉射孔和水力泵送等四項關鍵核心技術組成的水平井多級射孔技術，成為中國石化唯一實現(xiàn)該項技術國產化的單位。該公司在焦頁9-3HF井優(yōu)質完成1611米水平段18層54簇多級射孔施工，達到國際先進水平。
除橋塞射孔聯(lián)作、多級射孔技術外，中國石化石油工程公司針對頁巖氣水平井壓裂施工特點，還探索出三大特色施工技術—新型段塞加砂技術、超深超高壓施工技術、超高壓橋塞射孔聯(lián)作技術；完善了五大施工主要技術—酸化解堵降壓技術、電纜橋塞泵送技術、混合頂替技術、粉砂打磨降壓技術、返排液處理再利用技術，降低了施工風險，提高了施工成功率，提高了經濟效益。
用自有測錄井技術指引“鋪路搭橋”
測錄井技術是石油天然氣開發(fā)的眼睛，頁巖氣的開發(fā)離不開精細的測錄井技術進行指引。中國石化石油工程公司針對頁巖氣開發(fā)需要，形成了由長水平段測井、爬行器測井、綜合導向錄井、熱解色譜、核磁共振錄井和頁巖氣測井綜合評價解釋等國產技術組成的測錄井技術系列，有力地保證了頁巖氣的勘探開發(fā)。
“剛來涪陵時，裸眼井長水平段測井是我們的軟肋，測井時經常幾天幾夜不能合眼。”中國石化石油工程公司JH-CJ005測井隊操作員王明超回憶說。頁巖氣開發(fā)井水平段較長，常規(guī)測井方法難以滿足要求。為此，公司從前期的準備工作開始，就對下井的儀器進行高溫測試和通訊穩(wěn)定性測試，嚴格排查儀器隱患；對巖性密度、中子、井徑等儀器采用檢查、記錄、整改、再檢查的管理方法，逐一排查；制定了周密詳實的風險識別和全面
細致的應急預案，確保了裸眼井長水平段測井一次下井率和成功率均為100%，測井時效大幅提高。
為解決頁巖氣長水平段固井質量檢測難題，公司開始攻關爬行器測井工藝，在套管井內使用爬行器，將儀器從不能依靠自身重力下放的位置，送至目的層進行測井。該工藝安全系數(shù)大、省時省力。
“從最初實驗的潛頁平2井爬行430米，到焦頁12-4HF爬行1950米，我們創(chuàng)下了中國石化爬行器測井爬行距離最長的紀錄?！敝袊凸こ坦綣H-CJ024測井隊隊長張淼驕傲地說。2012年，剛畢業(yè)不到一年的他加入了爬行器測井研究的團隊，在不到三年的時間里，他們對標世界一流，不斷加大科研攻關力度，延長爬行距離，增加爬行成功率，4次刷新自己創(chuàng)造的中國石化爬行器測井最長爬行紀錄。
焦石壩地區(qū)屬喀斯特地貌，地表溝壑縱橫，地下溶洞多、暗河多、裂縫多、漏失層多，淺層氣含硫化氫且儲層規(guī)律不清，在這里進行頁巖氣勘探開發(fā)，存在著鉆遇硫化氫、泥漿溢流、鉆具刺穿等多種安全風險，安全環(huán)保風險巨大。這給了綜合導向錄井技術大顯身手的機會，該技術通過給鉆井提供地質導向，確保鉆頭在頁巖氣層位中準確穿行，同時又能進行動態(tài)檢測，準確預報工程技術異常和硫化氫異常，保障了鉆井施工安全。
胡慶明/攝
“在頁巖氣區(qū)塊，常規(guī)的錄井方法沒有用武之地。為適應頁巖氣開發(fā)，我們摸索出了一套頁巖氣非常規(guī)錄井方法?！敝袊凸こ坦綣H-LJ040隊隊長陳輝介紹說。由于焦石壩工區(qū)特殊的地質構造，為確保長水平段井筒規(guī)則，鉆井隊在三開鉆進過程中采用全油基鉆井液進行施工，這與常規(guī)水基鉆井液有了很大的區(qū)別。為此，公司技術人員發(fā)明了新的化學溶劑清洗巖屑法，并積極推廣應用核磁共振錄井、XRF元素錄井、X射線熒光錄井等非常規(guī)錄井技術，以便更準確地識別巖屑，卡準層位。
“這些測井曲線在我們眼中，就是了解地層構造的窗口，我們測井測試員個個都是‘孫悟空’，不練就一雙火眼金睛，就很可能與非常規(guī)油氣擦肩而過?！睖y井解釋員田鵬拿著十幾米的曲線圖介紹說。解釋員通過測井曲線數(shù)據(jù)的精細對比分析，掌握整口井的地層特點、油氣資源分布情況,把單口井的資料聯(lián)系起來加以對比，尋找對應性和相關特征，從而得到區(qū)塊測井資料，最終可以為該地區(qū)的石油勘探開發(fā)提供準確的測井綜合評價。
近年來，中國石化石油工程公司通過在南方區(qū)塊和涪陵工區(qū)的實踐，建立了一套頁巖氣測井綜合評價解釋系統(tǒng)和評價標準，并加大對產層剖面的研究，為今后的非常規(guī)頁巖氣開發(fā)提供了豐富的資料庫。
用國產裝備把氣藏變?yōu)椤澳抑形铩?/h2>
涪陵焦石鎮(zhèn)，青山綠水間，由中國石化石油工程公司制造的紅色壓裂車格外醒目。這里90%的壓裂設備都是由中國石化石油工程公司所屬的石油工程機械公司等企業(yè)生產的。在涪陵工區(qū)，大顯身手的不僅是壓裂設備，該公司生產的輪軌式、步進式鉆機，牙輪鉆頭、金剛石鉆頭，帶壓作業(yè)裝備同樣備受矚目?！爸袊圃臁痹谶@里坐上了“貴賓席”。
“自從用了步進式鉆機后，鉆機整體移運搬遷時間由常規(guī)的5天縮短為3個小時，實現(xiàn)鉆機搬家當天搬遷、當天開鉆，這在以前連想都不敢想。”在焦頁28號平臺施工的鉆井隊長徐慶年興奮地說。
徐慶年口中的步進式鉆機由中國石化石油工程公司自主研發(fā)，相當于給鉆機裝上了“智能化機械腳”，成為可以自由行走的“鋼鐵巨人”，在同一鉆井平臺上的任意井位間快速移動，以適應頁巖氣開發(fā)的“井工廠”模式。在“井工廠”生產模式下，每個平臺要布置4口或6口井，如果仍沿襲單井作業(yè)搬遷模式，勢必會影響鉆井提速，增加開采成本。中國石化石油工程公司在了解到這一生產需求后，將創(chuàng)新研發(fā)與生產有機融合，加大研發(fā)力度，可快速移動和高效作業(yè)的“井工廠”輪軌式、步進式鉆機應運而生。目前，在涪陵作業(yè)的鉆機裝備有45%是該公司的產品。
“在涪陵工區(qū)，我們生產的牙輪鉆頭市場占有率達到了98%，金剛石鉆頭占有率也達到60%左右。”中國石化石油工程公司在涪陵工區(qū)的技術服務人員王憲忠說。而在2013年，國產金剛石鉆頭在涪陵工區(qū)市場占有率不足30%，大多被國外知名廠商壟斷。
為改變這一現(xiàn)狀，中國石化石油工程公司針對涪陵工區(qū)儲層埋藏較深、地質條件復雜、地層穩(wěn)定性差等特點，專門成立了集研、產、銷三方面人員于一體的項目組，先后攻克鉆頭易斷齒、磨損快、鉆具易卡等技術難關，開發(fā)出個性化金剛石鉆頭和等壁厚螺桿鉆具，形成一整套鉆頭鉆具優(yōu)化方案。該公司研制的26英寸導眼鋼齒牙輪鉆頭、16英寸鋼體金剛石鉆頭、121/4英寸定向金剛石鉆頭及81/2英寸定向段與水平段兼顧的金剛石鉆頭等多款鉆頭均取得提速提效的良好效果。在日常產品開發(fā)上，將實際的鉆井時間、進尺、機械鉆速、水力參數(shù)、鉆井成本和其他影響鉆井效益的因素與設計估值相比較，并對鈍鉆頭磨損情況進行評估分級，不斷完善鉆頭設計和選型，擴大國產鉆頭市場占有率。
在頁巖氣開發(fā)裝備的研發(fā)中，帶壓作業(yè)裝備的成功研制具有重要意義。6月中旬，該公司研制出的70～225噸帶壓作業(yè)設備，2套160噸高端帶壓作業(yè)裝置，在焦石壩帶壓起下管柱作業(yè)應用成功。
“帶壓作業(yè)是在保持油氣井內一定壓力,不壓井、不放壓的情況下，進行起下管柱的一種先進井下作業(yè)技術。”公司高級工程師丁永偉解釋說。
為研發(fā)適合涪陵頁巖氣井作業(yè)的帶壓作業(yè)裝備，公司通過3次技術引進和國際合作研發(fā)，掌握了高壓動密封技術、高效舉升旋轉技術、智能安全控制技術和裝備集成配套技術，獲得1項發(fā)明專利授權，研制出70～225噸帶壓作業(yè)設備，2套160噸高端帶壓作業(yè)裝置。此設備能夠最大限度地實現(xiàn)對油氣層和環(huán)境的保護，有利于提高施工效率和油氣井修復后的穩(wěn)產。
截至目前，中國石化石油工程公司先后完成井工廠鉆機、大型成套壓裂裝備等多項主要核心裝備國產化改造，建立了適合我國獨特頁巖氣資源條件的裝備體系，為頁巖氣開發(fā)提供了國產高端裝備支撐。
胡慶明/攝
作者單位：中國石化石油工程技術服務 有限公司
圖為萬人誓師大會會場。中國石油新聞圖片庫/供圖
1960年4月29日凌晨3時，經大慶油田會戰(zhàn)領導小組研究決定，各探區(qū)和會戰(zhàn)總部的石油工人從各駐地分乘火車、汽車奔向薩爾圖廣場。上午9時，萬人誓師大會在薩爾圖廣場隆重召開。
在5萬多名石油會戰(zhàn)職工的歡呼聲中，鐵人王進喜作為會戰(zhàn)中涌現(xiàn)出的第一個標兵登上主席臺。余秋里部長帶頭高呼：“向鐵人學習，人人爭做鐵人。”鐵人王進喜吼出了“寧肯少活20年，拼命也要拿下大油田”的鋼鐵誓言。大慶石油大會戰(zhàn)正式打響。
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