攻克世界級(jí)難題
——我海上高溫高壓鉆完井技術(shù)體系躋身世界前列解析

2018年1月8日上午，中共中央、國(guó)務(wù)院在北京隆重舉行國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)。中國(guó)海油等多家單位完成的“南海高溫高壓鉆完井關(guān)鍵技術(shù)及工業(yè)化應(yīng)用”獲2017年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。這是中國(guó)海油時(shí)隔20年再次獲得技術(shù)開發(fā)類的國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

這套躋身世界前列的高精尖技術(shù)，不僅在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用，支撐發(fā)現(xiàn)了5個(gè)氣田，還應(yīng)用到美國(guó)、英國(guó)、印尼、緬甸等多個(gè)國(guó)家的高溫高壓油氣區(qū)。

這套技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值極大，全面應(yīng)用后僅直接經(jīng)濟(jì)效益就高達(dá)216億元。

“整體水平國(guó)際先進(jìn)，多項(xiàng)技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先！”2016年成果鑒定會(huì)上，9位院士作出評(píng)價(jià)。

是“大煉爐”也是“聚寶盆”，世界級(jí)難度倒逼技術(shù)創(chuàng)新

地處歐亞、太平洋和印澳三大板塊交匯處的南中國(guó)海，與美國(guó)墨西哥灣、英國(guó)北海并稱全球三大海上高溫高壓海區(qū)。但相比其他兩個(gè)區(qū)，南中國(guó)海的溫度、壓力更高。鉆井資料顯示，南中國(guó)海地層最高溫249℃，壓力系數(shù)2.38。

“壓力系數(shù)2.38，相當(dāng)于1.25萬(wàn)噸的重物壓在1平方米的面積上，”中國(guó)海油湛江分公司（下稱湛江分公司）總工程師李中說(shuō)，“而且南中國(guó)海臺(tái)風(fēng)頻繁，地層高含CO2?？梢哉f(shuō)，南中國(guó)海高溫高壓區(qū)是一個(gè)名副其實(shí)的‘大煉爐’?！?/p>

但這里同時(shí)也是“聚寶盆”。國(guó)土資源部《全國(guó)油氣資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)》數(shù)據(jù)顯示，南中國(guó)海高溫高壓區(qū)域蘊(yùn)藏著近15萬(wàn)億立方米的天然氣，約占南中國(guó)?？傎Y源量的1/3。

我國(guó)對(duì)南中國(guó)海高溫高壓的認(rèn)識(shí)與勘探起步晚。上世紀(jì)80年代，由于缺乏相關(guān)技術(shù)、人才，不得已引進(jìn)6家國(guó)際石油公司前來(lái)“探寶”。他們耗資49.5億元鉆了15口高溫高壓探井，結(jié)果全部失利，并退出勘探權(quán)益。南中國(guó)海高溫高壓區(qū)天然氣勘探由此成為行業(yè)公認(rèn)的世界級(jí)難題。

“在高溫高壓區(qū)域鉆井，主要難在作業(yè)安全與成本兩方面，”李中說(shuō)，“高溫高壓對(duì)鉆具、鉆井液、固井水泥漿的性能以及作業(yè)方案、人員能力等都提出很大挑戰(zhàn)，作業(yè)時(shí)極易誘發(fā)井壁失穩(wěn)、漏失、井噴甚至船毀人亡等事故。鉆井成本很高，動(dòng)輒數(shù)億元?！?/p>

勘探權(quán)益回歸后，中國(guó)海油總結(jié)外方經(jīng)驗(yàn)和失利教訓(xùn)，繼續(xù)深入探索，很快發(fā)現(xiàn)，南中國(guó)海高溫高壓鉆井之難具體表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

——高壓成因復(fù)雜，鉆前壓力預(yù)測(cè)誤差大，鉆前的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)法“量體裁衣”。再加上作業(yè)時(shí)地層壓力窗口窄、控制難，極易造成溢流井漏甚至井噴，井眼報(bào)廢率高達(dá)30%。

——受地層高含量CO2腐蝕影響，固井質(zhì)量差，井筒泄漏風(fēng)險(xiǎn)及環(huán)空帶壓比例高，一不小心可能給鉆井平臺(tái)造成毀滅性的災(zāi)難。

——探井完鉆，即使發(fā)現(xiàn)良好油氣顯示，也因海上平臺(tái)空間狹小，又受臺(tái)風(fēng)、天然氣水合物、沖蝕、震動(dòng)等影響，測(cè)試作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高，成功率低。

——海況惡劣、地層復(fù)雜，高溫高壓鉆井作業(yè)周期長(zhǎng)、成本高。

要徹底解放南中國(guó)海高溫高壓區(qū)域的天然氣，必須攻克這四大難題。

“合縱連橫”聚力，“看靶射箭”攻關(guān)，“四路揮師”終突破

攻克四大世界級(jí)難題，且是一項(xiàng)龐大的科研工程，單打獨(dú)斗絕不可能完成。對(duì)此，中國(guó)海油加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，由旗下的湛江分公司、研究總院、中海油服、海油發(fā)展等系統(tǒng)內(nèi)單位縱向聯(lián)合，同時(shí)橫向攜手國(guó)內(nèi)石油院校、相關(guān)企業(yè)，共同攻關(guān)。

具體研究中，以國(guó)家863研究項(xiàng)目、國(guó)家重大專項(xiàng)等項(xiàng)目為依托，湛江分公司充分統(tǒng)籌引領(lǐng)，各單位既密切協(xié)作又精細(xì)分工，針對(duì)四大難題“看靶射箭”深攻關(guān)。經(jīng)過(guò)20多年的反復(fù)研究、實(shí)踐、再研究、再實(shí)踐，2010年前后，陸續(xù)形成四大創(chuàng)新成果：

——?jiǎng)?chuàng)建了基于多源多機(jī)制壓力精確預(yù)測(cè)的海上高溫高壓安全鉆井技術(shù)，可以精準(zhǔn)識(shí)別地層異常壓力預(yù)測(cè)和有效控制。

——首創(chuàng)了海上高溫高壓高含CO2氣井多級(jí)屏障井筒完整性技術(shù)，解決了環(huán)空帶壓難題。

——首創(chuàng)了海上多因素多節(jié)點(diǎn)高溫高壓測(cè)試技術(shù)，解決了平臺(tái)狹小空間內(nèi)安全測(cè)試難題?！?jiǎng)?chuàng)新形成了海上高溫高壓鉆井綜合提速和儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)，可以有效提高鉆井效率，大幅降低作業(yè)成本。

這四大創(chuàng)新成果互相支撐，組合形成南海高溫高壓鉆井完井技術(shù)體系。應(yīng)用這套技術(shù)體系，高溫高壓井鉆井成功率100%，測(cè)試成功率100%，平均單井鉆井周期由以前的175天降至52天，成本降低50%。

對(duì)標(biāo)國(guó)際，這套技術(shù)體系中的許多技術(shù)優(yōu)于國(guó)際同行。

例如，首個(gè)創(chuàng)新成果——基于多源多機(jī)制壓力精確預(yù)測(cè)的海上高溫高壓安全鉆井技術(shù)中，就有3項(xiàng)技術(shù)優(yōu)于國(guó)際同行：中國(guó)海油壓力預(yù)測(cè)精度達(dá)95%以上，國(guó)際同行平均只有70%；中國(guó)海油設(shè)計(jì)的井身結(jié)構(gòu)為5層，國(guó)際同行為7~8層；中國(guó)海油的微壓差連續(xù)循環(huán)定量控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)0.01 g/cm3~ 0.02 g/cm3壓差控制，國(guó)際同行只能實(shí)現(xiàn)0.05 g/cm3~0.08 g/cm3的控制壓差。

再比如，海上高溫高壓高含CO2氣井多級(jí)屏障井筒完整性技術(shù)中，中國(guó)海油的固井水泥漿體系及配套固井添加劑，能使固井優(yōu)良率達(dá)100%，而國(guó)外知名油服企業(yè)在南海高溫高壓區(qū)域提供服務(wù)，固井優(yōu)良率低于60%；中國(guó)海油首創(chuàng)的海上6級(jí)屏障井筒完整性技術(shù)，環(huán)空帶壓為零，國(guó)際同行只有2級(jí)屏障，環(huán)空帶壓比例達(dá)50%~70%。

測(cè)試技術(shù)方面，中國(guó)海油能實(shí)現(xiàn)8大因素、98個(gè)安全控制節(jié)點(diǎn)，外方測(cè)試流程只考慮6大因素，安全節(jié)點(diǎn)少。鉆井綜合提速和儲(chǔ)層保護(hù)方面，中國(guó)海油基于巖石粘塑性變化特征的鉆井提速工具和鉆頭，平均機(jī)械鉆速5.32 m/h，同區(qū)塊外方只有2.03 m/h；中國(guó)海油鉆完井液體系儲(chǔ)層保護(hù)效果好，單井費(fèi)用200萬(wàn)元，外方效果相對(duì)欠缺，單井費(fèi)用高達(dá)5 000萬(wàn)元。得益于此，在南海相鄰區(qū)域鉆高溫高壓井的費(fèi)用僅為外方的四分之一。

如今，這套技術(shù)體系已獲專利122件，專著5部、論文169篇、軟件著作權(quán)34項(xiàng)。

全面應(yīng)用建功南海，反向輸出“花香”國(guó)外

掌握了技術(shù)利劍，中國(guó)海油對(duì)鉆高溫高壓井有了自信，同時(shí)也取得了豐碩的勘探成果。

應(yīng)用這套技術(shù)體系，湛江分公司已安全鉆探了54口高溫高壓井，支撐發(fā)現(xiàn)了5個(gè)高溫高壓氣田：2010年、2012年，先后發(fā)現(xiàn)東方13-1與東方13-2兩個(gè)大氣田，近年又先后發(fā)現(xiàn)了陵水13-2、樂(lè)東10-1等氣田。

“相比以前，近年我們實(shí)施的探井井底溫度、壓力明顯上了臺(tái)階?！崩钪姓f(shuō)，“例如，今年10月完鉆的樂(lè)東10-1-3井，溫度接近200℃，儲(chǔ)層壓力13 000 psi。”

近200℃的高溫，達(dá)到了井下工具耐溫極限的98%，儲(chǔ)層壓力超過(guò)13 000 psi，達(dá)到了工具耐壓極限的87%，近9 000 psi的壓差，也接近了工具的極限。但應(yīng)用這套技術(shù)體系，樂(lè)東10-1-3井最終順利完鉆并成功測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了樂(lè)東10-1氣田。

近年實(shí)施的南海高溫高壓探井還面臨深水、低滲等難題，例如2015年實(shí)施的陵水25-1-1井，水深近千米；同年實(shí)施的樂(lè)東10-1-1井，儲(chǔ)層超低滲。正是應(yīng)用這套技術(shù)體系，這兩口井成功實(shí)施，并發(fā)現(xiàn)了我國(guó)首個(gè)深水高溫高壓氣田陵水25-1。

受益于這套技術(shù)，中國(guó)海油還高效開發(fā)投產(chǎn)了我國(guó)首個(gè)高溫高壓氣田東方13-1，鉆井工期較設(shè)計(jì)提前40%，節(jié)省費(fèi)用1.3億元。投產(chǎn)后產(chǎn)能超預(yù)期。

這套技術(shù)體系的適應(yīng)性很強(qiáng)，不僅適用于高溫高壓井，在常規(guī)探井中也能有效應(yīng)用，而且體系中的單項(xiàng)技術(shù)均實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用，僅固井技術(shù)就已應(yīng)用于600口井。

不只是湛江分公司，其他參與技術(shù)攻關(guān)的單位從這套技術(shù)體系也獲得了可觀的“紅利”：中海油服通過(guò)技術(shù)服務(wù)和產(chǎn)品銷售，累計(jì)創(chuàng)效28.67億元；海油發(fā)展通過(guò)設(shè)計(jì)技術(shù)和配套工具技術(shù)服務(wù)，累計(jì)創(chuàng)效7.84億元；深圳一公司創(chuàng)新的技術(shù)和產(chǎn)品，已創(chuàng)效2.11億元。

這套技術(shù)體系還走出國(guó)門，在國(guó)外高溫高壓區(qū)塊48口井中成功應(yīng)用，其中美國(guó)墨西哥灣8口、英國(guó)北海7口、伊拉克米桑18口?！白畛跷覀儫o(wú)技術(shù)、無(wú)人才，只能全盤引進(jìn)外國(guó)石油公司的技術(shù)勘探南海，如今反向輸出技術(shù)，我們很自豪?！闭拷止炯夹g(shù)研發(fā)人員李炎軍說(shuō)。