海外高效開采彰顯中國(guó)智慧

倪海龍

路保平在項(xiàng)目研究工作中

科學(xué)技術(shù)作為第一生產(chǎn)力，已成為當(dāng)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的決定因素，并受到世界各國(guó)的廣泛重視。一個(gè)國(guó)家的科技水平和公民的科技素養(yǎng)直接關(guān)系民族的強(qiáng)盛和社會(huì)的進(jìn)步。2018年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)已于2019年新年伊始在北京人民大會(huì)堂隆重舉行。這一年一度的科技盛宴，再次向國(guó)人、向世界展示了中國(guó)科學(xué)界的實(shí)力和水平，彰顯出了國(guó)家和民族的創(chuàng)新能力和自信風(fēng)采。中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院院長(zhǎng)路保平正是本屆大會(huì)獲獎(jiǎng)科學(xué)家中的一位。此次，他作為第一完成人的“高酸性活躍厚瀝青層復(fù)雜碳酸鹽巖油田鉆完井技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目，從眾多出色的科研項(xiàng)目中脫穎而出，最終榮獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。這份榮譽(yù)是對(duì)他和團(tuán)隊(duì)成員多年以來(lái)不懈付出的肯定，更是大家同心協(xié)力用執(zhí)著、用智慧、用汗水澆灌出的科研成果。從國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人手中接過(guò)獲獎(jiǎng)證書的那一刻，路保平感慨萬(wàn)千……

樹立合作典范 贏得多方贊譽(yù)

2004年，中國(guó)石化集團(tuán)與某國(guó)簽訂了油田開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目合作備忘錄。2007年年底，雙方正式簽署了開發(fā)碳酸鹽巖油田的合作協(xié)議。2008年年初，“高酸性活躍厚瀝青層復(fù)雜碳酸鹽巖油田鉆完井技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目正式拉開了帷幕。

眾所周知，“一帶一路”沿線分布多個(gè)大型碳酸鹽巖油氣田，是我國(guó)能源合作的重點(diǎn)領(lǐng)域，涉及國(guó)家能源安全戰(zhàn)略。該項(xiàng)目涉及的油田是中國(guó)石化在海外首個(gè)自主設(shè)計(jì)、開發(fā)建設(shè)的千萬(wàn)噸級(jí)整裝新油田，已探明石油儲(chǔ)量約32億桶，天然氣儲(chǔ)量約800億立方米。預(yù)計(jì)每日的石油產(chǎn)量可達(dá)到30萬(wàn)桶。但該油田屬于典型的高酸性復(fù)雜碳酸鹽巖油藏，地質(zhì)條件復(fù)雜，碳酸鹽巖厚度達(dá)3000米，活躍瀝青層厚度約130米，地層多腐蝕介質(zhì)并存（H2S 0.67%，CO26.34%，地層水礦化度90000p p m），這就為其鉆完井施工帶來(lái)了諸多難題與挑戰(zhàn)。

路保平和團(tuán)隊(duì)成員們，克服了生活飲食等諸多的不便，直面挑戰(zhàn)迎難而上。通過(guò)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)，最終在碳酸鹽巖地層孔隙壓力預(yù)測(cè)、活躍厚瀝青層安全鉆井等方面取得重大突破，形成了高酸性活躍厚瀝青層復(fù)雜碳酸鹽巖油田鉆完井技術(shù)體系，保障了油田一期年產(chǎn)500萬(wàn)噸大型油田在合同周期內(nèi)高水平、高速度、高質(zhì)量的建成與投產(chǎn)。

與此同時(shí)，該項(xiàng)目的成功也促進(jìn)了“一帶一路”倡議的實(shí)施，為保障國(guó)家能源安全戰(zhàn)略做出了突出貢獻(xiàn)。尤其是“自主設(shè)計(jì)、自主開發(fā)、自主建設(shè)”的油田開發(fā)模式，更為國(guó)內(nèi)石油工程服務(wù)板塊集群走向海外、一體化協(xié)同作戰(zhàn)起到了示范作用。油田一期高質(zhì)量如期建成已成為“一帶一路”沿線國(guó)家大型能源項(xiàng)目成功合作的典范，并得到了合作方的高度肯定。

此外，該項(xiàng)目中取得的一系列創(chuàng)新技術(shù)成果，更是贏得了國(guó)內(nèi)專業(yè)人士的高度贊譽(yù)，這讓路保平和團(tuán)隊(duì)成員頗感自豪。以蘇義腦院士為主任、李根生院士為副主任的鑒定委員會(huì)對(duì)相關(guān)成果鑒定后表示：“針對(duì)油田高酸性、活躍厚瀝青層、高溫高壓復(fù)雜碳酸鹽巖地層鉆完井難題，經(jīng)過(guò)十年攻關(guān)，該項(xiàng)目創(chuàng)新形成了以碳酸鹽巖孔隙壓力預(yù)測(cè)、活躍瀝青層安全鉆井、高效鉆頭研制、高酸性環(huán)境井筒完整性、孔隙型碳酸鹽巖儲(chǔ)層長(zhǎng)井段均勻改造為核心的鉆完井井筒關(guān)鍵技術(shù)，全面支撐了油田的高效開發(fā)”“其中基于流體聲速的碳酸鹽巖地層孔隙壓力預(yù)測(cè)方法、‘三劑一具’瀝青侵入控制技術(shù)為國(guó)際領(lǐng)先”。

這些具有國(guó)際領(lǐng)先水平的技術(shù)成果，是路保平及其團(tuán)隊(duì)累累碩果的集中體現(xiàn)。項(xiàng)目成果獲授權(quán)發(fā)明專利15件，發(fā)表論文55篇，出版專著2部，獲軟件著作權(quán)2項(xiàng)。其中，“大型油田復(fù)雜地質(zhì)條件鉆完井關(guān)鍵技術(shù)及工業(yè)化應(yīng)用”榮獲中國(guó)石油化工集團(tuán)公司2016年度科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，“中東富油氣區(qū)復(fù)雜地層井筒關(guān)鍵技術(shù)及工業(yè)化應(yīng)用”榮獲中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)2015年度科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

在中東現(xiàn)場(chǎng)開展成果推廣

敢于直面挑戰(zhàn)用“新”成就科研

“不經(jīng)一番寒徹骨，怎得梅花撲鼻香”，壓力往往也是最好的動(dòng)力。縱觀古今，正是由于困境與難題的存在，才激發(fā)出人類更大的潛能，催生出新思路、新技術(shù)。該油田復(fù)雜的地質(zhì)條件，決定了想要實(shí)現(xiàn)其順利開發(fā)和長(zhǎng)效生產(chǎn)，就必須因地制宜地研制出新理論、新技術(shù)、新工具。

毋庸置疑，地層孔隙壓力是鉆井工程設(shè)計(jì)和施工需要依據(jù)的重要參數(shù)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地層孔隙壓力是確保鉆井井控安全、確定合理鉆井液密度、設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)和保證井壁穩(wěn)定的基礎(chǔ)。而碳酸鹽巖地層具有非均質(zhì)性強(qiáng)、孔洞及裂縫發(fā)育等特點(diǎn)，這就使傳統(tǒng)孔隙壓力的求取方法不再適用。

為此，路保平他們創(chuàng)新建立了基于流體聲速的碳酸鹽巖孔隙壓力預(yù)測(cè)方法。他們基于彈性力學(xué)、流體力學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了流體聲速-彈性模量-流體壓力間的響應(yīng)特征，揭示了流體聲速隨流體壓力的變化規(guī)律，提出了流體聲速可以反映地層孔隙壓力的新認(rèn)識(shí)，奠定了碳酸鹽巖地層孔隙壓力預(yù)測(cè)的理論基礎(chǔ)，為應(yīng)用地球物理聲波速度預(yù)測(cè)碳酸鹽巖地層孔隙壓力指明了方向。正是在新理論的指導(dǎo)下，路保平他們最終建立了地層孔隙壓力與流體聲速響應(yīng)模型，形成了碳酸鹽巖地層孔隙壓力預(yù)測(cè)方法，并開發(fā)了計(jì)算軟件，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。該方法在碳酸鹽巖地層孔隙壓力的預(yù)測(cè)精度達(dá)95%，而常規(guī)方法預(yù)測(cè)精度只有63%，這使得井身結(jié)構(gòu)得以進(jìn)一步優(yōu)化，套管層次減少一層，累計(jì)節(jié)約套管25300米。

與此同時(shí)，該油田還存在活躍厚瀝青層瀝青侵入嚴(yán)重、溢漏并存的問(wèn)題，這就導(dǎo)致常規(guī)提高密度壓井無(wú)法控制侵入，使得鉆井及井控風(fēng)險(xiǎn)增大，從而給鉆井施工帶來(lái)嚴(yán)重影響。路保平他們針對(duì)這一難題集思廣益，最終攻克了控制瀝青侵入的世界級(jí)難題，創(chuàng)新形成了活躍厚瀝青層安全鉆井技術(shù)。

他們首先構(gòu)建了可視化井筒-地層耦合流動(dòng)實(shí)驗(yàn)室，以3D技術(shù)打印真實(shí)的裂縫空間形態(tài)，可視化模擬了井筒-有限圈閉瀝青層之間的流體耦合流動(dòng)特征，揭示了瀝青侵入機(jī)理為鉆井液與瀝青密度差所致的重力置換，創(chuàng)建了“瀝青侵入量與瀝青層厚度、通道尺度、鉆井液-瀝青密度差正相關(guān)”的數(shù)學(xué)模型。此外，他們提出了降低工作液與瀝青的密度差、封堵置換通道，不依靠提高密度壓井的“以堵代壓”控制瀝青侵入思路，拓展了井控理論；創(chuàng)新建立了封堵井筒-瀝青層通道控制瀝青侵入的新方法；研發(fā)了氧化固化劑、自交聯(lián)固化劑、降粘附劑和隨鉆封隔工具，即“三劑一具”這一關(guān)鍵技術(shù)載體，從而可實(shí)現(xiàn)安全棄井。在此基礎(chǔ)上，路保平他們還研發(fā)出“化學(xué)封堵+物理阻隔+控壓鉆井”活躍厚瀝青層安全鉆井新工藝，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜瀝青層安全高效鉆井，并取得復(fù)雜時(shí)效降低81%，成井率100%的優(yōu)異成果。

顯而易見，H2S和C O2在有水條件會(huì)導(dǎo)致完井管柱全面腐蝕和局部腐蝕。當(dāng)系統(tǒng)中同時(shí)含有這兩種腐蝕氣體時(shí)，腐蝕情況將會(huì)更加復(fù)雜。而管材的腐蝕會(huì)增加管材的投入成本，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響油氣井正常生產(chǎn)，從而給石油開采帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

針對(duì)油田多腐蝕介質(zhì)并存的特點(diǎn)，路保平他們揭示了H2S、C O2及高礦化度地層水共存條件下的水泥石“擴(kuò)散-溶蝕-膨脹”腐蝕機(jī)理，指出酸性氣體擴(kuò)散到水泥石中，會(huì)溶蝕水泥石中的氫氧化鈣及水化硅酸鈣，進(jìn)而降低水泥石強(qiáng)度，反應(yīng)生成硫酸鈣和碳酸鈣等產(chǎn)物，引起水泥石膨脹并發(fā)生破壞。他們還提出了增加水泥石密實(shí)度降低擴(kuò)散、減少易溶蝕成分等防止水泥石腐蝕的技術(shù)思路。此外他們還發(fā)明了耐H2S、C O2共同腐蝕的水泥石防腐劑；基于顆粒級(jí)配理論，建立了以防腐劑和膠乳為主劑的防腐型膠乳彈性水泥漿體系，實(shí)現(xiàn)了高酸性環(huán)境下水泥環(huán)長(zhǎng)久穩(wěn)定密封。該技術(shù)可使水泥石年腐蝕速率小于1.5毫米，固井質(zhì)量合格率為100%。在此基礎(chǔ)上，路保平他們進(jìn)一步研發(fā)了完井管柱物理、化學(xué)雙重防腐和一體化流動(dòng)保障技術(shù)，自應(yīng)用以來(lái)至今未發(fā)生井口帶壓等問(wèn)題。這一技術(shù)成果也得到了業(yè)內(nèi)人士的肯定，2010年國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題專家組對(duì)“中東富油氣區(qū)鉆井、完井工藝技術(shù)研究”曾留下這樣的評(píng)語(yǔ)：“開展的H2S和C O2聯(lián)合腐蝕條件下的水泥石腐蝕試驗(yàn)，取得了腐蝕規(guī)律，在此基礎(chǔ)上優(yōu)選了防腐劑。形成了高溫高壓高含硫地層提高固井質(zhì)量的綜合技術(shù)措施和現(xiàn)場(chǎng)固井工藝技術(shù)。”“提出了酸性環(huán)境下的防腐材料優(yōu)選，形成了一套高含硫地層的安全鉆井技術(shù)”。

俗話說(shuō)“工欲善其事，必先利其器”，一個(gè)合適的工具往往能夠大幅度地提高工作效率，乃至促進(jìn)一個(gè)行業(yè)的發(fā)展。例如，在我國(guó)古代，人們通常是用斧頭砍伐木材，效率極低。而當(dāng)魯班在絲茅草的啟發(fā)下發(fā)明鋸子之后，工匠們的勞動(dòng)效率得以成倍提高。并且隨著一系列木工工具的發(fā)明，中國(guó)土木工藝也出現(xiàn)了嶄新的面貌。

面對(duì)以碳酸鹽巖為主、且含有不等泥頁(yè)巖的儲(chǔ)層巖性時(shí)，如何提高鉆井效率，縮短鉆井周期就成為擺在路保平他們面前的一道難題。針對(duì)強(qiáng)研磨性硬地層機(jī)械鉆速低、鉆頭壽命短的難題，他們不懈思考，潛心攻關(guān)，基于犁切高效破巖機(jī)理，最終發(fā)明了錐形P D C齒，并成功研發(fā)了錐形PDC齒+柱狀PDC齒、錐形PDC齒+孕鑲金剛石兩種新型復(fù)合鉆頭，使機(jī)械鉆速提高了45.5%。此外，他們還形成了高滲透孔隙型碳酸鹽巖地層長(zhǎng)裸眼防壓差卡鉆技術(shù)，并取得了令人滿意的效果。成果已在該油田的50多口井中得到推廣應(yīng)用，截至目前均未發(fā)生壓差卡鉆，防卡率達(dá)100%。

與成果應(yīng)用方技術(shù)人員交流

該油田存在碳酸鹽巖儲(chǔ)層溫度高、酸巖反應(yīng)速度快的特點(diǎn)，而這也導(dǎo)致了長(zhǎng)井段均勻改造難度大，增產(chǎn)效果差。針對(duì)這一現(xiàn)狀，路保平他們基于溶蝕實(shí)驗(yàn)和流動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，揭示了孔隙型碳酸鹽巖儲(chǔ)層緩速酸蚓孔形成機(jī)理，建立了徑向條件下多因素影響的蚓孔形成與擴(kuò)展模型，實(shí)現(xiàn)70厘米深度酸化，突破了30厘米蚓孔長(zhǎng)度極限。與此同時(shí)，他們基于疏水締合提高聚合物溶液粘黏度的技術(shù)原理，利用接枝共聚締合單體的合成方法，發(fā)明了耐溫耐酸疏水締合稠化劑，研發(fā)了泡沫稠化緩速酸體系，實(shí)現(xiàn)耐溫140℃，黏度30mPa.s以上，緩速性能比常規(guī)酸提升40倍。該技術(shù)成果在國(guó)際范圍上來(lái)講也是一次成功創(chuàng)新。

此外，為了進(jìn)一步提高單井產(chǎn)量，他們基于三分之一架橋理論和優(yōu)勢(shì)通道控制方法，創(chuàng)建了循環(huán)暫堵轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)模型，形成了連續(xù)油管定點(diǎn)布酸、暫堵劑逐級(jí)分流及循環(huán)暫堵轉(zhuǎn)向三位一體的均勻酸化工藝，最終實(shí)現(xiàn)了900米井段均勻有效改造，取得平均單井增產(chǎn)5.5倍的可喜成果。

繼往開來(lái) 任重道遠(yuǎn)

“萬(wàn)丈高樓平地起”，今日的滿滿收獲正是昨日經(jīng)年累月的付出。從“高酸性活躍厚瀝青層復(fù)雜碳酸鹽巖油田鉆完井技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目的開始，到2014年年底項(xiàng)目順利完成，直到國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)的獲得，這期間的艱辛磨難數(shù)不勝數(shù)。7年的時(shí)間里，有過(guò)無(wú)數(shù)個(gè)不眠不休的夜晚，有過(guò)數(shù)不清的計(jì)算推理，更有過(guò)反復(fù)多次的建模實(shí)驗(yàn)。寒來(lái)暑往中，遠(yuǎn)在海外的路保平及其他科研工作者們正是抱著不畏困難、不懼失敗的決心，用自己的青春和汗水，用智慧與執(zhí)著，譜寫出一曲海外石油開采的贊歌。

與項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)人現(xiàn)場(chǎng)檢查成果應(yīng)用效果

“高酸性活躍厚瀝青層復(fù)雜碳酸鹽巖油田鉆完井技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目所取得的優(yōu)異成果，也令每一位曾親身參與其中的科研工作者感到欣慰與自豪。該成果在油田建設(shè)中得到了全面應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)平均鉆井周期縮短44.5%、非生產(chǎn)時(shí)間降低31.7%、50余口井鉆完井成本節(jié)約1.08億美元。特別是瀝青層安全鉆井工程技術(shù)的突破，使地質(zhì)儲(chǔ)量增加了12億噸。與此同時(shí)，該成果已在油田二期工程方案設(shè)計(jì)中應(yīng)用，并在我國(guó)新疆塔里木盆地、四川盆地和鄂爾多斯盆地推廣應(yīng)用148井次。

由此可見，該項(xiàng)目的成果不僅是鉆完井技術(shù)理論創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新的典范，更為我國(guó)復(fù)雜碳酸鹽巖油田勘探開發(fā)提供了可復(fù)制、可推廣的鉆完井關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)了石油工程學(xué)科的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步?？梢哉f(shuō)是在我國(guó)油田勘探開發(fā)史上留下了濃墨重彩的一筆。但同時(shí)它也確實(shí)存在著一定的技術(shù)局限性，這將是路保平及其他團(tuán)隊(duì)成員未來(lái)科研進(jìn)一步突破的方向之一。譬如，基于流體聲速的地層孔隙壓力預(yù)測(cè)方法雖然有效提高了預(yù)測(cè)精度，但在利用小波理論對(duì)地球物理聲波速度進(jìn)行骨架速度和流體速度分離時(shí)，其應(yīng)用軟件操作的便利性還有待提高。而其研發(fā)的瀝青降粘附劑，雖然能夠有效去除侵入井筒內(nèi)的瀝青，但現(xiàn)場(chǎng)施工加入瀝青降粘附劑時(shí)還存在發(fā)泡現(xiàn)象，也亟待完善。

隨著我國(guó)石油消費(fèi)和對(duì)外依存度的快速增長(zhǎng)，石油安全問(wèn)題將越來(lái)越凸顯其重要的戰(zhàn)略地位。而石油工程是發(fā)現(xiàn)油氣、探明儲(chǔ)量、提高油氣及采收率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和有效手段，因此，分析解決關(guān)鍵工程技術(shù)難題，形成配套的解決方案和技術(shù)對(duì)策，就是支撐海外油氣勘探開發(fā)的重要前提條件和技術(shù)基礎(chǔ)。中國(guó)石化自2003年實(shí)施“走出去”發(fā)展戰(zhàn)略以來(lái)，通過(guò)油氣勘探開發(fā)等途徑不斷開拓海外市場(chǎng)，取得了令人矚目的油氣勘探開發(fā)成果，已基本形成了海外油氣業(yè)務(wù)發(fā)展布局。該科研項(xiàng)目所取得的成果和獎(jiǎng)勵(lì)，將激勵(lì)路保平他們繼續(xù)攻克不斷出現(xiàn)的技術(shù)難題，研發(fā)出更多先進(jìn)實(shí)用、性能可靠的高新技術(shù)產(chǎn)品，從而進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)海外油氣資源勘查開發(fā)進(jìn)程。