自古創新多艱辛 不忘初心砥礪行

劉 佳

當今世界，大國博弈從某種程度上來講就是能源博弈。

作為世界上最大的發展中國家，中國是一個能源生產和消費大國，但因為供需矛盾越來越突出，我們對外依存度在年年攀升——2019年，我國石油對外依存度達到了70.8%，天然氣對外依存度達到了43%。扭轉這種被動局面，已經是箭在弦上，不得不發。

為此，國家提出要大力提升國內油氣勘探開發力度，以保障國家能源安全。但我國油氣資源主要集中在深層或多是非常規資源，資源品位差，地質條件復雜。提升我國鉆完井工程技術成為必由之路。

經過多年科研攻關，我國鉆完井技術取得了重大進步，實現了關鍵技術裝備的國產化，形成了較為完善的技術體系，基本滿足了我國油氣勘探開發需求。但一些關鍵核心技術依然存在短板，技術裝備還受制于人，突破那些“卡脖子”短板位置的鉆完井關鍵核心技術，對打破國外封鎖、支撐油氣勘探開發、引領未來技術發展具有重要意義。

肩負使命，勇敢向前。手握“創新”這把提升我國油氣工程技術水平的“金鑰匙”，中國石化集團石油工程首席專家、石油工程技術研究院副院長曾義金和他帶領的團隊這些年來長期致力于復雜深層鉆井理論研究和關鍵技術研發與工業化應用，為提升我國油氣工程技術核心競爭力、復雜深層油氣高效勘探開發水平做出了一系列可圈可點的卓越貢獻。

鉆出一片“深”天地

中國的油氣資源豐富，但地質條件十分復雜且開發成本高。隨著中淺層油氣勘探程度的提高以及方法技術的進步，油氣勘探向深層領域延伸已成必然。深層油氣資源的接替直接關系到我國能源保障能力的提高。

我國深層油氣資源豐富，陸上39%的剩余石油資源和57%的剩余天然氣資源分布在深層，但它們的探明率較低，分別僅為12%和6.3%，所以深層油氣資源是我國增儲上產的重要領域。

國際上把井深超過4500米的井稱為深井，超過6000米的井為超深井，超過9000米的井為特深井。深井超深井鉆井技術是一個國家鉆井水平的重要標志。

雖然意義重大，但對我們國家來說，要挺進地下深處，談何容易。深井超深井鉆井到底有多難？對此，曾義金有著深刻的體會：“我國深層油氣埋藏的地質環境極端復雜，高溫、高壓、高應力，普遍存在鹽膏層、巖石堅硬、縫洞發育等，由于各種復雜因素共存、疊加影響，鉆井中容易引起‘涌、漏、塌、卡、斜等復雜事件，鉆井速度慢、鉆井周期長、作業成本高，因此，深井超深井鉆井是行業內公認的世界級難題。”

明知山有虎，偏向虎山行。雖然面對的是世界級難題，曾義金和他所在的團隊并沒有想過要放棄——從“九五”計劃開始實施起，依托國家重點基金、原國家“863”、重大專項等項目課題，他們以四川和塔里木盆地為對象，將研究重點聚焦在深井超深井鉆井關鍵技術與裝置的提升與研發上，著力“提速、提效、提產”發起了持續攻關。“提速就是破解巖石高效破碎的原理與方法，提高地層鉆井速度，延長一趟鉆的鉆井時間；提效就是降低井下復雜時效，保障井筒穩定，不噴、不漏、不塌；提產就是井眼穿行甜點區，延長水平井長度，溝通有效儲層，提高單井產量。”憑借清晰的思路、目標和方向，多年埋首耕耘，曾義金及其團隊收獲了碩果滿園。

針對提速，他們通過大量的室內研究和現場大數據分析，找到了鉆速慢的原因，并提出了高效破巖新機制，創制了高溫高壓下新鉆頭和提速新工具，構建了深井提速技術。應用新技術后，破巖效率、工具壽命和性能顯著增加，深井鉆井速度提高35%～56%。

針對提效，他們心知解決地層、井筒失穩問題是高效成井的關鍵，這個問題在深井超深井鉆井中非常突出。為此從解決機理入手，他們提出了裂縫、破碎地層和鹽膏層控制方法，開發了新型堵漏新體系和鉆井液體系，構建了鹽膏層套管設計及復雜地層井眼穩定關鍵技術。相關技術應用使一次性堵漏成功率由32%提高到 84.5%，復雜失效由23%降到4%～8%，井下無卡鉆、套管無損壞。

針對提產，他們研制了軌跡測量高溫儀器、定向鉆頭、定點酸壓工具，開發了環保型低摩阻鉆井液、耐高溫酸液，形成了超深水平井隨鉆精準鉆井和高效開發技術。他們還創新技術助力深層油氣開發，使得水平井中靶率達到了100%，水平段延伸能力提高了60%，有效儲層鉆遇率達到91%，顯著提高了油氣產量。2020年5月1日中央電視臺報道的塔里木盆地高產發現的日產油450多方的順北71X井就應用了相關技術。

曾義金還組織研發了高溫高壓環境下鉆井液、水泥漿等配套技術與工具。技術創新使鉆井周期縮短近50%，成本降低35%以上。支撐了元壩、塔河、順北等我國超深層大型油氣田的勘探開發。技術進步使過去鉆不成的井變成能鉆成，沒效益的儲層變成了高效油氣區，鉆成了塔深1、川深1、順北鷹1井等30余口井深超8000m的高難度井，多次刷新亞洲直井和世界超深水平井最深紀錄，使我國深井超深井鉆井技術走在了世界的前列。

揭開非常規油氣“面紗”

21世紀初，北美頁巖氣革命成功改變了世界地緣油氣格局，也深刻地影響了我國。頁巖氣作為一種非常規清潔能源，在我國也成為勘探開發的熱點，同時也開拓了鉆完井技術創新發展的新途徑。

“頁巖氣高效開發依賴于水平井鉆井和分段壓裂技術進步，由于我國地面、地下條件的復雜性，北美頁巖氣工程技術不能復制，必須建立適合我國的自主化工程技術。”曾義金說。與北美頁巖氣區相比，我國頁巖氣主要集中在四川盆地及周緣，地處山區，埋藏更深，受多期次強烈的造山構造運動影響，主力儲層傾角大、有效層位薄，地質條件更復雜，鉆完井工程面臨著一系列技術挑戰。曾義金作為中國石化工程技術領域帶頭人，沖在前頭，承擔起帶領團隊用創新攻克系列難關的重任。

“頁巖氣開發工程技術對我們來說是全新、空白的領域，在開發初期，關鍵技術主要依靠國外，成本高不說，效果還差。舉步維艱讓我們意識到只有依靠自己創新技術來開發才會有效益可言。”曾義金說。從2010年開始，他帶領團隊從學習北美技術入手，針對涪陵頁巖氣特點開展關鍵技術研究。為了更好、更快地發展技術，他每個星期都要組織團隊召開研討會，明確技術方向，解決關鍵難題。同時和中科院武漢巖土所、中國石油大學、A&M大學、油田企業等密切合作，形成產學研多學科研發機制。通過不斷研究與實踐，在國內率先實現了頁巖氣自主化開發工程技術系列，已授權發明專利100余件。

春播一粒粟，秋收萬顆子。針對水平井鉆井，曾義金及其團隊建立了適合我國儲層特性的開發工程關鍵技術理論，形成了地質工程一體化設計技術，開發智能化實時精準導航技術，研制了高性能鉆井液等，構建了“山地”井工廠水平井優快鉆井技術，使得鉆井周期由百余天降到45～60天，有效儲層鉆遇率達95%；針對分段壓裂，他們研究了裂縫形成規律，研制了高減阻滑溜水體系及系列分段壓裂工具，形成了縫網壓裂控制方法；針對環空密封失效，他們還揭示了水泥石和套管損傷機理，提出了有限位移套管損壞機理，開發彈韌性水泥漿體系，制定了相應的控制技術，使得井口帶壓井由85%降低到10%以內，套損率降低了68.5%……當一個又一個自主創新的技術被開發出來，曾義金及其團隊在地層深處奏響了一曲來自中國石油人的自強之歌。

這一系列自主創新的技術支撐了我國第一口勘探突破井——焦頁1HF井的開發，為涪陵頁巖氣100億方產能建設提供了技術支撐，使我國成為繼美國之后第二個成功開發頁巖氣的國家，工程成本降低了35%以上。

“我國深層、常壓頁巖氣還沒有實現效益開發，陸相頁巖油氣才剛剛開始，還有很多難題需要攻關。可以充分地相信，我國非常規油氣開發工程技術會不斷完善。”雖然研究取得累累碩果，但曾義金及其團隊并沒有因此停下腳步，轉身投入到新的戰斗中。

突破“卡脖子”短板技術

深井鉆井技術的競爭歸根結底是核心技術裝置的競爭。不可否認，我國深井鉆井技術雖然取得了長足的進步，但與國外先進水平相比還有不少的差距，許多方面受制于國外。

“上游的卡點主要在油氣工程領域，代表鉆井技術最高水平的旋轉導向系統、高溫高隨鉆測井＼測量儀器被國外公司所壟斷，它們處于卡脖子核心部位。”曾義金對造成這一局面的關鍵點有著清醒的認識。落后就要挨打，嚴峻的形勢讓他意識到，必須要立足于自主創新，打破壟斷，才能讓我國深井鉆井技術迎來新的春天。

“高端產品研發和成熟定性周期長，涉及知識的復雜性、嵌入性和技術訣竅”，曾義金說，“其重大技術突破的商用生態依賴性強，需要在實踐中不斷試錯和測試、完善，積累大量經驗數據來持續提高性能”。根據這些認識，曾義金以問題、目標為導向，組織全院做好頂層設計，統一思想認識，堅持研發、生產、應用一體化發展模式，取得了良好的效果。

面對核心技術被封鎖和文獻資料稀缺的處境，曾義金及其帶領的研發團隊沒有絲毫退縮，而是勇敢、堅定地開啟了自主創新的征程。他們選擇以高溫高壓隨鉆測井、隨鉆測量儀器作為突破口，對標國外最先進的技術，從一個個電子元件的篩選、一塊塊電路板設計入手，通過單元、模塊、連橋和模擬井的反復測試，經過幾年時間的磨煉，最終使得產品技術室內性能達標。

“但室內達標只是第一步，大規模應用才是目標，否則實驗室‘樣品性能再高，也難以形成商業價值。”帶著技術產品惠及應用的夢想，他們和油田企業展開了密切的合作，對研發的產品不斷在現場油氣井中檢驗，通過多輪次的現場實驗，在大量的數據分析和發現問題的基礎上，不斷修正設計方案、改進材料和結構、完善制造標準，最后達到工業化產品定型。

俗話說“十年磨一劍”，日積月累的堅持努力終于有了回報，曾義金及其團隊研制的隨鉆測井、測量儀器取得了重大突破。他們借鑒地面通訊基站原理，獨創了井下信號中繼技術，實現了電磁信號接力傳輸，在國內外首創了中繼式雙信道井眼軌跡隨鉆測量系統，并實現了工業化應用。儀器耐溫達到175°，解決了電磁波傳輸深度受限和空氣鉆井軌跡測量的難題。他們研發的“電磁波-泥漿脈沖”雙信道一體化傳輸平臺，使該測量系統可以“全天候”在井內復雜流體中實現測量，比國外同類產品要先進；基于磁偶極子原理，研制的隨鉆電磁波伽馬、電阻率成像系統也開始規模化應用，在涪陵頁巖氣、順北超深層水平井鉆井中發揮了作用，并不斷取代國外產品，有效儲層鉆遇率從64%提高到95%以上，顯著提高了鉆井效率和油氣產量，鉆井成本明顯降低。

科學探索永無止境，據了解，曾義金及其團隊正在研制的旋轉導向系統也進展順利，已經完成了模擬井測試，正在進入現場試驗階段。對未來，曾義金充滿信心：“中華民族是勤勞的民族，外國人的封鎖，只能激發我們的愛國熱情和聰明才智，他們能做到的我們一定能做到，只要持之以恒，‘卡脖子問題都能被解除。”

創新引領重大技術

近年來，在黨中央“建設世界科技強國”的號召下，中國石化確立了“兩個三年”和“兩個十年”發展目標。根據集團公司上游“穩油增氣”戰略需求，中石化工程技術研究院按照技術發展戰略布局，正在制定“十四五”發展規劃，他們聚焦油氣工程基礎前沿和勘探開發主戰場，以補短板和關鍵技術的創新為突破口，大力攻關面向未來、關系長遠發展的“卡脖子”重大關鍵技術，支撐當前、引領未來。

正如中國工程院蘇義腦院士所說，鉆井技術發展追求的目標是實現“更快、更便宜、更安全、更聰明”。中國石化未來國內油氣重點領域仍然是深部和非常規油氣，要實現目標需求還面臨眾多的技術難題。為了應對國際油價劇烈震蕩的影響，中國石化油氣及新能源板塊提出了“提質、提速、提效、提產”工作部署及攻克高溫高壓隨鉆測控等關鍵技術，而曾義金作為中國石化石油工程領域首席專家，責任很重，壓力很大。但他仍堅定地表示，會按照集團的要求，責無旁貸地扛起重任，組織團隊集中精力攻關制約當前發展的高端技術，持續攻克“卡脖子”短板技術，以滿足復雜對象和復雜環境優快鉆完井要求，實現低成本、油氣高效開發的目標。言語樸實，但也盡顯了他求真務實的科學素養。

持續組織重大關鍵技術攻關的同時，曾義金還帶領團隊對中國石化重點地區鉆完井技術開展了評價，希望找出問題癥結，明確攻關方向，對成熟技術進行固化，通過技術示范，以實現技術系列化、標準化、模塊化和降本增效、提升技術水平的目的。

物聯網、大數據、云計算、人工智能、智能材料等高新技術的快速發展，催生了新一輪科技及產業革命，也將曾義金和他帶領的團隊推向了風口浪尖。“油氣技術正在進行第五次技術革命，智能化技術是重要的標志，智能化鉆完井技術將成為油氣增儲上產、降本增效的有效手段。”“油氣工程技術跨界融合不斷促進油氣工程技術升級換代，加速了油氣勘探開發的轉型升級，將產生新的重大技術和顛覆性技術。”新一輪科技競賽一觸即發，為搶占制高點，國外大公司都增大了技術投資，發展迅速。曾義金及其團隊也是揚鞭奮蹄、與時俱進。“第五次技術革命是我國追趕和引領的機遇期，要緊緊抓住，不要形成新的短板，甚至再次被人‘卡脖子”，帶著這樣的想法，他承擔起中國石化智能化鉆完井技術項目研究，加快推進信息技術、人工智能、通信技術的融合，為最終實現井下-地面-遠程鉆完井自動化智能化閉環控制技術目標奮力拼搏。

當前，全球科技競爭不斷向基礎科學研究前移，基礎科學研究日益成為科技創新的核心動力。很早以前，曾義金及其團隊就意識到創新的重要性，“我國油氣工程技術原創性技術還不多，要充分發揮基礎研究對科技創新的源頭供給和引領作用。”曾義金說。多年來，他帶領團隊堅持將基礎研究作為重點關注的方向，聚焦油氣工程關鍵核心技術的解決，發動起相關領域眾多涉及其中的基礎學科，如信息、機械、電子、化學、材料領域的專家，發揮社會力量聯合攻關，眾人拾柴火焰高，取得了不錯的成績。

以中國工程院馬永生院士牽頭的勘探開發工程技術基礎研究聯合基金項目，聚集國內相關人才資源開展攻關，其中包括鉆完井新理論和超高溫MWD與遠/前探測技術基礎。作為攻關核心成員，曾義金感到有壓力也充滿信心，他說，在馬院士的帶領下，通過這個項目的基礎研究，將會產生一些新的技術理論和方法，為“卡脖子”重大技術攻克和原始創新技術的重大突破提供戰略支撐。

“創新之路是艱辛的、寂寞的，甚至會面臨失敗，但只要我們直面問題、迎難而上，一定能夠在國際競爭中實現超越。”對未來，曾義金一如既往充滿信心，他說：“科學研究是我少時的夢想，我會不忘初心，在科技創新的大路上砥礪前行。”

專家簡介

曾義金，教授級高工，中國石化集團石油工程領域首席專家，中國石化石油工程技術研究院副院長，頁巖氣富集機理及有效開發國家重點實驗室副主任，國家頁巖油氣研發中心副主任，中國巖石力學與工程學會深層巖石力學專業委員會副主任。長期致力于復雜深層鉆井理論研究和關鍵技術研發與工業化應用，先后主持國家和省部級項目50多項，取得了系統的、創新性的成果，創造了重大經濟社會效益，為我國復雜深層油氣、非常規油氣勘探開發和鉆井技術進步做出了突出貢獻。獲得國家科技進步獎二等獎3項，省部級科技進步獎一等獎6項，是新世紀國家百千萬人才工程國家級人選，國務院政府特殊津貼獲得者，發表論文105篇，出版著作5部。