海外高效開采彰顯中國智慧

倪海龍

路保平在項目研究工作中

科學技術作為第一生產力，已成為當代經濟發展的決定因素，并受到世界各國的廣泛重視。一個國家的科技水平和公民的科技素養直接關系民族的強盛和社會的進步。2018年度國家科學技術獎勵大會已于2019年新年伊始在北京人民大會堂隆重舉行。這一年一度的科技盛宴，再次向國人、向世界展示了中國科學界的實力和水平，彰顯出了國家和民族的創新能力和自信風采。中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院院長路保平正是本屆大會獲獎科學家中的一位。此次，他作為第一完成人的“高酸性活躍厚瀝青層復雜碳酸鹽巖油田鉆完井技術及應用”項目，從眾多出色的科研項目中脫穎而出，最終榮獲國家科學技術進步獎二等獎。這份榮譽是對他和團隊成員多年以來不懈付出的肯定，更是大家同心協力用執著、用智慧、用汗水澆灌出的科研成果。從國家領導人手中接過獲獎證書的那一刻，路保平感慨萬千……

樹立合作典范 贏得多方贊譽

2004年，中國石化集團與某國簽訂了油田開發建設項目合作備忘錄。2007年年底，雙方正式簽署了開發碳酸鹽巖油田的合作協議。2008年年初，“高酸性活躍厚瀝青層復雜碳酸鹽巖油田鉆完井技術及應用”項目正式拉開了帷幕。

眾所周知，“一帶一路”沿線分布多個大型碳酸鹽巖油氣田，是我國能源合作的重點領域，涉及國家能源安全戰略。該項目涉及的油田是中國石化在海外首個自主設計、開發建設的千萬噸級整裝新油田，已探明石油儲量約32億桶，天然氣儲量約800億立方米。預計每日的石油產量可達到30萬桶。但該油田屬于典型的高酸性復雜碳酸鹽巖油藏，地質條件復雜，碳酸鹽巖厚度達3000米，活躍瀝青層厚度約130米，地層多腐蝕介質并存（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了諸多難題與挑戰。

路保平和團隊成員們，克服了生活飲食等諸多的不便，直面挑戰迎難而上。通過產學研相結合的多學科聯合攻關，最終在碳酸鹽巖地層孔隙壓力預測、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雜碳酸鹽巖油田鉆完井技術體系，保障了油田一期年產500萬噸大型油田在合同周期內高水平、高速度、高質量的建成與投產。

與此同時，該項目的成功也促進了“一帶一路”倡議的實施，為保障國家能源安全戰略做出了突出貢獻。尤其是“自主設計、自主開發、自主建設”的油田開發模式，更為國內石油工程服務板塊集群走向海外、一體化協同作戰起到了示范作用。油田一期高質量如期建成已成為“一帶一路”沿線國家大型能源項目成功合作的典范，并得到了合作方的高度肯定。

此外，該項目中取得的一系列創新技術成果，更是贏得了國內專業人士的高度贊譽，這讓路保平和團隊成員頗感自豪。以蘇義腦院士為主任、李根生院士為副主任的鑒定委員會對相關成果鑒定后表示：“針對油田高酸性、活躍厚瀝青層、高溫高壓復雜碳酸鹽巖地層鉆完井難題，經過十年攻關，該項目創新形成了以碳酸鹽巖孔隙壓力預測、活躍瀝青層安全鉆井、高效鉆頭研制、高酸性環境井筒完整性、孔隙型碳酸鹽巖儲層長井段均勻改造為核心的鉆完井井筒關鍵技術，全面支撐了油田的高效開發”“其中基于流體聲速的碳酸鹽巖地層孔隙壓力預測方法、‘三劑一具’瀝青侵入控制技術為國際領先”。

這些具有國際領先水平的技術成果，是路保平及其團隊累累碩果的集中體現。項目成果獲授權發明專利15件，發表論文55篇，出版專著2部，獲軟件著作權2項。其中，“大型油田復雜地質條件鉆完井關鍵技術及工業化應用”榮獲中國石油化工集團公司2016年度科學技術進步獎一等獎，“中東富油氣區復雜地層井筒關鍵技術及工業化應用”榮獲中國石油和化學工業聯合會2015年度科學技術進步獎一等獎。

在中東現場開展成果推廣

敢于直面挑戰用“新”成就科研

“不經一番寒徹骨，怎得梅花撲鼻香”，壓力往往也是最好的動力。縱觀古今，正是由于困境與難題的存在，才激發出人類更大的潛能，催生出新思路、新技術。該油田復雜的地質條件，決定了想要實現其順利開發和長效生產，就必須因地制宜地研制出新理論、新技術、新工具。

毋庸置疑，地層孔隙壓力是鉆井工程設計和施工需要依據的重要參數，準確預測地層孔隙壓力是確保鉆井井控安全、確定合理鉆井液密度、設計井身結構和保證井壁穩定的基礎。而碳酸鹽巖地層具有非均質性強、孔洞及裂縫發育等特點，這就使傳統孔隙壓力的求取方法不再適用。

為此，路保平他們創新建立了基于流體聲速的碳酸鹽巖孔隙壓力預測方法。他們基于彈性力學、流體力學理論與實驗研究，發現了流體聲速-彈性模量-流體壓力間的響應特征，揭示了流體聲速隨流體壓力的變化規律，提出了流體聲速可以反映地層孔隙壓力的新認識，奠定了碳酸鹽巖地層孔隙壓力預測的理論基礎，為應用地球物理聲波速度預測碳酸鹽巖地層孔隙壓力指明了方向。正是在新理論的指導下，路保平他們最終建立了地層孔隙壓力與流體聲速響應模型，形成了碳酸鹽巖地層孔隙壓力預測方法，并開發了計算軟件，在實際應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測精度達95%，而常規方法預測精度只有63%，這使得井身結構得以進一步優化，套管層次減少一層，累計節約套管25300米。

與此同時，該油田還存在活躍厚瀝青層瀝青侵入嚴重、溢漏并存的問題，這就導致常規提高密度壓井無法控制侵入，使得鉆井及井控風險增大，從而給鉆井施工帶來嚴重影響。路保平他們針對這一難題集思廣益，最終攻克了控制瀝青侵入的世界級難題，創新形成了活躍厚瀝青層安全鉆井技術。

他們首先構建了可視化井筒-地層耦合流動實驗室，以3D技術打印真實的裂縫空間形態，可視化模擬了井筒-有限圈閉瀝青層之間的流體耦合流動特征，揭示了瀝青侵入機理為鉆井液與瀝青密度差所致的重力置換，創建了“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”的數學模型。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；研發了氧化固化劑、自交聯固化劑、降粘附劑和隨鉆封隔工具，即“三劑一具”這一關鍵技術載體，從而可實現安全棄井。在此基礎上，路保平他們還研發出“化學封堵+物理阻隔+控壓鉆井”活躍厚瀝青層安全鉆井新工藝，實現了復雜瀝青層安全高效鉆井，并取得復雜時效降低81%，成井率100%的優異成果。

顯而易見，H2S和C O2在有水條件會導致完井管柱全面腐蝕和局部腐蝕。當系統中同時含有這兩種腐蝕氣體時，腐蝕情況將會更加復雜。而管材的腐蝕會增加管材的投入成本，嚴重時還會影響油氣井正常生產，從而給石油開采帶來巨大的經濟損失。

針對油田多腐蝕介質并存的特點，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“擴散-溶蝕-膨脹”腐蝕機理，指出酸性氣體擴散到水泥石中，會溶蝕水泥石中的氫氧化鈣及水化硅酸鈣，進而降低水泥石強度，反應生成硫酸鈣和碳酸鈣等產物，引起水泥石膨脹并發生破壞。他們還提出了增加水泥石密實度降低擴散、減少易溶蝕成分等防止水泥石腐蝕的技術思路。此外他們還發明了耐H2S、C O2共同腐蝕的水泥石防腐劑；基于顆粒級配理論，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，實現了高酸性環境下水泥環長久穩定密封。該技術可使水泥石年腐蝕速率小于1.5毫米，固井質量合格率為100%。在此基礎上，路保平他們進一步研發了完井管柱物理、化學雙重防腐和一體化流動保障技術，自應用以來至今未發生井口帶壓等問題。這一技術成果也得到了業內人士的肯定，2010年國家科技重大專項課題專家組對“中東富油氣區鉆井、完井工藝技術研究”曾留下這樣的評語：“開展的H2S和C O2聯合腐蝕條件下的水泥石腐蝕試驗，取得了腐蝕規律，在此基礎上優選了防腐劑。形成了高溫高壓高含硫地層提高固井質量的綜合技術措施和現場固井工藝技術。”“提出了酸性環境下的防腐材料優選，形成了一套高含硫地層的安全鉆井技術”。

俗話說“工欲善其事，必先利其器”，一個合適的工具往往能夠大幅度地提高工作效率，乃至促進一個行業的發展。例如，在我國古代，人們通常是用斧頭砍伐木材，效率極低。而當魯班在絲茅草的啟發下發明鋸子之后，工匠們的勞動效率得以成倍提高。并且隨著一系列木工工具的發明，中國土木工藝也出現了嶄新的面貌。

面對以碳酸鹽巖為主、且含有不等泥頁巖的儲層巖性時，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。針對強研磨性硬地層機械鉆速低、鉆頭壽命短的難題，他們不懈思考，潛心攻關，基于犁切高效破巖機理，最終發明了錐形P D C齒，并成功研發了錐形PDC齒+柱狀PDC齒、錐形PDC齒+孕鑲金剛石兩種新型復合鉆頭，使機械鉆速提高了45.5%。此外，他們還形成了高滲透孔隙型碳酸鹽巖地層長裸眼防壓差卡鉆技術，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用，截至目前均未發生壓差卡鉆，防卡率達100%。

與成果應用方技術人員交流

該油田存在碳酸鹽巖儲層溫度高、酸巖反應速度快的特點，而這也導致了長井段均勻改造難度大，增產效果差。針對這一現狀，路保平他們基于溶蝕實驗和流動實驗結果，揭示了孔隙型碳酸鹽巖儲層緩速酸蚓孔形成機理，建立了徑向條件下多因素影響的蚓孔形成與擴展模型，實現70厘米深度酸化，突破了30厘米蚓孔長度極限。與此同時，他們基于疏水締合提高聚合物溶液粘黏度的技術原理，利用接枝共聚締合單體的合成方法，發明了耐溫耐酸疏水締合稠化劑，研發了泡沫稠化緩速酸體系，實現耐溫140℃，黏度30mPa.s以上，緩速性能比常規酸提升40倍。該技術成果在國際范圍上來講也是一次成功創新。

此外，為了進一步提高單井產量，他們基于三分之一架橋理論和優勢通道控制方法，創建了循環暫堵轉向設計模型，形成了連續油管定點布酸、暫堵劑逐級分流及循環暫堵轉向三位一體的均勻酸化工藝，最終實現了900米井段均勻有效改造，取得平均單井增產5.5倍的可喜成果。

繼往開來 任重道遠

“萬丈高樓平地起”，今日的滿滿收獲正是昨日經年累月的付出。從“高酸性活躍厚瀝青層復雜碳酸鹽巖油田鉆完井技術及應用”項目的開始，到2014年年底項目順利完成，直到國家科學技術進步獎的獲得，這期間的艱辛磨難數不勝數。7年的時間里，有過無數個不眠不休的夜晚，有過數不清的計算推理，更有過反復多次的建模實驗。寒來暑往中，遠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，用智慧與執著，譜寫出一曲海外石油開采的贊歌。

與項目領導人現場檢查成果應用效果

“高酸性活躍厚瀝青層復雜碳酸鹽巖油田鉆完井技術及應用”項目所取得的優異成果，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。該成果在油田建設中得到了全面應用，實現平均鉆井周期縮短44.5%、非生產時間降低31.7%、50余口井鉆完井成本節約1.08億美元。特別是瀝青層安全鉆井工程技術的突破，使地質儲量增加了12億噸。與此同時，該成果已在油田二期工程方案設計中應用，并在我國新疆塔里木盆地、四川盆地和鄂爾多斯盆地推廣應用148井次。

由此可見，該項目的成果不僅是鉆完井技術理論創新、技術創新的典范，更為我國復雜碳酸鹽巖油田勘探開發提供了可復制、可推廣的鉆完井關鍵技術，促進了石油工程學科的發展與技術進步。可以說是在我國油田勘探開發史上留下了濃墨重彩的一筆。但同時它也確實存在著一定的技術局限性，這將是路保平及其他團隊成員未來科研進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測方法雖然有效提高了預測精度，但在利用小波理論對地球物理聲波速度進行骨架速度和流體速度分離時，其應用軟件操作的便利性還有待提高。而其研發的瀝青降粘附劑，雖然能夠有效去除侵入井筒內的瀝青，但現場施工加入瀝青降粘附劑時還存在發泡現象，也亟待完善。

隨著我國石油消費和對外依存度的快速增長，石油安全問題將越來越凸顯其重要的戰略地位。而石油工程是發現油氣、探明儲量、提高油氣及采收率的關鍵環節和有效手段，因此，分析解決關鍵工程技術難題，形成配套的解決方案和技術對策，就是支撐海外油氣勘探開發的重要前提條件和技術基礎。中國石化自2003年實施“走出去”發展戰略以來，通過油氣勘探開發等途徑不斷開拓海外市場，取得了令人矚目的油氣勘探開發成果，已基本形成了海外油氣業務發展布局。該科研項目所取得的成果和獎勵，將激勵路保平他們繼續攻克不斷出現的技術難題，研發出更多先進實用、性能可靠的高新技術產品，從而進一步推動我國海外油氣資源勘查開發進程。