劉合 曹剛
中國石油勘探開發研究院
2021年11 月,中國國家能源局和科學技術部聯合發布《“十四五”能源領域科技創新規劃》(以下簡稱“《規劃》”),確立了推進能源技術革命的總體思路和發展藍圖。《規劃》與國家中長期科技規劃及“十四五”現代能源體系規劃、科技創新規劃、各專項規劃有機銜接、相互配合,緊密圍繞國家能源發展重大需求和能源技術革命重大趨勢,規劃部署重大科技創新任務[1]。《規劃》聚焦保障能源安全、促進能源轉型、引領能源革命和支撐“碳達峰、碳中和”目標等重大需求,堅持創新在能源發展的核心地位,確立了“補強短板支撐發展、鍛造長板引領未來、依托工程注重實效、協同創新形成合力”4項基本原則和“引領新能源占比逐漸提高的新型電力系統建設、支撐在確保安全的前提下積極有序發展核電、推動化石能源清潔低碳高效開發利用、促進能源產業數字化智能化升級、進一步健全適應高質量發展要求的能源科技創新體系”五大總體目標,部署了“先進可再生能源發電及綜合利用技術、新型電力系統及其支撐技術、安全高效核能技術、綠色高效化石能源開發利用技術、能源系統數字化智能化技術”五大領域重點任務,明確推進路徑,制定全面的技術路線圖,并配套相應政策保障措施。
采油采氣工程是油氣田開發的重要技術支撐,提升科技創新能力是充分發揮其保障國家油氣安全供應作用的重要途徑。《規劃》的出臺為采油采氣工程科技創新發展指明了方向,全面學習領會《規劃》的核心要義,對于科學研判“十四五”期間采油采氣工程科技創新面臨形勢,深入剖析重大挑戰和重點任務,科學制定本領域科技創新實施方案,切實推進《規劃》的貫徹落實具有重要意義。
通過借鑒國際先進技術,結合國內油氣藏特點和生產需求,采油采氣工程科技創新取得巨大進步,逐步創新發展以分層注入、人工舉升、儲層改造、井下作業、油田化學、排水采氣為主體的技術體系,建立了一支專業科研隊伍、一批高水平實驗室、多個現場試驗基地及配套管理制度,形成了獨具特色的采油采氣工程科技創新體系,為油氣安全供應提供堅實保障。但是,在全球能源革命和數字革命雙重驅動下,能源科技創新進入高度活躍期,新能源技術快速發展,油氣行業面臨生存危機。采油采氣工程必須強化自主創新能力,加快轉型升級步伐。
《規劃》指出,油氣行業科技創新要“聚焦保障能源安全重大需求”,“在‘兩深一非’、老油田提高采收率等油氣開發技術取得重大突破,有力支撐油氣穩產和產供銷體系建設。”
2021年中國石油對外依存度超過73%、天然氣對外依存度45%,成為能源安全的短板[2]。國家能源局、自然資源部聯合中石油、中石化、中海油等石油公司落實批示,制定七年行動計劃,提出到2025年實現石油年產量2.0億t以上,天然氣產量2 300億m3以上。突破“兩深一非”和老油田提高采收率技術難題是實現穩油增氣戰略目標的首要任務,也是新時期采油采氣工程科技創新的主戰場[3]。
常規油氣田是我國原油穩產的“壓艙石”,當前開發進入瓶頸期,主要表現在3個方面:
一是中高滲透老油田整體進入“雙高”階段。以大慶油田和勝利油田為代表的中高滲透油田綜合含水超過93%,可采儲量超過85%,水驅采收率已達45%以上,在中國陸上同類油田據領先地位。經過長期水驅、聚合物驅開發后,油田開發面臨剩余油高度分散、低效無效循環嚴重、采油速度低、儲采嚴重失衡等難題。雖然仍有進一步提高采收率的潛力,但是進一步提高分層開采挖潛效果、數字化轉型降低老油田注水開發成本等面臨重大挑戰[4-5]。
二是低滲透油田效益開發形勢嚴峻。雖然我國低滲透油田勘探開發取得突破性進展,產量占比逐步增加,未來將成為我國油氣產量的主體,但是油藏品質差,含水上升快,產量遞減快,進入低速開采階段,穩產難度大,提高儲集層改造和人工舉升工藝的可靠性和經濟性面臨重大挑戰。
三是深層/超深層儲量動用缺乏工程技術支撐。常規天然氣藏開發向提高采收率及深層超深層開發方向發展,但是由于深層氣藏普遍具有高溫高壓高地應力、基質致密、 儲集空間復雜、非均質性強,以及腐蝕性氣體含量高等特點,儲集層改造、采氣工藝、井下作業等措施工藝復雜,井下工具和裝備成本高[6-7]。
非常規油氣開發方面取得重大進展。我國陸相非常規油氣進入戰略性突破期,成為石油產量的重要補充。陸相與海相非常規天然氣開發配套儲集層改造技術快速發展,成為助力天然氣產量增長的主體技術。但是存在儲集層改造單井產量低、有效期短、人工舉升工藝不成熟、生產運行成本高等難題。
采油采氣工程領域必須加快自主創新,突破關鍵技術瓶頸。《規劃》制定了技術路線如下:一是開展納米驅油、CO2驅油、精細化勘探、智能化注采等關鍵核心技術攻關,提升低滲透老油田、高含水油田以及深層油氣等陸上常規油氣的采收率和儲量動用率;二是推動深層頁巖氣、非海相非常規天然氣、頁巖油和油頁巖勘探開發技術攻關,攻關天然氣水合物試采關鍵技術與裝備,實現非常規油氣開發技術逐步成熟推廣,確保油氣供應持續穩定。
《規劃》指出,“先進信息技術與能源產業深度融合,電力、煤炭、油氣等領域數字化、智能化升級示范有序推進。能源互聯網、智慧能源、綜合能源服務等新模式、新業態持續涌現” 是“十四五”能源科技創新的發展目標之一。
“十三五”期間采油采氣工程數字化轉型取得多項進展,代表性技術和裝備主要有4種。一是第四代分層注水技術,該技術實現流量、壓力、注入量等參數實時監控與調整,可長期保障注水合格率,實現分層注水工藝遠程測調[8]。二是智能間抽技術和大平臺集成舉升技術,2項技術實現低產低效井和大平臺水平井的遠程監控和智能化管理,大幅度提高系統效率,減少用工成本。三是氣井排水采氣用泡排劑集群加注裝備,1套機組可實現8 口井協同作業與在線實時優化,與常規泡沫排水采氣工藝相比,人員工作量下降80%[9]。四是國產自動化修井機及配套工具,這些裝備實現大修/小修/帶壓作業自動化,作業人員由5~7 人減少至3 人,大幅度降低勞動強度和用工成本[10]。
采油采氣工程數字化轉型面臨諸多問題和困難,主要表現在3個方面:一是數字化建設技術標準體系不健全,導致業務數據要素不完整、數據資源共享不充分、數據價值挖掘不夠深入等問題;二是信息技術與采油采氣工程業務需求融合不充分,導致數字化轉型場景碎片化、數字化方案用戶體驗不理想、建設與運維成本高等問題;三是人員培訓和管理制度升級不到位,導致員工參與數字化轉型積極性不高、工作效率提升不明顯等問題,造成數字化轉型方案持續推廣難度大、降本提效成效不顯著。以上問題也是當前各行業在數字化轉型中所共有的。
中國石油對智能油氣田建設目標定位是“以感知、互聯、數據融合為基礎,實現生產過程‘實時監控、智能診斷、自動處置、智能優化’的油田業務新模式”[11],為采油采氣工程數字化、智能化升級提供了重要依據。為確保數字化轉型工作科學有序開展,需遵循3項重要原則。一是業務需求導向原則,以解決科研生產痛點問題為導向,在全要素分析基礎上,設計、選擇數字化轉型應用場景。二是技術經濟適用性原則,深入研究數字孿生、大數據、人工智能、云計算、區塊鏈等智能化共性關鍵技術,揚長避短,選擇與業務需求匹配的技術方案,搭建實用、經濟和可操作性強的數字化業務場景。三是“以人為本”原則,數字化轉型工作以用戶體驗最大化為核心目標,將員工從低水平重復、高強度、高風險的崗位上解放出來,更好地保障員工安全權益、成分發揮員工潛力。同時,數字化轉型對于員工的崗位標準和工作技能提出更高要求,必須加強員工數字化轉型培訓體系和學習型團隊建設,滿足數字經濟時代知識快速更新需求。
《規劃》指出,以完善能源科技創新體系為依托,補強能源技術裝備“短板”和鍛造能源技術裝備“長板”,增強能源持續穩定供應和風險管控能力。
中國采油采氣工程技術的科技創新發展還很不均衡。以分層注水技術、人工舉升技術、壓裂酸化技術為核心的常規油氣田采油采氣工程技術整體居于國際領先水平,處于領跑位置,支撐了大慶油田5 000萬t穩產27年、4 000萬t穩產12年;長慶油田年產油氣當量達到6 000萬t。以大規模體積壓裂技術、大平臺水平井人工舉升技術、二氧化碳分注技術為代表的非常規油氣田采油采氣工程技術居于國際先進水平,處于并跑位置,為建設國家級頁巖氣開發示范區,頁巖氣年產量超過200億m3提供重要工程技術支撐[12]。在壓裂優化設計軟件開發、井下作業技術及裝備、高溫/高壓/腐蝕環境人工舉升技術及裝備等特種工藝及裝備領域與國際水平存在較大差距,處于跟跑水平,核心技術受制于人,存在“卡脖子”風險。
補強油氣工程技術裝備短板是防范油氣供應風險的關鍵,重點解決2類問題。一是國外公司壟斷的高端技術和裝備,部分先進技術和裝備已經成型,但由于核心技術掌握在國外少數公司手中,現場應用成本極高或存在數據安全隱患,完全依賴進口會導致油氣安全供應的重大風險或核心數據資產流失;例如,地下儲氣庫建庫工程技術、中低成熟度頁巖油與油頁巖原位開采技術等。二是部分技術裝備雖然目前屬于行業空白,但對未來國家能源安全具有重大影響,因此必須通過自主創新占據行業先發優勢,避免受制于人,如天然氣水合物試采技術等。
鍛造油氣工程技術裝備長板是保障油氣安全供應的長久之策。我國采油采氣工程在常規油氣開發和非常規頁巖氣開發領域,擁有一批長板技術和裝備,但是長板優勢不明顯,原創性、引領性、顛覆性技術偏少。要改變這一狀況,需要針對不同情況開展科技創新重點攻關和政策扶持。
一是大力扶植先發優勢技術和裝備,推動技術和裝備升級迭代,逐步擴大領先優勢。第四代智能分注技術是我國分層注水技術的最新成果,整合了先進的數字化技術和油藏工程一體化協同開發理念,為國內外高含水油田持續挖潛提供了高效解決方案,具有廣闊應用前景,需持續加大科技創新投入力度、擴大推廣應用規模。
二是加大培育具備優勢潛力的技術,逐步實現由跟跑、并跑到領跑的角色轉變。大規模體積壓裂技術對中國非常規頁巖油氣開發的突破起關鍵支撐作用,綜合能力處于行業并跑狀態,但壓裂設計軟件開發和壓裂裝備研制方面原始創新能力不足,處于跟跑狀態,應引進和培養行業領軍人才,加大基礎研究和關鍵技術裝備投入力度,全面提升自主創新能力,逐步擺脫對國外技術裝備的跟隨和依賴。
三是建立前沿學科、顛覆性技術科技創新長效機制,是打造行業技術和裝備長板的重要途徑。同井注采工藝被認為是大幅度延長高含水開發油田穩產周期的最佳方案,中國石油經過長期研究,取得多項重要成果,整體處于國際領先水平,但是由于工藝復雜、技術難度大、多學科交叉等原因,要取得關鍵指標的突破,需要幾代人的不懈努力。為了實現此類技術的最終突破并持續保持領先優勢,亟需建立一套長效的科技創新保障機制[13]。
《規劃》指出,堅持“按照集中攻關一批、示范試驗一批、應用推廣一批‘三個一批’的途徑,推動能源技術革命取得重要進展,有力支撐了重大能源工程建設,對保障能源安全、促進產業轉型升級發揮了重要作用。”
《規劃》中成立了“油氣安全供應保障技術”專項,對于油氣行業科技創新重點工作進行了明確部署,大部分內容與采油采氣工程領域密切相關。覆蓋油氣安全供應保障技術和能源系統數字化智能化技術2個主題,陸上常規油氣勘探開發技術等5個重點攻關方向,包括低滲透油氣田提高采收率等18項重點任務(表1),其中集中攻關5項,示范試驗4項,推廣應用1項。

表1 “十四五”采油采氣工程科技創新重點任務統計Table 1 Statistical table of key tasks of scientific and technological innovation of oil and gas production engineering during the "14th Five-Year Plan" of China
1.4.1 油氣安全供應保障技術
油氣安全供應保障技術是油氣行業科技創新的核心內容,共分3個重要方向。一是陸上常規油氣勘探開發技術,包括低滲透油氣田提高采收率、高含水油田剩余油挖潛和深層油氣勘探等3項重點任務,重點開展成熟技術的示范和推廣,深層/超深層領域以技術儲備為主。二是非常規油氣勘探開發技術,包括6種類型非常規油氣藏勘探開發,其中,深層頁巖氣、海相非常規天然氣和陸相中高成熟度頁巖油的工程技術基本成型,將重點開展示范試驗;中低成熟度頁巖油和油頁巖地下原位轉化、地下原位煤氣化、海域天然氣水合物試采技術及裝備,由于油氣藏條件復雜,缺乏成熟的工藝,需要開展大量基礎理論研究和關鍵技術裝備的集中攻關。三是油氣工程技術,包括超高溫高壓測井與遠探測測井技術與裝備、高效壓裂改造技術與大功率電動壓裂裝備,以及地下儲氣庫建庫工程技術等,共部署2項集中攻關和1項推廣應用。
1.4.2 能源系統數字化智能化技術
能源系統數字化智能化技術是各種能源領域共有的技術領域。采油采氣工程的數字化智能化技術主要部署在“基礎共性技術”和“行業智能升級技術”2個重要方向,包括智能傳感與智能測量技術等共計6項相關的重點任務。
為了幫助采油采氣工程技術人員將《規劃》精神落實到科技創新具體工作中,更好地指導本專業科技攻關實施方案的組織編寫,筆者根據《規劃》總體框架和重點任務劃分原則,結合采油采氣工程實際情況,將科技創新重點工作進行分解。
一是以增強油氣安全保障能力、雙碳目標需求導向、推進數字化智能化升級轉型為原則,將工作歸納為4個方向:陸上常規油氣開采工程關鍵技術、非常規油氣開采工程關鍵技術、油氣工程數字化智能化升級關鍵技術、低碳安全油氣工程關鍵技術。
二是每個方向選擇代表性重點任務,分別按照分層注入、人工舉升、儲集層改造、排水采氣工藝、井下作業等5個專業進行分解落實,并按照集中攻關、示范試驗和推廣應用3個層次進行排列,由此形成更加符合采油采氣工程專業特點的詳細技術路線圖。筆者選擇4個方向有代表性的技術進行解讀。
在低滲透油氣田和高含水油田開發領域,通過示范試驗,完善工程技術和裝備,達到商業化推廣水平;在深層/超深層油氣領域,重點攻關滿足高溫高壓腐蝕工況的工程技術和裝備。
2.1.1 低滲透油氣田提高采收率關鍵技術
攻關目標:開展CO2驅油配套油氣工程技術攻關,提升低滲老油田采收率,2025年實現納米驅油提高采收率5%~10%,CO2提高采收率10%以上。
攻關思路:(1)開展CO2驅分層注入技術示范試驗,提高CO2驅油效果,減少并消除竄層影響;開展CO2壓裂機理和配套工藝關鍵技術示范試驗,提高儲集層改造效果;開展CO2驅防氣防腐人工舉升技術研究,延長生產井運行壽命;開展納米驅油和CO2驅注采工程示范試驗并推廣應用[14]。(2)攻關小排量寬幅電泵技術,滿足低滲透油田小排量舉升工藝和高含水氣田后期排水采氣技術需求[15-16];攻關低產低壓井復合排水采氣技術,滿足產量低于3 000 m3/d氣井的排水采氣需求;攻關水平段排水采氣工藝和排水采氣智能管控技術,實現氣井生產數字化智能化升級;開展示范試驗并推廣應用納米泡沫排水采氣技術[17];示范試驗并推廣應用智能間抽技術和超長沖程舉升技術,大幅提高低滲透油田生產井系統效率。技術分解見表2。

表2 低滲透油氣田提高采收率關鍵技術分解Table 2 Breakdown of key technologies of low permeability enhanced oil and gas oil and gas engineering
2.1.2 高含水油田精細化/智能化分層注采工程技術
攻關目標:以大慶長垣油田為代表,建成2~4個低成本精細化/智能化分層注采示范工程,實現高含水油田進一步提高采收率和大幅降低注水開發成本。
攻關思路:攻關水驅、聚驅分層開采實時監測與控制技術,實現高含水油田注采系統全過程動態管理;完善第四代分層注水技術,建立油藏-注入-舉升一體化智能分層開采模型,開發智能注采協同生產管理平臺;開展精細化/智能化分層注采工程示范;攻關原位取心一體化測試技術,配套推廣應用高效壓裂堵水技術;攻關高效井下油水分離技術,開展同井注采井組示范試驗,探索延長水驅油田開采周期最終解決方案。技術分解見表3。

表3 高含水油田精細化/智能化分層注采工程技術分解Table 3 Breakdown of refined/intelligent separated-layer injection-production engineering technology in high water-cut oilfields
2.1.3 深層/超深層油氣開采工程關鍵技術
攻關目標:研究深層/超深層條件下,影響人工舉升技術、儲集層改造、井下作業技術和裝備適應性的關鍵因素和作用機理,建立相應技術對策;開展關鍵裝備樣機研制,做好技術儲備。
攻關思路:深層/超深層油田人工舉升技術及裝備、深層/超深層油氣田儲集層改造技術及裝備、超深層氣井排水采氣技術、高壓/超深井/超長水平段連續管裝備及作業技術、非金屬智能連續管裝備及作業技術[18]。關鍵技術分解見表4。

表4 深層/超深層油氣開采工程關鍵技術分解Table 4 Breakdown of key technologies of deep/ultra-deep oil and gas exploration engineering
在非常規油氣藏效益開發中,以大規模體積壓裂技術為代表的采油采氣工程技術發揮了關鍵作用,以深層頁巖氣、海相非常規頁巖氣和中高成熟度頁巖油為代表的頁巖油氣開發已經趨于成熟,新時期科技創新的重點是以示范試驗為主,繼續完善現有工藝技術并推廣應用。對于中低成熟度頁巖油和油頁巖原位轉化技術,由于國外公司在基礎理論和加熱器技術等方面掌握核心技術,重點通過集中攻關突破關鍵技術,打造自主創新能力。
2.2.1 頁巖油氣開采工程關鍵技術
攻關目標:2025年實現3 500~4 000 m深層頁巖氣儲集層改造及排水采氣技術推廣應用,支撐頁巖氣年產300億m3;支撐2030年完成中高成熟度頁巖油、深層頁巖氣技術示范;支撐2025年建成中高成熟度頁巖油、深層頁巖氣和非海相非常規油氣開發示范工程。
攻關思路:(1)攻關深層頁巖儲層高溫、高壓和高應力水平井多段壓裂技術,滿足深層頁巖氣產能建設需求[19-20];攻關邊底水氣田地質工程一體化綜合治水技術、深層氣井排水采氣工藝技術,完善頁巖氣完井排水采氣一體化技術并開展示范試驗;(2)攻關穿層體積壓裂及壓后排采關鍵技術、井筒合采工具、 CO2增能復合壓裂工藝技術應用,提高海相非常規頁巖氣儲層改造措施效果;(3)攻關水平井細分切割分段壓裂技術,改善中高成熟度頁巖油增產措施效果;攻關寬排量舉升工藝技術,滿足舉升設備長期生產需求。關鍵技術分解見表5。

表5 頁巖油氣開采工程關鍵技術分解Table 5 Breakdown of key technologies of shale oil and gas extraction engineering
2.2.2 陸相中低成熟度頁巖油和油頁巖地下原位轉化技術
攻關目標:支撐2030年完成中低成熟度頁巖油、油頁巖地下原位轉化技術示范。
攻關思路:攻關高精度長壽命加熱器技術、高溫高硫化氫環境舉升工藝,建立全過程精細化生態環境保護技術體系,支撐中低成熟度頁巖油和油頁巖具備商業開發能力。技術分解見表6。

表6 陸相中低成熟度頁巖油和油頁巖地下原位轉化技術分解Table 6 Breakdown of low-maturity shale oil and subterranean in-situ conversion technology of oil shale in continental facies
攻關目標:加快先進信息技術與采油采氣工程業務需求的深度融合,打造智能注采油氣井物聯網建設和智慧油氣田典型應用場景,優化業務流程,提高生產管理效率,實現降本提效。
攻關思路:攻關基于邊緣計算的油井智能管控系統,示范試驗并推廣抽油機智能間抽技術,提高油井智能化管控水平,實現降本提效;開展水驅油田智能注采工程技術示范試驗與推廣應用;示范試驗壓裂裝備遠程智能運維技術,實現油井生產與措施裝備的智能化管理;開展柱塞氣舉排水采氣智能管控系統、泡沫排水采氣智能加注/消泡裝備示范試驗,提高氣井智能化生產能力;攻關智能可視化修井技術,示范試驗帶壓自動化修井裝備[21]。技術分解見表7。

表7 油氣工程技術數字化智能化升級分解Table 7 Breakdown of key technologies and key tasks of deep/ultra-deep oil and gas exploration engineering
攻關目標:建設多能互補碳中和示范區,大幅度降低油氣開采的能源消費強度和能源消費總量,持續削減CO2排放;實現CO2安全注入和有效埋存,支撐 CCUS 示范區建設[22];攻關儲氣庫、“三高”氣井安全質量管控關鍵工程技術,提高氣田/儲氣庫生產的安全性和可靠性[23]。
攻關思路:攻關儲氣庫注入及完井技術;攻關“三高”氣井和儲氣庫井筒完整性評價技術、井控技術;攻關多能互補舉升系統,攻關氣井風能/太陽能柱塞氣舉技術,攻關氣井風光互補泡沫排水采氣智能加注和消泡技術,提高油氣井生產的節能減排效果;示范試驗CCUS/CCS新老井完整性評價技術、CCUS高壓密相注入技術、低成本CO2分層注氣工藝、 CO2大規模壓裂技術;示范試驗高效壓裂改造技術與大功率電動壓裂裝備電代油修井裝備,示范試驗氣代油修井裝備,提高油氣工程措施的能耗和排放總量。技術分解見表8。

表8 綠色低碳安全油氣工程關鍵技術分解Table 8 Breakdown of key technologies and key tasks of deep/ultra-deep oil and gas exploration engineering
近年來,隨著新開發油氣藏的類型和開發方式不斷豐富,采油采氣工程技術持續創新發展,新理論、新工藝、新技術不斷涌現,采油采氣工程技術理念和技術內涵發生很大變化,傳統的知識體系已經難以滿足油氣田開發需求,亟需進行補充和完善。一方面,要加大基礎理論和實驗研究的投入力度,深入剖析新型工程問題機理。另一方面,深化采油采氣工程與人工智能、高分子材料、分子動力學、表面工程等學科的交叉融合,推動新時期采油采氣工程的學科體系建設。
一是強化行政部門服務功能,以解決科研團隊在業務審批、資源整合等方面實際困難為導向,切實改進工作制度和工作方法,簡化、優化工作流程,提高工作效率。二是建立健全項目經理責任制,充分滿足重點科研項目的科研資源和經費需求,最大程度賦予項目經理以技術方案決策權、項目成員管理權和項目經費使用權,精簡行政管理會議和材料,減少對科研團隊的行政干預。三是充分發揮頂層設計功能,建立科學合理的人員激勵機制,調動科研人員潛心攻關的積極性,培養久久為功、拼搏進取的科學家精神。
一是在新型功能材料開發、3D打印技術、數字孿生技術等關鍵技術領域,引進儲備高層次技術人才,推進采油采氣工程基礎理論與交叉學科研究團隊建設,實現關鍵技術領域超前引領。二是按照重大工程項目和重點學科建設分類,組建相對固定的專業科研團隊,實施項目經理負責制,培養關鍵領域高水平團隊。三是搭建科研團隊與一流科研機構、院校之間開展高水平學術交流和合作的長效機制,組建產學研科研聯合體,不斷提升團隊業務素養和研究水平。