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致敬!石油開(kāi)采技術(shù)多次突破,是他們讓國家越來(lái)越有底氣
時(shí)間:2023-09-07   閱讀:354

把石油采出來(lái)總共分幾步?找到它,打個(gè)井,再采出來(lái)。

    作為液體礦產(chǎn),石油的勘查開(kāi)發(fā)是典型的探采一體模式。所以,鉆探作為貫穿整個(gè)油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程的核心工作,其工藝的高低直接決定了油氣開(kāi)發(fā)水平。

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石油資源的開(kāi)采并非易事。不同于固體礦藏,油氣藏往往埋在地表深處,需要一定的開(kāi)采設備進(jìn)行輔助。不僅如此,液體礦產(chǎn)具有流動(dòng)性,不合理的開(kāi)采會(huì )導致采收率的降低。

    那么人類(lèi)到底是如何將石油這樣的寶貴資源成功開(kāi)采出來(lái)的呢?我國科學(xué)家們又進(jìn)行了哪些嘗試呢?


初探:中國真的沒(méi)有石油嗎?

在技術(shù)條件比較差的早期,石油的發(fā)現同其他礦產(chǎn)一樣,靠天然露頭。如《漢書(shū)·地理志》所云:“定陽(yáng),高奴,有洧(wěi)水,可燃?!备吲?,大致位于今陜西延長(cháng)縣,打成中國陸上第一口油井。1935 年,中國工農紅軍接收了延長(cháng)石油廠(chǎng),其研制的石油產(chǎn)品有力地支援抗日戰爭和解放戰爭。

1938 年,在中共中央的批準同意下,將延長(cháng)石油廠(chǎng)的兩部鉆機及其器材調往玉門(mén),在玉門(mén)老君廟打出了第一口產(chǎn)油井,拉開(kāi)了中國第一個(gè)現代化油田、中國石油工業(yè)的搖籃——玉門(mén)油田的開(kāi)發(fā)序幕,稱(chēng)得上我國重要“功臣油礦”。

隨著(zhù)第二次工業(yè)革命,內燃機的發(fā)明推動(dòng)了石油開(kāi)采業(yè)的發(fā)展和石油化工工業(yè)的生產(chǎn),原有的油氣資源遠不能滿(mǎn)足高速發(fā)展的生產(chǎn)生活需要。于是,各國對石油開(kāi)采的重視程度迅速上升。

日本發(fā)動(dòng)侵華戰爭后,就對我國東北地區進(jìn)行了廣泛的礦產(chǎn)調查和掠奪,油氣勘查范圍覆蓋到了從興安北省的海拉爾到熱河省這樣的范圍,甚至研發(fā)了以蒸汽機為動(dòng)力的 2000 米旋轉鉆機,并在大慶油田的邊緣地區打了一口 1000 米深的探井。

即便如此,距大慶油田的第一口油井——松基三井的 1357~1382 米之間的儲層,仍有差距。

在當時(shí),“海相生油理論”在石油開(kāi)采領(lǐng)域占據著(zhù)統治地位。1922 年美國斯坦福大學(xué)地質(zhì)學(xué)教授勃拉克韋爾德,在一篇題為《中國和西伯利亞的石油資源》的論文中指出:“中國沒(méi)有中生代或新生代沉積;古生代沉積也大部分不生油;因此,中國絕不會(huì )生產(chǎn)大量石油?!?/span>

我國貧油國的帽子就是這么被扣上的。

 

有石油,但弄出來(lái)還有點(diǎn)難

1939 年,我國專(zhuān)家在陸相盆地中發(fā)現了甘肅玉門(mén)老君廟油田,則動(dòng)搖了這一理論的統治地位。中國陸相生油理論由此拉開(kāi)序幕,其后大慶油田的開(kāi)發(fā)及其石油地質(zhì)研究,則最終奠定夯實(shí)陸相生油理論基礎。

作為對比,受“海相生油理論”的找油思想的束縛,日本即便引進(jìn)了美國的物探技術(shù),但仍主要采用以電法為主的勘探技術(shù)。即需要先發(fā)現了油苗露頭后再進(jìn)行地質(zhì)結構的調查,勘查效率低。

在中國東北整整三十年后,日本僅獲得了黏稠、含硫量很高的重油的勘查成果,而且流量很小,以日本當時(shí)的煉油技術(shù),很難用這種石油提煉軍隊所需的汽油,而且必須從美國導入新的技術(shù)和設備,等到順利生產(chǎn),戰爭都結束了。

面對石油資源供不應求的困境,日本只能另尋技術(shù)突破之道。為了解決油料入不敷出的問(wèn)題,日本不得不耗費巨資開(kāi)展將煤炭液化人造石油的項目,進(jìn)行一次液化輕油和二次加氫液化石油生產(chǎn)。但由于條件的限制,石油產(chǎn)量不高,并建設了多家人造油工廠(chǎng)。最終因后期的資金、設備不足等問(wèn)題,均未成功。如此種種,其原因都是鉆探設備落后。

單純的液化油無(wú)論數量還是質(zhì)量,都無(wú)法滿(mǎn)足日本的石油需求。匱乏的油料使得日本不得不放棄了繼續在中國東北地區找油的計劃,只留下了一些小型的巖芯鉆機,日本也徹底放棄了在中國東北的石油勘探工作,便將目光分別投向了北方的庫頁(yè)島和南方的中南半島和馬來(lái)群島。

隨著(zhù)北進(jìn)派在決策層的出局和英法在歐洲戰場(chǎng)的失利,讓日本意識到,搶占東南亞的豐富資源是解決油料極度匱乏問(wèn)題的機會(huì )到了,印度尼西亞的蘇門(mén)答臘和達拉根,這些東印度公司等企業(yè)的重要產(chǎn)區將唾手可得。

日本南侵第一步便是河內,繼而與德國和意大利簽訂軍事同盟,也引起了美英等國的強烈反應。美國國務(wù)院在 1940 年發(fā)表了一份對日本道義禁運的聲明,對辛烷值 87 以上的航空汽油實(shí)施禁運。英國和荷蘭也紛紛效仿,英國切斷了婆羅洲向日本的石油供應;美國說(shuō)服荷蘭東印度公司暫停向橫濱和長(cháng)崎運送石油。

這種無(wú)異經(jīng)濟上的向日本宣戰措施,并未起到遏制日本的作用,反而促使驅使日本鋌而走險,制定完成了攻擊珍珠港的計劃,最終迫使美國放棄中立,加入盟軍陣營(yíng),這成為太平洋戰爭爆發(fā)的導火索。

當然,這只是油氣勘查開(kāi)發(fā)工作的必要性和緊迫性的體現之一。即便能源消耗結構發(fā)生了變化,但只要油氣的消耗需求一直在,勘查開(kāi)發(fā)的工作就在。

 

石油勘查與開(kāi)采的難點(diǎn)到底在哪兒?

隨著(zhù)勘查程度的加深,開(kāi)發(fā)工作的成本日益增高。隨著(zhù)陸域范圍內適宜發(fā)育油氣藏的大中型盆地差不多都被摸了一遍,油氣勘查的重心從中淺層轉移到深層和超深層。

在我國,這種趨勢尤為明顯。一方面是我國的油氣消耗和對外依賴(lài)度一直在增大,另一方面則是我國孕育中淺層油氣藏的地質(zhì)成藏條件確實(shí)不佳,反倒是在中西部盆地相繼發(fā)現了塔河、普光、安岳、靖邊、順北等一批大型油氣田,說(shuō)明我國已探明的深層和超深層碳酸鹽巖油氣藏特征與全球的有很大差異,展示出廣闊的勘探前景。

中國的油氣勘探對于深層和超深層的突破更迫切了。于是,壓力從新的成藏理論轉到了鉆探裝備上。

早期的石油鉆探設備使用的是沖擊鉆探,其原理就是用一個(gè)大鐵錐進(jìn)行反復地吊起沖擊,像一個(gè)大鑿子一樣破碎下方進(jìn)行工作。

這種方法最早是我國西南地區用于開(kāi)鑿汲取小口徑井鹽的設備,鉆進(jìn)能力達幾百米,最深可以開(kāi)鑿千米深的鹽井,距今有超過(guò) 1000 年的歷史。

20 世紀初才出現的旋轉鉆探,主要依靠旋轉和壓力像電鉆一樣作業(yè),讓鉆機的工作效率提高數倍,在鉆進(jìn)極限上也提高了數倍,最深超過(guò)一萬(wàn)米。

對于固體礦產(chǎn)而言,使用具有幾千米鉆進(jìn)能力的常規液壓旋轉鉆機已經(jīng)完全足夠。

因為鉆進(jìn)能力已經(jīng)超越了我們的固體礦產(chǎn)地下巷道開(kāi)采能力,但對于油氣這種探采一體的礦產(chǎn),其能力仍然不夠,因為油氣資源的開(kāi)發(fā)困難體現在兩個(gè)方面。

一方面是難探。難探有三個(gè)原因,一是深部的鉆探是必須的,無(wú)論多完美的理論和多么豐富細致的地面地球物理勘測,最終都需要進(jìn)行深部鉆探驗證;二是隨著(zhù)勘查深度的提升,勘查經(jīng)費在加速燃燒。就像蓋樓一樣,隨著(zhù)樓層的增高,無(wú)論是基礎還是結構都需要進(jìn)行充分的冗余設計和建設;三是勘查隨著(zhù)勘查程度的提高而不停調整,鉆探工作在高溫、高壓、高鹽的環(huán)境中,勘查風(fēng)險和難度持續增大。

在具有挑戰性的油井中,孔隙壓力、裂縫梯度和復雜的幾何結構結合在一起,形成了一個(gè)狹窄的操作窗口。實(shí)際操作過(guò)程中,跟在深部地層中繡花差不多。無(wú)論是無(wú)法回饋有效的鉆井參數,還是側切能力弱,鉆頭轉向困難,甚至是鉆探的操作能力區間范圍小,都會(huì )導致成本高昂且耗時(shí)的事件發(fā)生。

另一方面就是難采。油氣的成藏要素中,生儲圈蓋在地層中整體還是處于一個(gè)平整的狀態(tài)。就像你吃的溏心荷包蛋一樣,我們想獲取的是其中溏心(油氣)部分,但其微觀(guān)結構則沒(méi)有那么簡(jiǎn)單,更像是打了無(wú)數隔水夾層的海綿。你想采取油氣就必須鉆進(jìn)到合適的位置,然后地層的壓力就會(huì )直接把海綿里的水(油氣)直接壓出。

但問(wèn)題是隔水層(蓋層)的存在,讓你雖只有一層之隔卻無(wú)能為力。所以我們最想做的就是盡可能多地聯(lián)通各個(gè)儲層,當然也可以選擇打斷蓋層(壓裂法)。

這就是我們開(kāi)采所遇到的困境,一是我們難以?xún)H靠物探手段就能清晰準確研究地下深部精細尺度的地質(zhì)構造,二是我們即便獲取了精細構造也需要有足夠靈活的鉆探技術(shù)直接到達我們的預期層位。

 

繼續找油!辦法總比困難多

為了成功開(kāi)采到石油,人們找到水平井這一最直接的解決辦法。水平井因平行于地層,比垂直井能開(kāi)采更多的油氣。致密地層的滲透率非常低,油氣難以向井筒運移,通過(guò)水力壓裂和支撐劑磅數,提高滲透率,在橫向長(cháng)度的增加提高了單井中油氣儲層的暴露面積,可以實(shí)現致密油氣層的經(jīng)濟開(kāi)發(fā)。2010 年以來(lái),水平井成為頁(yè)巖氣和致密油的主要生產(chǎn)方式。

不僅如此,油田開(kāi)發(fā)的中后期尤為困難,也極大推動(dòng)了鉆井導向技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。老油田經(jīng)過(guò)多年的注水開(kāi)發(fā),大部分油井進(jìn)入高含水階段。地下油層被水淹后,只有薄薄一層油漂在水面上,俗稱(chēng)為“水上漂”。這時(shí)水平井鉆井技術(shù)便能派上用場(chǎng),它能夠大大提高了靶心正中這層油皮的可能性,這也是鉆井導向技術(shù)發(fā)展的一大動(dòng)力。

單純的鉆井導向技術(shù)遠遠不夠。在鉆井過(guò)程中,由于地質(zhì)目標探測手段單一、井眼軌跡控制難度大,難以及時(shí)準確跟蹤目標油層,導致儲量鉆遇率低,復雜油氣藏不能高效開(kāi)發(fā)。

當油田地層類(lèi)型和走向變化復雜、儲層位置不確定,其挖潛方向進(jìn)而轉向薄差層、油砂體,便對隨鉆測井技術(shù)提出了要求。

當下主流技術(shù)遠不滿(mǎn)足于單純的鉆井導向,還會(huì )搭配復雜的地球物理勘測設備,發(fā)展成一套趨于成熟的隨鉆測井設備,使用數學(xué)分析方法將地震屬性與測井曲線(xiàn)聯(lián)系起來(lái),建立了鉆前地質(zhì)導向模型用于智能導鉆。借助于統計模型的幫助能夠自動(dòng)發(fā)現樣本,并自動(dòng)預測儲層情況,準確控制井眼軌跡,提高鉆遇率水平。

 

油氣資源鉆探有了智能導航

近期,我國攻關(guān)的國產(chǎn)智能導鉆在位于塔里木盆地西部的 TP259-2H 生產(chǎn)井實(shí)鉆應用中取得重要進(jìn)展,獲得了高產(chǎn)工業(yè)油氣流。這一應用進(jìn)展證明了我國邁入了超深層油氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的高端領(lǐng)域,掌握了關(guān)鍵核心技術(shù),實(shí)現了鉆井、測井、錄井、試油、地球物理探測等整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的核心技術(shù)發(fā)展。

同時(shí),這一國產(chǎn)“石油重器”問(wèn)世,技術(shù)與裝備實(shí)現突破,設備研發(fā)自由自主,有力地支撐了與我國地質(zhì)成藏背景相適應的油氣勘探理論的驗證和創(chuàng )新。

我國上游業(yè)務(wù)實(shí)踐中,超深層盆地深層溫度高、壓力大、油氣成熟度高和近源成藏,更利于天然氣及輕質(zhì)油的生成,資源量豐富、勘探程度低。油氣發(fā)現的重大戰略性突破基本集中在深層超深層,如塔里木盆地山前、四川盆地、準噶爾盆地南緣、柴達木盆地等的增儲上產(chǎn)皆來(lái)源于此。

此外,我國仍有數量眾多的長(cháng)期注水不受效、多次措施無(wú)效后,已經(jīng)采取停產(chǎn)措施老井。通過(guò)“智能導鉆”進(jìn)行油層內定點(diǎn)定方位取芯,采剩余油,是未來(lái)老油田穩產(chǎn)和上產(chǎn)是提高資源利用率的必由之路,成為低滲透儲層低成本挖潛的有力手段,在老油田剩余油挖潛中具有極為廣闊的推廣空間,將進(jìn)一步提升我國自有油田的戰略保障能力。

 

結語(yǔ)

把石油采出來(lái)總共分幾步?現在再來(lái)看這個(gè)問(wèn)題,你會(huì )發(fā)現我們走了一步又一步,如今也仍在邁步。

對我國而言,從最初被各國扣上“絕無(wú)石油資源”的帽子,到如今“智能導鉆”輕松采油成為現實(shí),其中反復試驗的努力與汗水是難以估量的。

也正是因為科學(xué)家與開(kāi)采人員的付出,才使得石油這一戰略資源有了堅實(shí)保障,更是讓國家經(jīng)濟、社會(huì )發(fā)展以及國防安全有了巨大底氣。

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