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向地球深部进军 | 让“地下太阳”冉冉升起

——对我国油气勘探开发走向超深层的观察与思考

  编者按:

  习近平总书记强调,向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题。深层油气资源勘探开发是开展地球深部探测的重要组成部分。当前,深层超深层已成为我国油气重大发现的主阵地,加快深层超深层油气勘探开发已成为保障国家能源安全的必然选择。

  深层超深层油气勘探开发各环节面临哪些困难?中国石油有哪些自主研发应用的新技术新装备?即日起,本刊推出系列报道,解读深层超深层油气勘探开发全过程。敬请关注。

  对我国油气勘探开发走向超深层的观察与思考

  2月13日,蓬深6井成功固井,完钻井深9026米,亚洲最深直井在四川盆地诞生。

  3月9日,果勒3C井完钻井深9396米,打破亚洲最深水平井纪录,推动塔里木油田正式迈入9000米级油气勘探开发新阶段。

  今年年初以来,中国石油不断刷新亚洲“深地”纪录,撬动“地下太阳”持续释放能量,也折射出我国油气勘探开发向深层进军的步伐在加速。资料显示,我国超深层油气资源新增探明储量占比从“十五”期间的17%上升到“十三五”期间的34%。“十三五”至今,中国石油6000米以深超深井数量年均增长超过15%,8000米以深特深井数量年均成倍增长。2022年,中油技服各成员企业共施工37口超8000米深井。

  为何超深层成为近年来油气勘探开发的热点?我国石油企业为何要不断攻关技术难题,挑战地层深度的极限?

  资源劣质化程度加剧

  中浅层油气持续增储稳产面临巨大压力

  当前,我国已成为全球最大的能源生产国和消费国,油气对外依存度高企。加大油气勘探开发和增储上产力度,保障能源安全,对我国经济社会高质量发展至关重要。

  一方面,油气消费量在不断增长;另一方面,资源劣质化程度却在加剧。随着我国东部陆相盆地开发进入中后期,“薄家底”带来的作业难度不断加大,“骨头越啃越硬”是我国油气上游业务的一大趋势。

  资料显示,我国资源条件好的大盆地在经历超过半个世纪的开发后,已经进入高勘探程度阶段。松辽盆地、渤海湾陆上、鄂尔多斯盆地资源探明率分别达到70%、53%、50%。曾经扛起资源量“半壁江山”的三大主力盆地勘探难度日益加大,在中浅层发现大型资源富集油气田的机会越来越少。剩余资源日益分散,新增储量以低渗、低丰度、小断块为主,开采难度与效益不言而喻。

  总体来看,东部老油田面临着资源品质降低、储量接替矛盾突出、油井产量下降、综合含水率上升、开采难度加大等一系列难题。大庆、胜利、辽河等东部主力油田均已进入高含水期,处于产量递减阶段。

  业内专家介绍,进入高含水期后,油田开采成本是投产初期成本的5倍以上。老油田70%的储量不具备二次水驱开发效益潜力。三次采油虽能产生一定经济效益,但建设成本更高。

  中浅层经济高效开发愈发困难,端牢能源饭碗如何实现?在更深、更古老层系寻找资源战略接替区,成为我国石油行业保障能源安全的必然选择。

果勒3C井鸟瞰图。谭辉 摄

  超深层资源潜力巨大

  正成为上游业务发展的重要战略领域

  在我国上游业务实践中,一般将埋深4500米作为深层的界线,而埋深超过6000米的地层被称为超深层。相比中浅层,盆地深层具有温度高、压力大、油气成熟度高和近源成藏等特点,更利于天然气及轻质油的生成,资源量丰富、勘探程度低。“近年来,我国油气发现重大战略性突破基本集中在深层超深层或深海。”国家万人计划领军人才、中国石油勘探开发研究院朱光有教授表示。

  我国深层超深层油气资源潜力巨大。从资源量上来看,深层超深层资源量达671亿吨油当量,占我国油气资源总量的34%,其中2/3以上分布在塔里木、四川和鄂尔多斯等盆地,且以大型碳酸盐岩油气藏为主。以塔里木盆地为例,埋深在6000米至1万米的油、气资源分别占油、气总量的83.2%和63.9%。

  从勘探开发情况来看,深层超深层资源产量和收益率高,但探明率较低,具备效益开发的潜力。朱光有介绍,中国石油深层超深层天然气产量占国内总产量的1/3,收益率平均超过30%,是中浅层气田的2.3倍,而探明率仅为13%。以塔里木油田为例,油田日产油气当量超10万吨,6000米以深的产量占比超过52%。一口超深气井日配产可达百万立方米,相当于数十口甚至上百口浅层气井的产量,是油气田增储上产的重要增长极。

  超深层还蕴含着无限可能。若万米之下能发现成藏的油气,证明无机成烃的可能性,将给地质理论学界带来颠覆性认知,助力端牢我国能源饭碗。中国工程院院士李宁大胆假设,井打到了1.5万米、2万米或垂深更深,则有可能回答“可否无机成烃?”这个悬而未决的重大科学问题。若发现并确认可以无机成烃,那石油天然气就是取之不尽、用之不竭的可再生能源。

  勘探无止境,开发无禁区。得益于地质认识的深化以及技术装备水平的提高,塔里木盆地克拉-克深、博孜-大北两个万亿立方米大气区,富满10亿吨级超深油区相继“破茧而出”。

  超深层正与老油田、海洋深水和非常规油气一并成为我国石油工业上游业务发展的重要战略领域,为国家能源安全提供更坚实的保障。

  锻造技术利器

  实现高水平科技自立自强

  超深层油气勘探开发技术是各国在油气领域角逐的高端技术。能否掌握这一领域的关键核心技术,实现高水平科技自立自强,对保障我国能源安全意义重大。

  “中国石油是我国陆上油气资源勘探开发原创技术策源地,超深层勘探开发不仅可带动钻井、测井、录井、试油、地球物理探测等整个产业链技术与装备的进步,而且可促进新型材料、高端化学助剂、高温电子元器件等产业发展,攻克一批‘卡脖子’的核心技术难题,实现关键技术由自立到自强。”中国石油工程技术研究院副院长汪海阁表示。

  油气勘探越来越深,配套工程技术也越来越难。与中浅层相比,超深层钻井面临高温高压和复杂介质带来的多重挑战。接近200摄氏度的超高温和140兆帕以上的超高压使地层发生改变,这对钻井装备和工具、电子元器件、井筒工作流体的性能与质量提出更高要求;地层中充斥的二氧化碳、硫化氢等酸性腐蚀性气体,提高了井下工具、仪器的失效率;有些超深井压力窗口窄,在多压力体系共同的影响下极易出现垮塌、漏失、流体入侵等异常情况,给设备和人员带来安全风险……

  从埋深4500米左右的克拉2气田,到6000米以深的克拉-克深、博孜-大北气区,再到储层普遍在8000米以深,甚至接近9000米的富满油田,随着井越打越深,中国石油核心钻井装备技术也在从引进到自主研发,在追赶世界一流的过程中不断发展并取得突破。

  塔里木油田和宝石机械公司合力研发的9000米级自动化钻机,提升能力达673吨,可轻松吊起一架满载的空客A380飞机;非平面齿PDC等新型高效钻头技术,抗冲击性较平面齿提高10倍以上,成为行业技术的“天花板”;精细控压技术突破,窗口窄的超深井打得更好;高密度油基钻井液技术突破,可应对更高的地层温度,增强井壁的稳定性,降低摩擦阻力……一系列国产“石油重器”、技术利器纷纷问世,打破了国外技术垄断,支撑了塔里木盆地山前、四川盆地、准噶尔盆地南缘、柴达木盆地等重要增储上产地区的超深层勘探开发。

  “我国超深井钻井总体技术水平不断提升,与国外的差距持续缩小。”汪海阁说,“石油超深钻井技术与装备基本满足勘探开发需要。9000米钻机、顶驱、控压钻井、深层连续管作业机等已经完全实现国产化。陆地钻机、顶驱装备、控压钻井、抗高温油基钻井液、韧性水泥浆、非平面齿PDC钻头等达到了国际先进水平。”

  尽管已经实现了超深层的突破,但我们也要看到,与国际先进技术相比,我国仍存在一定差距,在很多领域仍亟待攻关。开发方面,在超高温、高酸性和压力窗口窄的条件下,深层钻井速度慢,井筒安全和完整性难以保障;整体钻井周期长、单井投资大,甚至有些井耗资巨大,难以钻达目的层。

  专家认为,自动化、智能化是解决现有技术难题。让超深层勘探开发“更聪明”的重要途径。“未来钻井技术将与自动化、智能化相关技术融合发展。‘十四五’及今后一段时间内,钻完井技术装备可实现超前探测、精准制导、闭环调控和智能决策,大幅增加深层超深层勘探发现,提高钻井成功率和钻遇率,实现安全高效经济钻完井。”汪海阁表示。(记者 董宣)

我国超深层油气资源新增探明储量占比

        资料来源:中国石油勘探开发研究院、中国石油工程技术研究院

“十三五”期间中国石油深井主要技术指标

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  “十四五”我国深井超深井钻完井技术发展展望

  “十四五”及未来相当长一段时间内,一批影响深井超深井安全快速钻井的关键核心技术卡点急需突破,实现高端装备工具的自主可控;绿色低碳钻井、清洁生产和本质安全是时代的主题和行业的遵循,已成刚性需求;提质增效、高质量发展需要数字化智能化技术支撑转型发展。目前,我国正从以下几个方面重点攻关并持续推进:

  围绕深井超深井打成打快打好,重点研发深井自动化智能化钻机及配套装置、高效PDC钻头和智能化钻头、极端条件下深井超深井井筒工作液、随钻前探等尖端技术,研制智能控压钻井技术与装备、井下故障复杂智能识别与早期诊断、井下多参数实时测量与智能优化控制技术、数字化智能化建井技术等,发展耐高温抗高压的工具、仪器和井筒工作液材料,开发抗高温大扭矩长寿命井下钻具、随钻扩眼与膨胀管裸眼封堵等,持续提升传统技术的可靠性,提高深井超深井安全优快钻井的能力,提升钻井工程设计软件及远程技术支持水平,推进钻井由传统作业方式向实时决策支持作业方式转变。

  紧密围绕勘探开发主体技术需求和深井超深井打成打快打好面临的关键技术瓶颈问题,持续开展钻井技术攻关。高温大温差水泥和韧性水泥技术继续保持国际领先水平,气体和欠平衡钻井技术、井筒压力自适应控制、高温高密度油基钻井液和高性能水基钻井液、连续管装备与作业技术等继续保持国际先进水平;自动化智能化钻机、井下信息高速传输技术、随钻前探技术、电动钻具钻井系统、PDC高效钻头和材料等技术、随钻扩眼及膨胀管裸眼封堵技术、复杂深井救援等实现重大突破。掌握万米超深井、特超深井钻井技术,支撑超深层勘探开发,大幅度提高复杂井钻探成功率和钻井速度。

  发展第三代自动化钻机,攻关智能钻井关键技术,随钻扩眼和膨胀管裸眼封堵、电动钻具钻井、智能控压等取得重大突破,持续发展完善深井高速信息上传系统,实现重大装备的健康管理和远程监控维护。自动化钻井装备与高端工具、软件方面,“十四五”重点开展第三代自动化钻机、高性能井筒压力闭环控制系统、膨胀管裸眼封堵及井身结构拓展、井下复杂智能识别与诊断、数字孪生建井、高速信息传输、9000米连续管作业机、电动钻具钻井、高强轻质合金钻杆等研究。

  突破超硬耐研磨材料,研制高性能智能钻头和复合钻头,持续完善耐油耐高温长寿命螺杆钻具,发展完善反循环钻井、连续循环气体钻井等技术,探索新型破岩方法,发展电脉冲破岩工具等,支撑深层超深层难钻地层有效提速。“十四五”重点发展自适应高效钻头、耐油耐高温长寿命螺杆钻具、密闭循环钻井技术,以及电脉冲、激光等破岩新技术。

  持续攻关恶性漏失一体化控制、智能钻井液材料等难题,发展低成本、高效、绿色钻完井液及废弃物减量和处理技术,形成高温高密度高盐钻完井液系列技术,实现钻井液性能在线实时监控。“十四五”重点发展高温高密度高盐钻井液、恶性漏失控制技术、在线性能自动测控与自动化闭环固控与配浆系统、钻井废弃物环保利用及处理技术等。

  保持特色水泥浆技术国际领先,突破抗220摄氏度以上高温水泥浆及高温固井关键工具,形成超深井、特超深井等复杂条件下固井配套技术,完善发展固井仿真模拟自动监控软件和固井工程大数据平台、自动水泥头等关键技术,形成自动化监控固井施工技术,推动固井施工向自动化发展,为复杂井、超深井提供固井质量保障。“十四五”重点发展固井仿真监控软件和大数据平台、抗240摄氏度水泥浆及固井关键工具、高温高压完井封隔器等。

  以人工智能等为代表的第四次工业革命已经到来,“十四五”及今后一段时间内钻完井技术装备将不断向自动化、智能化方向发展,可实现超前探测、精准制导、闭环调控和智能决策,大幅提高深层超深层勘探发现和储层钻遇率,提高钻井成功率和钻遇率,实现安全高效经济钻完井。(作者汪海阁系中国石油工程技术研究院副院长)

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  中国工程院院士张来斌

  问:我国超深层勘探开发在世界上是什么地位?哪些科技比肩世界前沿?

  答:除墨西哥湾深水盆地外,国外油气勘探以中浅层(埋深小于6000米)为主,埋深超8000米深层油气尚处于早期探索阶段。以塔里木为代表的超深层勘探在国际上处于领先地位。“十三五”以来,我国全面掌握了8000米勘探开发配套技术,9000米钻机及钻完井工具设备、天然气压缩机组等300多项重要油气生产设备全面实现国产化;沙漠及山地高精度地震、超深超薄储层钻完井等技术达到国际先进水平;垂直钻井、高密度油基泥浆等一系列新技术新装备新工具打破国外垄断、填补国内空白,为我国石油工业勘探开发向超深复杂领域发展提供了坚实的理论和技术储备。高水平科技自立自强脚步铿锵笃定,关键技术群实现从“跟跑”到“并跑”再到“领跑”。

  问:下一步超深层钻完井重点攻关方向在哪里?

  答:一是破解高端石油装备匮乏、无法满足万米超深超高温超高压难题,形成新一代地面装备和井下工具仪器体系,带动石油高端装备制造业迭代升级发展,保障产业链自主可控。二是应对复杂地层超深井井身结构拓展及超高温高压复杂地应力条件下井壁稳定技术,保障钻井安全与质量。三是研发抗温240摄氏度以上井筒工作液,实现高端井筒工作液材料与体系的自主化。四是攻关8000米以深高温高压高研磨地层高效破岩技术,提高深部难钻地层钻井速度。

  中国石油大学(北京)供稿

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