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油气勘探开发离不开定向钻井技术

——中国科学院院士高德利



2023-11-30 08:13:57 科技日报
10月下旬,第二十二届全国探矿工程(岩土钻掘工程)学术交流年会在山东威海举行。中国科学院院士高德利作了题为“超深钻采工程技术与装备创新发展”的主旨报告。此前,他在“科学与中国”20周年大会暨“千名院士·千场科普”行动启动仪式上作了题为“定向钻井与油气田高效绿色开发”的科普报告,介绍了油气钻采工程领域定向钻井技术及其在油气田高效绿色开发工程中的成功应用。在报告中,他表示:“能源很重要。可以说,当今社会如果没有能源,则几乎一切都要停摆。”
 
近日,科技日报记者专访了高德利,听他讲述科学家克服“入地无门”难题,巧用计“定向钻进”的故事。
 
定向钻井技术助力油气高效绿色发展
 
记者:您在前不久的“千名院士·千场科普”首场报告会上作了关于定向钻井技术的科普报告。定向钻井技术是什么,具有哪些特点?
 
高德利:所谓定向钻井,就是控制钻头按照设计轨道或地质导向破岩钻进,力求安全高效钻达地下的预定目标,是现代油气田高效绿色开发不可或缺的主体技术之一。
 
最初人们只能打简单的直井,后来随着钻井技术的发展,按照预定轨道钻进的定向钻井技术应运而生。通过定向钻井,可以基于同一个作业平台有效扩大油气田的开发控制半径及泄流面积。这既有利于提高油气田的综合开发效益及最终采收率,也有利于降本增效、保护环境、节约作业场地等。
 
实际上,定向钻井技术应用很广。除油气开采外,这一技术还在资源环境和工程建设中具有广泛的用途。比如城市建设中的非开挖工程就需要使用定向钻井技术,盾构机或挖掘机在隧道工程中的作业也类似于定向钻井。
 
定向钻井具有实时测控难的技术特点。通过定向钻井形成的三维井眼轨迹深入地层之中,看不见、摸不着。地下工况往往很复杂,定向钻井不仅要在漆黑一团的地质环境中作业,而且还会在钻进过程中遇到不少阻碍。另外,定向钻井是在钻头破碎岩石的过程中控制钻进方向并形成三维井眼轨迹的,其控制难度很大。
 
定向钻井的另一个特点是通过随钻测量来确定其钻进方向。由于定向钻井需要在地层中定向钻进,因此相比于在地面和空中作业,定向钻井工程信息化难度要大得多。这背后的原因很简单——电磁波在地面和空中的传播效果都很好,而一旦进入地层就不灵了,地层强大的传播阻力会使电磁波很快衰减成微弱信号。直到现在,这仍然是困扰随钻测量数据无线传输的重大瓶颈技术问题,也导致定向钻井在随钻测控方面遇到不少难以回避的困难。
 
记者:为什么一定要发展定向钻井技术,它在促进油气田高效绿色开发方面是怎样发挥作用的?
 
高德利:以往的直井控制的油气储层面积很小,够不着远处的油气。而使用定向钻井技术可以建设复杂结构井与丛式井。其中,丛式水平井就像树丛一样,通过一个平台布设多口水平井。这样可使一个平台控制的地下储层面积更大,从而有利于降本增效、保护环境、节约作业场地等。
 
如果待开采的油气藏位于生态保护区或其他特殊区域内,还可以采用大位移定向钻井技术,做到保护与开采两不误。例如,在滩海、湖泊、山区等复杂区域,可以发挥大位移定向钻井的独特作用,有效实现“水域油气陆地开采”、山区页岩气高效绿色开发等目标。定向钻井技术还成功地应用于地热、盐矿、碱矿及其他相关矿产资源的高效绿色开发工程。
 
记者:当前国际定向钻井技术发展到了什么阶段,我国定向钻井技术在这一领域处于什么水平?
 
高德利:井眼轨迹控制作为定向钻井控制技术的核心内容,已经历了4次技术迭代与升级。
 
第一代定向控制技术利用一些特殊的工具和技术措施来控制井眼轨迹,主要方法是通过改变钻具组合或使用造斜器来改变工具轴线与井眼轴线的偏离程度。这种方式只能实现简单的定向控制,井斜方位控制能力不足。第二代定向控制技术以涡轮钻具、螺杆钻具、测斜仪等工具为代表。第三代定向控制技术是以随钻测量工具和井下带弯接头动力钻具或弯外壳螺杆钻具为代表,定向钻井轨迹测量精度大幅度提高,并且实现了随钻定向控制。目前,第三代技术是定向井、水平井及丛式井定向钻井轨迹控制的主流技术。
 
第四代定向控制技术工具的典型代表是旋转导向钻井系统。这是一种可以在钻柱旋转时实时控制井眼轨迹的导向钻井系统,类似于航空航天领域的导弹制导系统,可以自动控制钻头,使其在地下油气储层中穿行。与常规定向控制工具相比,旋转导向钻井系统在轨迹控制精度、钻井时效、井身质量等方面具有明显优势,是现代定向钻井技术的发展方向。
 
国外也很重视这一技术,美国的斯伦贝谢、贝克休斯、哈里伯顿等著名技术服务公司的相关产品代表了这一技术领域的国际领先水平。我国在这一技术领域起步较晚,从20世纪80年代开始跟踪研究,在“十二五”期间取得了长足进步,目前国内多家单位已成功研制了旋转导向钻井系统。
 
当然,无论是国内还是国外,在提高定向钻井技术水平上仍存在一些瓶颈问题,比如随钻测量仪器的测量精度、耐高温高压能力等技术指标仍需进一步提高。
 
21世纪能源科技应朝向绿色与智能
 
记者:促进油气资源高效绿色开发,您还关注到了哪些技术路径?这些路径有什么应用前景?
 
高德利:除了定向钻井技术,碳的捕集、利用与封存(CCUS)技术在石油行业也非常有发展前景。无论是人类排放的二氧化碳,还是开采油气过程中伴生的二氧化碳,都可以利用CCUS技术加以适当处理。
 
一方面,我国油气田里存在很多枯竭的油气藏,可以作为储存二氧化碳的空间。另一方面,将二氧化碳注入油气层中,可以起到驱油气的作用,有利于提高油气采收率。另外,CCUS技术还可以用于捕集煤电厂等排放大户排放的二氧化碳,以尽可能避免造成大气污染。
 
记者:1997年,您曾主编出版《面向二十一世纪的能源科技》报告文集。26年过去了,您认为未来包括油气勘探开发在内的能源科技将呈现怎样的发展趋势?
 
高德利:我们在1997年的中国科协第21次“青年科学家论坛”上就已经提出,面向21世纪的能源科技需要绿色与智能发展,要将“健康、安全、环境”的目标作为重要内容加以认真考虑,也提出了研发地下钻掘机器人的设想。
 
我国目前还处于煤炭时代,煤炭在能源中的占比最高,达50%以上。从全世界范围看,天然气发展很快,可能会成为新“老大”。实际上,我希望我国能源发展能够直接跨入气态能源时代。气态能源包括常规和非常规天然气、地下煤制气、氢气等。其中,将煤炭在地下原位转化为低碳清洁的气态能源,可以有效减少二氧化碳排放。其主要原因是:一方面在于煤层气资源量大但目前产量仍比较低,未来具有较大的增长空间和发展潜力;另一方面是通过煤炭地下气化,可以把煤渣等污染物留在地下,实现煤炭有效清洁利用。总之,我认为发展气态能源是我国能源低碳绿色转型的重大战略举措之一。
 
能源领域越来越需要协同创新
 
记者:一路走来,在成为科学家的道路上您面临过哪些挑战和机遇?
 
高德利:我们这一代比较特殊。1975年高中毕业后,我在农村过了3年,这期间当过兽医助理,在果园工作过,搞过建筑,后来还当了一年半的中学老师。1977年恢复高考,我们有了考大学的机会。那时候复习时间很少,幸好我当时是中学老师,有学习的有利条件,就考上了华东石油学院,也就是今天的中国石油大学。
 
那时候,“科学的春天”来了。1978年,介绍陈景润故事的《哥德巴赫猜想》发表了,全国科学大会也召开了。当时,我们大学生没有别的想法,都聚精会神地学习。在露天广场里看电影也忘不了学习。电影开始前,很多人在昏暗的灯光下学英语、解数学题等,争分夺秒地刻苦学习。当年,尽管住得很差,校园设施也很差,但师资还比较好,尤其是大家的学习劲头特别大。
 
我起初报的志愿是基础类专业,被调剂到了华东石油学院的石油开发系工程专业。一开始,我觉得这不是我喜欢的专业。但我的性格是不管学什么,都不愿意示弱,所以学习很努力,成绩也挺好。大学毕业后,学校要留我当老师,但我周围好多同学都在备考研究生,对我触动很大。因此尽管当时剩下的备考时间不多,强烈的自尊心还是迫使我报考了研究生。我本来报的是本校,最后机缘巧合之下,到西南石油学院(现西南石油大学)的力学教研室学了我喜欢的数理类专业。
 
1984年9月我通过了硕士学位论文答辩,10月离开西南石油学院。因为我是在有充足阳光的华北平原长大的,难以适应四川的气候,所以我回到华东石油学院开发系任教,并在1987年考取该校刘希圣教授的博士研究生,成为本校油气工程学科首批2名博士生之一。1990年,我被录取为清华大学工程力学系博士后,1992年完成博士后研究并被晋升为清华大学固体力学副教授,之后又入职石油大学(北京),也就是今天的中国石油大学(北京)。从此,我好像“掉到井眼里再也出不来了”。我专心致志地从事油气工程领域的教学和科研工作,并担任学科负责人,积极带领本学科创优争先,使其成为国家“双一流”重点学科,从而备受国内外关注。
 
记者:油气勘探开发的新趋势给人才培养提出了哪些新要求?
 
高德利:在“双碳”目标下,油气勘探开发的新趋势给人才培养提出了更高的要求。从人类“入地、下海”的高度来看,将来油气勘探的范围和难度都会增大,对专业人才的要求也会越来越高。
 
从事油气工程这一行,首先肯定要在钻探、开采、储运等方面具备扎实的基础知识。此外,这些专业人才还需要具有多学科交叉背景。过去,煤炭、石油、天然气、冶金等领域往往各自“画个圈”谋发展,以后越来越需要跨行业交叉融合,共谋发展,以达到互利共赢的目标。面对低碳绿色发展的大趋势,能源领域越来越需要协同创新。比如,可以将油气领域的相关技术应用到煤炭领域,将一两千米以下的煤炭转化成煤制气、煤制油甚至煤发电进行开发利用,以确保绿色与安全高效生产。同时,建立“地下井工厂”也需要定向钻井等钻采技术作为必要支撑。
 
总之,新趋势下,我们需要更有能力的有志青年来参与油气勘探开发。当前,油气领域发生了很多变化。现在,我们必须改变思路,越是这种艰苦但又不可或缺的行业,越需要有志青年来推动发展,需要高水平人才和科技创新的支撑。来这个领域学习、成才、工作、贡献,实际上是很有意思的人生之旅。
 
人物档案
 
高德利,中国科学院院士,油气钻探与开采专家。现任中国石油大学(北京)石油与天然气工程国家重点学科负责人、石油工程教育部重点实验室主任、校学术委员会主任等。长期从事油气工程领域的教学与科研工作,在复杂油气井工程方面取得了重要研究成果。研究成果在陆上和海上油气田有显著应用实效。
 
致青年科技人才
 
要成为一名科学家,必须从小养成良好的学习和生活习惯。要持之以恒、专心致志、锲而不舍,有“钉钉子精神”,不能“三天打鱼,两天晒网”。
 
人的精力是有限的,要长期沿着一个你感兴趣的专业领域与研究方向努力钻研。大学阶段用来打基础,研究生阶段就可以选择一个具体的研究方向了。还要能够继续坚持,如果“一会儿做这个,一会儿又做那个”,很难做出原创性的、国际领先的学术成果。同时,良好的生活习惯有利于健康、学习和工作。
 
当然,科学技术创新有时候不能仅靠单枪匹马,还需要团队协作。尤其是对应用科学创新、从事技术发明的研究人员来说,团队精神越来越重要。实际上,很多技术都具有学科交叉特点,而非单一学科的科学问题。一个人总是有短板的,再厉害的科学家也有短板,只有通过团队进行强强合作,才能够把短板补上。如果不注重协同创新,不能形成一个配置合理的科研团队,个人的短板就很难补齐,最终也会影响所追求目标的顺利实现。
 
——高德利



责任编辑: 江晓蓓

标签: 油气勘探