高温超压地层钻井技术攻关启示录.doc

高温超压地层钻井技术攻关启示录 发布日期：2000年12月07日 浏览人数： 27开启所罗门的魔瓶 本报记者郑千里 “863”专题要开启“魔瓶”，让释放出来的“魔鬼”变成“天使”据中国大百科全书载，我国近海的石油资源约与世界最大的石油输出国沙特阿拉伯的石油储量相当。科学家对我国大陆架盆地油气资源潜力进行的评估表明，我国南海西部海域天然气资源非常丰富，预测资源量多达10万亿立方米。但由于该区域天然气埋藏较深，且处于高温、超压的环境，其勘探难度相当之大。海洋地层深处的高温、超压并存的环境，构成了一个犹如所罗门手中的“魔瓶”。钻井过程中如稍有不慎，由地层压力失控等原因造成井喷，释放的将是几乎无法驾驭驯服的魔鬼：井喷带来的灾难不仅仅是价值几千万美元的钻井平台的毁灭，现场施工作业的人们无处遁迹逃生，更为恐怖的还有那井底下窜起的难以控制的升腾气体，以及它熊熊燃烧飘散后对海洋的严重污染伴随过共和国成长历程的人们，都不会忘怀大庆油田铁人王进喜跳进钻井里去搅拌泥浆那个感人画面。从这个画面，许多人读出了雄伟，读出了豪迈；从历史的眼光看，从内行的眼光看，我们实在还应该读出其中的“悲壮”。况且，大庆油田毕竟是在陆地上，与海洋上的危险还不可同日而语。历史走到了即将迎来21世纪曙光的今天，我们必须开启海洋地层深处的“魔瓶”，让释放出来的“魔鬼”变成造福于民的“天使”：10万亿立方米的天然气储量如果按20年的进度开采，仅每年的直接产值就可达200亿元人民币之巨。为在南海莺琼盆地寻找到大气田，中国海洋石油总公司整整花费了20多年时间，作了种种的努力，直到10年前意识到盆地的中深层是寻找天然气的重点区域时，却又因为这个地层普遍存在的高温超压而不得不放慢了勘探的进程。迄今为止，高温超压地层在世界上都尚无可直接利用的钻井技术，它是个国际性的难题。已有的钻井和测井技术远远不能适应生产需要，严重制约了我国这类天然气资源的开发和利用。经过市场经济洗礼的我国战略科学家，眼睛盯住了高温超压钻井高科技及其实现产业化后的巨大市场效益，而海洋石油公司看到要突破高温超压钻井难关，也必须坚定不移地依靠技术创新。双向选择的结果，我国“863”计划中的“高温超压地层钻井技术”专题应运而生。这个专题，在“863”计划重大项目“莺琼大气区勘探关键技术”中，序号为“82007”。中海石油（中国）有限公司湛江分公司牵头承担负责了这一光荣任务。 李约瑟在中国科学技术史已有证明。“863”专题进入产业化实施已瓜熟蒂落著名英国科学家李约瑟在他早年所著的中国科学技术史写道：“今天勘探油田时所用的这种钻井或凿洞的技术，肯定是中国人发明的。”他说的“这种钻井”，指的是世界上较为古老的“顿钻钻井”，可以用于开凿一些浅的低压油气井，同时，他也证明了我们的华夏祖先在钻井科技史上曾经拥有过的一段荣光。即将跨入21世纪，我们能再创现代世界科技文明史的辉煌吗？海洋地层深处钻井时的高温超压，一般指温度大于200摄氏度，压力大于100Mpa。现为中海石油（中国）有限公司湛江分公司的副总钻井工程师陈锡泉告诉记者：在海洋地层深处钻井时，最难攻克的是高温和超压并存。这因为，钻井时碰到超压地层要防止井喷就必须用重泥浆做钻井液，但高温又会使重泥浆分解絮凝，泥浆性能难以稳定。1995年，某外国著名石油公司在琼东南盆地曾花费1亿美元钻了3口井，均未能够取得成功。造物主就是这样的怪异荒诞：在全世界，80的大气田都产生在高温高压地区，而钻井的灾难往往也容易出自高温高压地区。人们希望得到滚滚而来的巨大财富，但地层被钻井打开的瞬间，伴随天然气窜出来的却可能是火山爆发般的妖魔鬼怪。海上油气田勘探的特点就是“三高”，亦即高投入、高风险、高科技。对于高温高压油气田的勘探，几乎所有接受记者采访的科技人员都明白无误地告知：这既要靠雄厚的经济实力，更要拼强大的科技实力。汪顺文是中海石油（中国）公司湛江分公司的钻井总监，这个钻井现场作业代表的衔头，记者戏称是“特命全权大使”。他八十年代大学毕业以后分配来湛江，从1990年在崖城打2111井开始，所有5口高温高压井都经历了，职务也从实习监督、值班监督，直至升为总监。汪顺文的成长历程伴随着我国海洋地层油气田勘探开发的前进足迹。据他介绍，1990年在崖城打2111井是第一次碰到高温高压，既无法理解和解释这个特殊现象，更谈不上有先进的技术手段解决高温高压，只好见到高压油气之后就把井封了。从钻井位撤回，许多人有灰溜溜的感觉，但高瞻远瞩的科学家给了钻井人员极大鼓励：抓住油气这条“魔鬼”的尾巴，今后总能探寻出“魔鬼”的出没规律加以制服。我国的油气田勘探专家继续探寻和积累着高温高压井的勘探规律。“东方”在沉寂数年之后，经过较为充分的技术储备，以时代的眼光加以审视，对它的重新勘探已到瓜熟蒂落的时候。1998年2月，经国家“863”计划海洋探查和资源开发技术主题办公室正式批准，“高温超压地层钻井技术”攻关主要从“高性能优质泥浆及完井液的研制”、“精确的地层压力预测和监测技术“、“高温超压测试技术”3项内容展开。为配合“高温超压地层钻井技术”，中海石油（中国）有限公司湛江分公司还结合自身的实际情况和钻探高温超压井的关键技术及难点，列出“高温超压固井与堵漏技术”、“高温超压钻井安全技术”、“高温超压井钻井设备改造”进行攻关，形成一套匹配的高温超压地层钻井技术。通过高技术难点的攻克实现重大工程目标，使企业成长并且获得效益，同时提高行业的技术水平和实力，推动国家经济的发展，是“863”计划的主旨之一。“863”该专题从一开始实施，就形成了以专家组为核心，以产业部门为依托的全新的运作方式，工业化和产业化的市场目标不仅始终决定着科学家的研究方向，也决定着企业作为技术创新主体进行投入的自觉意识和积极行动。 诗意的名字“莺歌海”。东方1111井的勘探成功为国际石油界所瞩目“精确的地层压力预测和监测技术”课题立项之初，就计划由产业部门在南海西部海域钻探一口高温高压井，既为课题的研究提供一个理想的试验场所，也可为产业化的初步实践提供一次检验的机会。位于海南省乐东县西南部的沿海海域，有个非常诗意的名字“莺歌海”。是因为在她的海底蕴藏着丰富的天然气资源，才被富有想像力的地理学家取了这么个美妙动听的名字？还是因为我国石油勘探科技人员创造出来的人间奇迹，真的能让她今后莺啼婉转如歌？东方1111井就建立在“莺歌海”。现在世界上最远的海上石油钻井平台，一般离海岸线也不能超过300公里，再远了，受航程限制的直升飞机就降落不到钻井平台上。人们工作、生活在这里，遇到台风等恶劣的气候条件，有时连生活补给都会成问题。如果一旦井喷着火，救援船只靠不上，现场人员甚至无法逃生，而东方1111井钻探除了高温高压本身的难题，还要保护地下浅层已经被国家认定的1000亿立方米的天然气储气量。所以，“安全第一”乃重中之重。陈锡泉1965年大学毕业后分配到在南海西部油田，曾当过公司安全环保部经理，多年来从事石油勘探的安全防范工作，他1995年被聘为国家安全生产专家组72位成员之一，也是我国目前海上石油化工行业唯一的国家安全生产专家。由陈锡泉出任“高温超压地层钻井技术”专题负责人和责任专家组长，“安全”问题之重要或许也可管中窥豹，略见一斑。东方1111井开钻期间，刚好“863”专题已取得了阶段性成果，尤其是专题的3个配套项目也取得了突破性的成果，因此，中海石油（中国）有限公司将这些成果直接运用到了东方1111井。东方1111井从1999年8月18日开钻。1999年9月，国家“863”该专题的十多位知名专家汇集南海，利用课题的研究成果共同为东方1111井地层压力“会诊”。这是“863”的一个创造。以产业实际应用开路，立下研究攻关课题，课题的阶段性研究成果又直接应用于产业，迅速反哺于产业。实践与理论密切结合，“863”攻关成果的理论指导着钻井作业，钻井作业资料也校验了“863”阶段性成果，既产生理论的升华，也绽开了实践之花。中海石油（中国）有限公司的同志对记者说：由企业牵头承担“863”，避免了工程的重复性。在国家正式立项前，从攻克生产难关的角度出发也想干某些项目，但与国外跨国公司的研究开发部比，这样重大的科研攻关，我们企业的研究开发力量显得单薄，仅靠自身的力量力不从心。国家把它纳入了“863”计划，即与企业的想法不谋而合，在攻关的过程中，专家始终对企业的进度保持跟踪和监理，随时为企业提供技术上的指导，使企业不“偏题”、不“跑题”，也使企业更加有了底气，坚定信心。1999年的中秋节前后，是课题攻关的冲刺阶段。东方1111井下深度2310米和2688米是井下压力两个关键点，根据推算，2310米以上深度压力是15的系数，2688米以下深度则是20的压力系数。时值中秋，圆月皎洁，身在湛江的“863”专家和协作单位的各路精英，宵衣旰食，恨不得长绳系日。计算机工作站每天繁忙处理来自现场的浩瀚资料，参与攻关的同志经常工作到深夜后就睡在办公室里。年轻的科技人员说：“我们没有经历过当年大庆油田会战，但想必那感人的场面和精神大概就是这样的吧？”大庆油田会战至今，三十年弹指一挥间，石油钻探群英奉献精神的光荣传统一脉相承。但是，时代毕竟不同了。借助科技神威，我们再也不能像铁人王进喜那样，跳进钻井里去搅拌泥浆。东方1111井于1999年11月11日完井，前后钻井时间共为98天。它创造了在南中国海钻探高温高压井的新记录，即第一次在设计的时间内和预算的费用内钻达设计井深，并为加深钻进超高压地层创造了条件（设计井深3223米，实际完钻井深3508米）加深井段的气层显示较好，达到了加深的钻探目的。东方1111井钻井总费用为8986万元，平均钻井成本为26285万元米，不但与发达国家同样类型的钻井相比节约开支，也是中国海洋石油总公司钻探的所有高温高压井中成本最少的一口井。达到了专题立项时提出的生产效率和成本均降低10的经济指标。 “精确的地层压力预测和监测技术”。战胜“压力”与“高温”“高温超压地层钻井技术”专题中，“精确的地层压力预测和监测技术”课题由王振峰任负责人。这位八十年代初青岛海洋学院毕业的青年科技人员，深知肩上的沉重分量。解决高温高压的钻井难题，建立精确的地层压力预测和监测技术是关键所在，首当其冲。不久前美国一家世界著名的测井公司做了权威的统计，全世界的地层压力预测精确度仅为80。我国如果能在地层压力预测精确度取得技术突破，不仅可以刷新改写世界纪录，南海建立万亿大气区的进程将由此大大加快！就具体技术而言，就是不仅要预测出高温高压钻井的压力，还要随着钻井深度实时监测钻井的压力，做到“精确”。如果不“精确”，钻井套管下早了，打到地层深处再没有合适的套管可下，花费了巨资的钻井就可能报废。而如果不适时下套管，随着钻井高压的增加则可能产生严重井喷。钻井总监汪顺文向记者介绍说：别的课题我国或许还可以花大价钱，请求国外大石油公司的支持与帮助，但“精确的地层压力预测和监测技术”肯定不能由外国公司越俎代庖。让外国承担这个课题，我们就得把领海主权内的带有保密性质的地质资料和盘托出。只能凭自力更生。所有的课题组成员身上承受的“压力”都不小。王振峰这位山东大汉平生似乎第一次感到了自己肩膀的“稚嫩”。还有“高温”。1997年7月，课题组在北京进行紧张的项目论证，王振峰和他的合作伙伴对当时的酷暑难当，至今体验记忆犹新。1998年，美国一家著名的公司决定钻探位于琼东南盆地西部的崖城2114井，为配合作业者钻成这口高温高压井，课题组参与了该公司的钻前预测和随钻监测。钻前的压力预测与该公司的预测结果相差悬殊：我方认为，异常超压顶面深度应在4850米，外方则认为在3300米，未采纳我方的意见，给钻井留下了重大隐患。而当实际钻进到4915米时，课题组所做的随钻地层压力预测也表明即将钻入异常高压层，建议该公司应立即下套管封隔。遗憾的是，该公司对超压面的突变性认识不足，仍未能接受建议，结果在4957米遇到系数高达22的异常高压，发生了井涌井漏的恶性事故。事故处理历时30多天，耗资300多万美元，且漏取了771米的测井数据。在与拥有世界一流钻井技术的外国公司的对比中，我国充分显示了自己研究的技术成果的先进性。参与崖城2114井的钻前预测和随钻监测，无疑对于课题组是一次实战检阅，课题组所作的预测和监测精度水平，大大鼓舞了科研人员的斗志，坚定了必胜的信心。对我国自己勘探的东方1111井钻前压力预测，课题组人员提出高压过渡带顶面深度2301米、异常高压顶面深度2686米预测参数。根据预测结果采取安全措施，有效地消除了钻井中的隐患，确保钻井实施过程中的高效成功。实际钻探情况表明，高压过渡带顶面深度2260米，异常高压顶面深度2738米。监测精度达到压力系数误差小于10，实现提前5米预备高压。东方1111钻井制订的原则是“安全第一，发现为主，取好资料”。考虑到东方1111钻井高温高压的特殊性，地质师原来所作的要求比较宽松，将通常要求的“取全资料”改成了“取好资料”。但全体科研人员共同努力，对各项指标从难从严要求，最终还是“取全”了钻井的各种资料。在东方1111钻井钻达地下目的层后，专家向世人公布了一组数字：我国对该井的钻前压力预测深度误差小于2，压力系数误差小于4。这组数字是令人振奋的。有的专家甚至断言：我国这样的高精度压力预测在全世界也实属罕见。高温高压地区地层压力预测和监测的准确性，保证了在莺歌海盆地中部穿过中深层高温高压地层的第一口井东方1111井施钻的顺利进行。同时，东方1111钻井的成功，也标志着我国在高温高压地区的钻井技术已位居世界前列。王振峰对记者介绍说：过去，我们的年终工作总结就是以“研究成果总结与明年勘探部署意见”这样的文字开篇，科研紧密联系生产作业，生产作业也紧密联系科研。由我们这样的单位作为组织者承担“863”，在特定领域里吸纳全国科研院校参加项目，实践证明是合适可行的。课题执行过程中，我们每个月都要报进度，每个季度都要有总结，得到了“863”专家的悉心指导，对企业、特别对于年轻科技人员的成长大有裨益。有一定压力，“稚嫩”的肩膀才能得到锻炼。一个人是这样，一个企业和一个民族也是这样。我国的石油勘探高新技术研究应用正是由“稚嫩”不断走向成熟的。 “完井”和“测试”。“测试”我国石油勘探科研人员的科学思想深度油气井的钻探完成简称“完井”，是钻井工程的最后环节。完井重要的目的之一，是不能让钻井里的油气跑、冒、滴、漏，像所罗门手中的宝瓶必须天衣无缝，瓶中的“魔鬼”企图走漏，得对它及时进行“镇压”。完井过程中，必须用高性能优质泥浆及完井液来平衡不同的地层压力，高温高压下使用的泥浆和完井液显得尤其重要。强调研究成果必须应用于生产实践，今后实现工业化和产业化，在“863”专题的招标合同书上，明确规定了“高性能优质泥浆及完井液的研制”课题必须在1口井上取得成功的实践。“高性能优质泥浆及完井液的研制”课题1998年5月立项，通过专家的反复论证及广泛的调研，确定了以高温高压油基钻井液与高密度清洁盐水两大体系为主，高温高压储层损害评价技术及配套的仪器研制为辅的攻关内容。据课题的负责人彭放介绍，该课题开展时正值1998年底的世界油价低迷期，莺琼盆地的高温高压井位一时难以落实，课题的显示度遇到问题，一度出现了课题研究面临中止的困境。“海洋探查与资源开发”主题办和主题专家组成员力挽狂澜，确立了果断大胆而又富有战略远见的方针：将课题研究内容作为今后在莺琼盆地实行高温高压钻井的技术储备！这里，我们得提及主题专家组组长苏纪兰院士，以及专家组组长助理孙振纯总工程师。1998年底，专家组及有关人员面对油价低迷带来的突然变故，在珠海紧急召开分析会，“主战派”显示出敢担风险、当机立断的气魄，由孙振纯总工程师执笔写的一份应对报告，迅速得到了苏纪兰院士及大部分专家的回应支持。1999年1月，苏纪兰院士负责签字，第一笔100万元研究经费按原计划如期拨到课题组的户头上。1991年夏天海湾战争后的科威特需要重建家园，孙振纯是我国派出帮助进行油井灭火的总指挥，因而成为当时的新闻人物。这一次，孙振纯却成了几乎行将熄灭的“高性能优质泥浆及完井液的研制”课题的“煽风点火”者，异曲同工，同样功不可没。苏纪兰院士青年时代在台湾和美国度过，他取得美国佛罗里达大西洋大学终身教职后，作为学者于1979年到杭州访问，从此就留在了祖国。他当时的举动堪称“石破天惊”，这次，他对“高性能优质泥浆及完井液研制”全力以赴的支持，再度为他“干一番事业为国效劳”的绚丽人生观添上了浓彩重墨。“专家拍板”，“拍”出了一位跃马横刀的战略科学家的风范，“拍”出了油田钻井史上一段可圈可点的故事，也“拍”出了我们“让科学说话”、“请专家决策”应有的启示和警醒。“高性能优质泥浆及完井液研制”最终选择在大庆油田葡深1井现场应用，中国石油大学（北京）、西南石油学院、江汉石油学院等科研单位和产业部门协同作战，克服种种困难，终于取得了课题研究和实践应用的双丰收。经专家组验收认为，我国自行研制的抗高温油基钻井液，不但比国外公司提供的方案节约钻井液费用165万元人民币，而且具有我国自主知识产权的抗高温油基钻井液和清洁盐水完井液在技术上已具备产业化的条件，所用的各种处理剂均可以工业化生产，抗高温钻井液完井液技术对包括南海莺琼盆地在内的异常高温地区深井钻井具有广阔的应用前景。过去，我国的泥浆及完井液技术要比发达国家落后10年左右，通过“863”该课题的实施，打破国外长期以来的技术垄断，现已与发达国家站在了同一起跑线上。如果说“高性能优质泥浆及完井液”是将“魔鬼”关进宝瓶，不许它放纵肆虐，那么，“高温超压测试技术”则是要按照人们的意愿，安全有序地把“魔鬼”释放出来进行测试。其中包括对管柱（魔鬼释放通道）的安全测试等，而安全监控系统则给钻井人员一双雪亮的眼睛。要点燃地下冒出来的天然气，定量分析出该气田中的天然气成份，计算出该钻井的天然气年开采量，同时推算出该区域内的天然气储量。通过“863”该课题的攻关，我国基本上形成了一套适合莺琼海区的高温超压油气井测试仪表、工具和测试工艺的配套技术，为能够安全顺利地进行高温超压油气井测试提供了理论基础和技术支持。具有我国特色的高温超压井地面数据监测与安全控制系统，采用了智能传感器、现场总线技术等的以太局域网络技术，集数据采集、处理、监测和预测于一体。特别是数据采集系统实现了智能化，能够进行集中管理和监测，比外国分散的设备更简便了操作，具有较大的技术创新。大庆油田葡深1井和东方1111井虽然已经“完井”，但我国高温高压莺琼海区油气田勘探开采的产业化道路还很漫长，远远还没有“完井”。高温超压测试技术，实际上也是在“测试”我国“863”成果工业化应用的显示高度，“测试”我国石油勘探科研人员的科学思想深度。 在“863”这面旗帜下，可爱的科技“天使”正在凌空翱翔 东方1111井在高温高压储层测试出日产10万立方米以上的天然气气藏，进一步证实了莺歌海盆地泥底壁构造中深层具备天然气运聚成藏的基本地质条件，完全消除了人们长期以来对高温高压是否能使天然气成藏的疑虑。 结合崖城2114井、东方1111井这两项工程中发挥的作用，我国确定了莺琼地区高温超压井钻井技术要点，形成了一套钻井程序。 中海石油公司湛江分公司副总经理董伟良对记者说：勘探和开采我国南海西部油气田，国家有需求，我们有愿望，通过该项“863”计划实施，可以解决我们生产中存在的实际问题，建成我国的海上天然气基地。随着改革开放的进程，油气田勘探开采的技术要求越来越高，公司完全依靠自己的力量既不可能也不现实。“863”有很强的号召力，在这面旗帜下，可以团结各方面的力量协同作战。从研究院所的角度看，有高水平的学术价值，从企业的角度看，密切联系生产实践，有巨大的经济效益。我们公司今后的发展目标，是要争取成为综合性的能源公司。我们承担并已完成的这个“863”