潜心钻研钻井科学问题，创新突破恶性井漏重大难题

——记孙金声院士防漏堵漏攻关团队

本文摘要：（由ai生成）

孙金声院士领导的防漏堵漏团队，针对油气钻探中的井漏问题，通过创新研发，攻克了关键技术难题。团队成功开发了智能堵漏材料和专家系统，提高了预测和诊断准确性。相关技术和材料已获多项专利，并在多个油气区块验证有效，显著提高了堵漏成功率。团队将继续技术创新，推动数字化和智能化升级，致力于彻底解决恶性井漏问题，保障国家能源安全。

油气安全是我国能源安全的重要组成部分,是国家经济高质量发展的重要保障。我国石油和天然气对外依存度居高不下,2021年石油和天然气对外依存度分别高达72.0%和44.4%,远超国际公认50%的安全警戒线,严重危及国家能源安全,亟需提升油气勘探开发力度,把能源的饭碗端在自己手上。钻井是建立地面与油气藏连通通道的唯一途径,是油气勘探开发的核心工程。但钻井过程中井漏导致的井下复杂严重制约钻井速度,影响勘探开发进程,损害油气储层,降低油气产量,造成巨大的经济损失,威胁人身安全与财产安全。如四川罗家2井恶性井漏漏失13000m3钻井液并与邻井发生窜流,引起特大井喷事故;中亚明格布拉克油田明5井恶性井漏诱发井喷着火事故,烧毁整个钻井平台。当前,全球钻井井漏发生率约占钻井总数的20%～25%,每年用于堵漏的费用高达40亿美元;国内仅中石油每年钻井井漏损失时间达3300天以上,占钻井复杂与事故总损失时间70%以上,每年损失钻井液三十余万方,直接经济损失超60亿元,全国每年漏失直接损失超120亿,间接造成的固井质量下降、产量降低和影响井的全生命周期等损失不可估量。恶性井漏已成为深井与非常规油气水平井钻探的重大“卡脖子”难题和首要难题。

一、众志成城,聚焦恶性井漏防治重大难题

井漏的预防和治理主要由三大技术构成:一是漏层特征科学预测及诊断技术,预测诊断漏层位置和孔缝尺寸等漏层特征,是井漏科学防治的前提;二是防漏堵漏技术评价方法,科学评价防漏堵漏技术在不同漏层特征下的适用性与防漏堵漏效果;三是针对不同漏失类型的防漏堵漏单项技术系列,包括随钻防漏材料、桥接承压堵漏材料、可固化堵漏材料、膨胀管及配套工艺技术等,是井漏防治的主体。

国内外各大石油公司及研究机构从20世纪中期开始开展钻井防漏堵漏技术研究,在漏失机理、桥接堵漏评价方法、防漏堵漏材料、防漏堵漏配套工具和软件等方面均取得了不同程度的进展,基本解决了孔隙性地层及微小天然裂缝性地层井漏问题。国外防漏堵漏技术相比我国更加完善,在井漏特征诊断软件、高分子可控固化堵漏材料、油基钻井液及储层段专用防漏堵漏材料、膨胀管及配套技术方面具有领先优势,但相关产品及软件价格昂贵,并对我国技术封锁。而在诱导性裂缝、天然大缝洞和长裸眼段多压力系统等复杂地层,恶性井漏频发,一直未得到很好的解决,没有成熟可靠的技术、方法可以借鉴,一次堵漏成功率不足30%。近年来,国外主要通过改变井身结构、增加套管层次规避井漏风险;但国内油田因为资源禀赋较差,单井产量低,为实现经济有效开发,必须简化套管层次,常常同一裸眼井段需要穿越多套压力地层,恶性井漏风险较国外更为严重,解决这一难题已刻不容缓。

针对恶性井漏防治这一世界级钻井工程技术难题和国外的技术封锁,中国工程院院士、中国石油集团关键核心技术总师、油气钻完井技术国家工程研究中心主任、中国石油工程技术研究院总工程师孙金声教授依托国家、中国石油天然气集团公司重大科技项目,联合油气田企业、钻探公司、中国石油大学(华东)、中国石油大学(北京)、西南石油大学等单位,组建了工程技术研究院牵头的“产-学-研-用”创新团队,潜心开展恶性井漏防治关键核心技术攻关研究。团队研究成员共计162名,其中中国工程院院士1名,教授及教授级高工10名,高级工程师75名,高级技师4名,青年硕博士科研骨干56名,是一支以中青年骨干为主的朝气蓬勃的人才队伍,充分保障了实验研究、产品研发、工厂生产和现场应用环节的人才需求。

孙金声院士在办公室

孙金声院士和中石油工程技术研究院的攻关团队骨干

二、抽丝剥茧,科学设计核心技术攻关路线

“恶性井漏防治关键核心技术攻关没有捷径,必须原始创新,唯有创新基础理论,攻克技术难题背后的科学问题,建立符合井下工况的评价方法,开发出高质量的产品,研发出针对不同漏失地层特性的专有技术,方能解决油气钻探重大技术难题,我们要把论文写在祖国油气勘探开发的主战场上。”这是孙金声院士对攻关团队提出的第一条要求。从大雪纷飞的准噶尔盆地钻井平台到坑洼泥泞的川渝页岩气前线,从寒风凛冽的大庆古龙页岩油区块到荒无人烟的塔克拉玛干沙漠,孙金声院士带领攻关团队走遍了我国主要油气产区重大工程一线,分析每一个区块引起井漏的主要原因和井漏防治难题。

孙金声院士带领攻关团队冒着风雪在新疆南缘钻井现场调研

经过近一年的调研分析,孙金声院士指导攻关团队分析总结出了恶性井漏防治技术存在的“裂缝性地层漏层特征判断不准,防漏堵漏技术可复 制性差”,“复杂裂缝性地层漏失及防漏堵漏机理不清”,“裂缝性地层防漏堵漏材料承压性能和安全性不足,储层段用及油基钻井液用防漏堵漏材料缺乏”,“防漏堵漏评价方法难以真实模拟裂缝性地层漏失工况”等4项共性关键技术难题,涉及到机理、材料、软件、工具、工艺等多个方面。进一步分析凝练了技术难题背后的“裂缝性地层动态裂缝宽度反演模型”、“堵漏材料裂缝运移堆积规律及封堵层剪切失效机制”、“井漏损害储层机制及防漏堵漏材料保护储层机理”、“防漏堵漏工艺数字化决策方法”等4大科学问题,为核心技术攻关指明了方向。

攻关团队在孙金声院士带领下,以技术难题和科学问题为指引,聚焦非常规及深层超深层油气勘探开发恶性井漏防治需求,系统性开展了钻井漏失预测与漏失特征诊断技术,中尺度诱导裂缝高承压堵漏技术,大裂缝可控交联固化堵漏技术,膨胀管裸眼封隔堵漏技术,储层段可控解堵防漏堵漏技术等5项技术系列研究,统筹推进恶性井漏防治关键核心技术攻关和国产化替代。

三、快速突破,关键堵漏技术打破国外封锁

三年多以来,攻关团队披星戴月,风雨兼程,克服新冠肺炎疫情影响,用切实的行动彰显了新时代石油人肯干实干、开拓创新的精神风采。

研究院、高校、油田及钻探企业的研发人员夙兴夜寐,刻苦钻研,从底层原理探索、数学建模、材料合成、配方优化入手,开展了近万组合成与评价实验,绘制了上千份仪器和工具图纸,整理了超75万条防漏堵漏数据,创新研制了智能温压响应型承压堵漏材料、储层用可酸溶凝胶堵漏材料,可控交联凝胶堵漏材料,高强度膨胀管、防漏堵漏专家系统等一批材料、工具及软件,支撑构建了5项恶性井漏防治技术系列,摆脱了国外对我国高端恶性井漏堵漏材料、工具及软件的封锁。截止2022年8月,相关技术共计申请专利50余件(其中国际专利6件),登记软件著作权10项,发表论文100余篇。Elsevier SCIVal 科研分析平台统计表明,近三年,团队在 drilling fluid loss (钻井液漏失) 和 lost circulation control(堵漏) 领域的学术论文影响力位居全球首位。

孙金声院士在防漏堵漏实验室指导实验研究

实践是检验真理的唯一标准,防漏堵漏新技术适用先进与否离不开钻井现场试验。团队成员脱下了白大褂,穿上红工衣,为新技术的现场试验奋战在川渝页岩气、塔里木库车山前、新疆准噶尔盆地等钻井一线。为了加快现场试验进度,降低新冠疫情隔离和健康监测的风险,他们主动放弃了常规的轮休制度,连续三四个月的驻井工作成为了常态。为了保证现场试验效果,他们不分昼夜讨论施工方案,仔细校正每一个施工细节。在油田公司、钻探企业、研究院及高校各方的精诚合作下,5项恶性井漏防治技术在我国主要油气产区共计完成现场试验480余井次,试验井恶性井漏平均一次堵漏成功率由不足30%提升至近80%,达到国际领先水平,累计减少水基钻井液漏失量5万余方、油基钻井液漏失量1万余方、井漏损失时间近1000天,安全风险大幅降低,经济效益非常显著,推广应用前景广阔。

井漏特征科学预测和判断是防漏堵漏工艺技术成功应用的前提,需要专业的防漏堵漏软件支撑,国内尚无成熟可靠的相关软件,只能依赖于国外进口,已成为受制于人的软肋。攻关团队充分调研分析了国内外相关学术论文和商业软件,提出了深度结合人工智能技术和地震地质工程一体化的软件研发思路,以塔里木库车山前深层油气区块为试点,建立了涵盖地震、测井、录井、钻井、防漏堵漏材料的井漏大数据库,开发了具备井漏智能预测预警、裂缝宽度诊断及防漏堵漏配方推荐三大核心功能的防漏堵漏智能专家系统FracSeal,构建了钻井漏失预测与漏失特征诊断技术。目前,该技术已在库车山前区块开展了100余井次验证,井漏层位预测准确率达90%,裂缝性漏层裂缝宽度诊断符合率达85%,可根据裂缝宽度科学推荐防漏堵漏配方,而国外专业防漏堵漏软件在同区块井漏预测及裂缝宽度诊断准确率不足75%。FracSeal防漏堵漏专家系统模块化程度高,在不同油气产区复 制和推广操作简便,打破了我国防漏堵漏专业软件匮乏且长期依赖进口的困局,实现了弯道超车,有效支撑了我国防漏堵漏数字化转型发展。

攻关团队自主研制的井漏预测预警及防漏堵漏专家系统

我国深层致密油气储层主要为碳酸盐岩,孔-缝-洞储集空间分布复杂、非均质性极强,在钻开储层的过程中恶性井漏频发,严重影响油气产量。攻关团队开创性地引入核磁共振等新型可视化技术,明确了漏失损害机理并针对性地建立了动态暂堵方案,研发了降解率大于85%的酸溶型暂堵剂,形成了储层段可控解堵防漏堵漏技术,为碳酸盐岩储层井漏治理找到了良方,在川中高石梯-磨溪地区深层致密气区块成功应用20余井次,与同区块非试验井相比,单井测试产量提高50%以上。

孙金声院士在钻井平台分析储层段可控解堵防漏堵漏技术应用效果

破碎和薄弱地层的裂缝漏失通道随着井底压力动态张开和闭合,堵漏难度大,承压困难,易复漏,国内外均未有很好的技术应对。攻关团队创新性提出了环境响应型智能材料的研发思路,结合防漏堵漏施工工艺,研制了智能温压响应型承压堵漏材料系列,具有泵送过程为惰性颗粒、漏层挤压和高温下可控熔融胶结的特点,满足低温(50-80℃)、中温(80-150℃)、高温(150-200℃)和超高温(200℃以上)的井下温度,适应水基钻井液及油基钻井液的流体环境,正/反向承压能力大于15MPa,并以该材料为核心建立了中尺度诱导裂缝高承压堵漏技术,相关承压和抗温指标达到国际领先水平。2022年6月,冀东油田南堡区块2-62井在3700m钻遇破碎火成岩地层发生恶性井漏,常规堵漏施工10余次,多次反复复漏,随后攻关团队与油田公司及钻探企业紧密配合,首次使用该技术进行全井段承压堵漏,下钻到底恢复正常钻进,堵漏一次成功,未复漏。钻至4537m时,钻遇新的薄弱层,发生钻井液失返性恶性井漏,再次使用此技术承压堵漏,停泵1h套管压降仅为0.1MPa,下钻到底恢复正常钻进,堵漏再次一次成功,有效解决了破碎性地层承压堵漏难、复漏风险高的技术瓶颈。

中尺度诱导裂缝高承压堵漏技术在冀东油田南堡区块2-62井现场试验

大缝洞恶性井漏主要采用交联凝胶和固化类堵漏材料,国内外相关产品抗温均不足160℃,高温下交联和固化性能不可控。攻关团队从核心机理着手,揭示了漏层中堵漏材料动态运移、空间展布与全充填堵漏机理,首创了大裂缝可控交联固化堵漏技术,抗温性能达到180℃以上,承压大于14MPa,突破了当前凝胶和固化堵漏材料的使用温度瓶颈。目前,该技术已在顺北、台盆、延长、鄂东等油气产区成功应用30余井次,平均一次堵漏成功率75%以上,有效支撑了深层高温油气安全高效钻井。

攻关团队在钻井平台检验大裂缝可控交联固化堵漏技术试验效果

膨胀管裸眼封隔堵漏技术主要用于解决溶洞、断层及纵向裂缝等地层发生的恶性井漏。在化学堵漏材料多次应用失败后,此技术是恶性井漏治理最后可依赖的技术手段,一直以来受到国外技术封锁。攻关团队突破国外专利壁垒,自主研制了系列化的高强度膨胀管材料及配套工具,形成了标准化、规范化的膨胀管施工工艺,建立了膨胀管裸眼封隔堵漏技术。宁209H33-3井是长宁页岩气区块一口水平井,韩家店和石牛栏地层裂缝、孔洞发育,地层承压能力不足,且井眼尺寸大、漏失段长,钻井过程中多次发生失返性恶性井漏,堵漏面临巨大挑战。2021年12月7日凌晨,攻关团队在该井1296.18～2000m裸眼井段完成了756米φ194mm膨胀管裸眼封堵作业,创造了我国单次膨胀管裸眼施工最长纪录,也创造了当年世界膨胀管裸眼施工长度最好成绩,有效解决了长裸眼段条件下恶性井漏难题。目前,攻关团队已连续完成7口井膨胀管裸眼封堵作业,其中5口井封堵作业长度超过650m,创造最高应用钻井液密度2.05g/cm3、最大应用管径Ф299mm等多项国内应用记录,标志着攻关团队自主研制的膨胀管裸眼封隔堵漏技术已日趋成熟并跻身世界先进行列。

膨胀管裸眼封隔堵漏技术在宁209H33-3井成功应用

三年来,攻关团队将5项恶性井漏防治技术系列成功应用于钻井现场,实现了我国恶性井漏防治技术由“经验治漏”到“科学治漏”的重大跨越。

四、久久为功,确保彻底解决百年钻井难题

路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。钻井漏失问题伴随着油气钻井工业一百余年的发展,困扰着一代又一代的石油人,从根本上解决恶性井漏难题是攻关团队每一位成员的初心和使命。当前,恶性井漏防治技术在攻关团队的齐心协作下,各项研究取得了重大进展,多项关键技术实现了从0到1的突破。

翻开十四五的新篇章,全球油气行业正处在数字化转型发展关键时期,万米陆上油气、深层页岩油气和深水油气高效勘探开发对恶性井漏防治技术又提出了新需求,攻关团队再次扬帆起航,踏上恶性井漏防治技术完善定型和创新升级的新征程,数字化井漏防治大平台、智能防漏堵漏新材料、耐高温井下防漏堵漏配套工具等全新的挑战正等待着这支创新之军去攻克。在孙金声院士的带领下,攻关团队将继续坚持科学问题导向、现场需求导向,牢记“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的”,以原始创新为驱动力,守正笃实,绵绵用力,不断完善产品和技术,全面实现国产化,抢占恶性井漏防治关键核心技术创新高地,引领防漏堵漏技术数字化、智能化升级发展,用扎实可靠的技术解决恶性井漏防治难题,支撑我国油气高效勘探开发,保障国家能源安全。