倪海龙

　　
　　
　　科学技术作为第一生产力，已成为当代经济发展的决定因素，并受到世界各国的广泛重视。一个国家的科技水平和公民的科技素养直接关系民族的强盛和社会的进步。2018年度国家科学技术奖励大会已于2019年新年伊始在北京人民大会堂隆重举行。这一年一度的科技盛宴，再次向国人、向世界展示了中国科学界的实力和水平，彰显出了国家和民族的创新能力和自信风采。中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院院长路保平正是本届大会获奖科学家中的一位。此次，他作为第一完成人的“高酸性活跃厚沥青层复杂碳酸盐岩油田钻完井技术及应用”项目，从众多出色的科研项目中脱颖而出，最终荣获国家科学技术进步奖二等奖。这份荣誉是对他和团队成员多年以来不懈付出的肯定，更是大家同心协力用执着、用智慧、用汗水浇灌出的科研成果。从国家领导人手中接过获奖证书的那一刻，路保平感慨万千……
　　
树立合作典范 赢得多方赞誉
　　2004年，中国石化集团与某国签订了油田开发建设项目合作备忘录。2007年年底，双方正式签署了开发碳酸盐岩油田的合作协议。2008年年初，“高酸性活跃厚沥青层复杂碳酸盐岩油田钻完井技术及应用”项目正式拉开了帷幕。
　　众所周知，“一带一路”沿线分布多个大型碳酸盐岩油气田，是我国能源合作的重点领域，涉及国家能源安全战略。该项目涉及的油田是中国石化在海外首个自主设计、开发建设的千万吨级整装新油田，已探明石油储量约32亿桶，天然气储量约800亿立方米。预计每日的石油产量可达到30万桶。但该油田属于典型的高酸性复杂碳酸盐岩油藏，地质条件复杂，碳酸盐岩厚度达3000米，活跃沥青层厚度约130米，地层多腐蚀介质并存（H2S 0.67%，CO2 6.34%，地层水矿化度90000ppm），这就为其钻完井施工带来了诸多难题与挑战。
　　路保平和团队成员们，克服了生活饮食等诸多的不便，直面挑战迎难而上。通过产学研相结合的多学科联合攻关，最终在碳酸盐岩地层孔隙压力预测、活跃厚沥青层安全钻井等方面取得重大突破，形成了高酸性活跃厚沥青层复杂碳酸盐岩油田钻完井技术体系，保障了油田一期年产500万吨大型油田在合同周期内高水平、高速度、高质量的建成与投产。
　　与此同时，该项目的成功也促进了“一带一路”倡议的实施，为保障国家能源安全战略做出了突出贡献。尤其是“自主设计、自主开发、自主建设”的油田开发模式，更为国内石油工程服务板块集群走向海外、一体化协同作战起到了示范作用。油田一期高质量如期建成已成为“一带一路”沿线国家大型能源项目成功合作的典范，并得到了合作方的高度肯定。
　　此外，该项目中取得的一系列创新技术成果，更是赢得了国内专业人士的高度赞誉，这让路保平和团队成员颇感自豪。以苏义脑院士为主任、李根生院士为副主任的鉴定委员会对相关成果鉴定后表示：“针对油田高酸性、活跃厚沥青层、高温高压复杂碳酸盐岩地层钻完井难题，经过十年攻关，该项目创新形成了以碳酸盐岩孔隙压力预测、活跃沥青层安全钻井、高效钻头研制、高酸性环境井筒完整性、孔隙型碳酸盐岩储层长井段均匀改造为核心的钻完井井筒关键技术，全面支撑了油田的高效开发”“其中基于流体声速的碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法、‘三剂一具’沥青侵入控制技术为国际领先”。
　　这些具有国际领先水平的技术成果，是路保平及其团队累累硕果的集中体现。项目成果获授权发明专利15件，发表论文55篇，出版专著2部，获软件著作权2项。其中，“大型油田复杂地质条件钻完井关键技术及工业化应用”荣获中国石油化工集团公司2016年度科学技术进步奖一等奖，“中东富油气区复杂地层井筒关键技术及工业化应用”荣获中国石油和化学工业联合会2015年度科学技术进步奖一等奖。
　　
敢于直面挑战 用“新”成就科研
　　“不经一番寒彻骨，怎得梅花扑鼻香”，压力往往也是最好的动力。纵观古今，正是由于困境与难题的存在，才激发出人类更大的潜能，催生出新思路、新技术。该油田复杂的地质条件，决定了想要实现其顺利开发和长效生产，就必须因地制宜地研制出新理论、新技术、新工具。
　　毋庸置疑，地层孔隙压力是钻井工程设计和施工需要依据的重要参数，准确预测地层孔隙压力是确保钻井井控安全、确定合理钻井液密度、设计井身结构和保证井壁稳定的基础。而碳酸盐岩地层具有非均质性强、孔洞及裂缝发育等特点，这就使传统孔隙压力的求取方法不再适用。
　　为此，路保平他们创新建立了基于流体声速的碳酸盐岩孔隙压力预测方法。他们基于弹性力学、流体力学理论与实验研究，发现了流体声速-弹性模量-流体压力间的响应特征，揭示了流体声速随流体压力的变化规律，提出了流体声速可以反映地层孔隙压力的新认识，奠定了碳酸盐岩地层孔隙压力预测的理论基础，为应用地球物理声波速度预测碳酸盐岩地层孔隙压力指明了方向。正是在新理论的指导下，路保平他们最终建立了地层孔隙压力与流体声速响应模型，形成了碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法，并开发了计算软件，在实际应用中取得了良好的效果。该方法在碳酸盐岩地层孔隙压力的预测精度达95%，而常规方法预测精度只有63%，这使得井身结构得以进一步优化，套管层次减少一层，累计节约套管25300米。
　　与此同时，该油田还存在活跃厚沥青层沥青侵入严重、溢漏并存的问题，这就导致常规提高密度压井无法控制侵入，使得钻井及井控风险增大，从而给钻井施工带来严重影响。路保平他们针对这一难题集思广益，最终攻克了控制沥青侵入的世界级难题，创新形成了活跃厚沥青层安全钻井技术。
　　他们首先构建了可视化井筒-地层耦合流动实验室，以3D技术打印真实的裂缝空间形态，可视化模拟了井筒-有限圈闭沥青层之间的流体耦合流动特征，揭示了沥青侵入机理为钻井液与沥青密度差所致的重力置换，创建了“沥青侵入量与沥青层厚度、通道尺度、钻井液-沥青密度差正相关”的数学模型。此外，他们提出了降低工作液与沥青的密度差、封堵置换通道，不依靠提高密度压井的“以堵代压”控制沥青侵入思路，拓展了井控理论；创新建立了封堵井筒-沥青层通道控制沥青侵入的新方法；研发了氧化固化剂、自交联固化剂、降粘附剂和随钻封隔工具，即“三剂一具”这一关键技术载体，从而可实现安全弃井。在此基础上，路保平他们还研发出“化学封堵+物理阻隔+控压钻井”活跃厚沥青层安全钻井新工艺，实现了复杂沥青层安全高效钻井，并取得复杂时效降低81%，成井率100%的优异成果。
　　显而易见，H2S和CO2在有水条件会导致完井管柱全面腐蚀和局部腐蚀。当系统中同时含有这两种腐蚀气体时，腐蚀情况将会更加复杂。而管材的腐蚀会增加管材的投入成本，严重时还会影响油气井正常生产，从而给石油开采带来巨大的经济损失。
　　针对油田多腐蚀介质并存的特点，路保平他们揭示了H2S、CO2及高矿化度地层水共存条件下的水泥石“扩散-溶蚀-膨胀”腐蚀机理，指出酸性气体扩散到水泥石中，会溶蚀水泥石中的氢氧化钙及水化硅酸钙，进而降低水泥石强度，反应生成硫酸钙和碳酸钙等产物，引起水泥石膨胀并发生破坏。他们还提出了增加水泥石密实度降低扩散、减少易溶蚀成分等防止水泥石腐蚀的技术思路。此外他们还发明了耐H2S、CO2共同腐蚀的水泥石防腐剂；基于颗粒级配理论，建立了以防腐剂和胶乳为主剂的防腐型胶乳弹性水泥浆体系，实现了高酸性环境下水泥环长久稳定密封。该技术可使水泥石年腐蚀速率小于1.5毫米，固井质量合格率为100%。在此基础上，路保平他们进一步研发了完井管柱物理、化学双重防腐和一体化流动保障技术，自应用以来至今未发生井口带压等问题。这一技术成果也得到了业内人士的肯定，2010年国家科技重大专项课题专家组对“中东富油气区钻井、完井工艺技术研究”曾留下这样的评语：“开展的H2S和CO2联合腐蚀条件下的水泥石腐蚀试验，取得了腐蚀规律，在此基础上优选了防腐剂。形成了高温高压高含硫地层提高固井质量的综合技术措施和现场固井工艺技术。”“提出了酸性环境下的防腐材料优选，形成了一套高含硫地层的安全钻井技术”。
　　俗话说“工欲善其事，必先利其器”，一个合适的工具往往能够大幅度地提高工作效率，乃至促进一个行业的发展。例如，在我国古代，人们通常是用斧头砍伐木材，效率极低。而当鲁班在丝茅草的启发下发明锯子之后，工匠们的劳动效率得以成倍提高。并且随着一系列木工工具的发明，中国土木工艺也出现了崭新的面貌。
　　面对以碳酸盐岩为主、且含有不等泥页岩的储层岩性时，如何提高钻井效率，缩短钻井周期就成为摆在路保平他们面前的一道难题。针对强研磨性硬地层机械钻速低、钻头寿命短的难题，他们不懈思考，潜心攻关，基于犁切高效破岩机理，最终发明了锥形PDC齿，并成功研发了锥形PDC齿+柱状PDC齿、锥形PDC齿+孕镶金刚石两种新型复合钻头，使机械钻速提高了45.5%。此外，他们还形成了高渗透孔隙型碳酸盐岩地层长裸眼防压差卡钻技术，并取得了令人满意的效果。成果已在该油田的50多口井中得到推广应用，截至目前均未发生压差卡钻，防卡率达100%。
　　该油田存在碳酸盐岩储层温度高、酸岩反应速度快的特点，而这也导致了长井段均匀改造难度大，增产效果差。针对这一现状，路保平他们基于溶蚀实验和流动实验结果，揭示了孔隙型碳酸盐岩储层缓速酸蚓孔形成机理，建立了径向条件下多因素影响的蚓孔形成与扩展模型，实现70厘米深度酸化，突破了30厘米蚓孔长度极限。与此同时，他们基于疏水缔合提高聚合物溶液粘黏度的技术原理，利用接枝共聚缔合单体的合成方法，发明了耐温耐酸疏水缔合稠化剂，研发了泡沫稠化缓速酸体系，实现耐温140℃，黏度30mPa.s以上，缓速性能比常规酸提升40倍。该技术成果在国际范围上来讲也是一次成功创新。
　　此外，为了进一步提高单井产量，他们基于三分之一架桥理论和优势通道控制方法，创建了循环暂堵转向设计模型，形成了连续油管定点布酸、暂堵剂逐级分流及循环暂堵转向三位一体的均匀酸化工艺，最终实现了900米井段均匀有效改造，取得平均单井增产5.5倍的可喜成果。
　　
继往开来 任重道远
　　“万丈高楼平地起”，今日的满满收获正是昨日经年累月的付出。从“高酸性活跃厚沥青层复杂碳酸盐岩油田钻完井技术及应用”项目的开始，到2014年年底项目顺利完成，直到国家科学技术进步奖的获得，这期间的艰辛磨难数不胜数。7年的时间里，有过无数个不眠不休的夜晚，有过数不清的计算推理，更有过反复多次的建模实验。寒来暑往中，远在海外的路保平及其他科研工作者们正是抱着不畏困难、不惧失败的决心，用自己的青春和汗水，用智慧与执着，谱写出一曲海外石油开采的赞歌。
　　“高酸性活跃厚沥青层复杂碳酸盐岩油田钻完井技术及应用”项目所取得的优异成果，也令每一位曾亲身参与其中的科研工作者感到欣慰与自豪。该成果在油田建设中得到了全面应用，实现平均钻井周期缩短44.5%、非生产时间降低31.7%、50余口井钻完井成本节约1.08亿美元。特别是沥青层安全钻井工程技术的突破，使地质储量增加了12亿吨。与此同时，该成果已在油田二期工程方案设计中应用，并在我国新疆塔里木盆地、四川盆地和鄂尔多斯盆地推广应用148井次。
　　由此可见，该项目的成果不仅是钻完井技术理论创新、技术创新的典范，更为我国复杂碳酸盐岩油田勘探开发提供了可复制、可推广的钻完井关键技术，促进了石油工程学科的发展与技术进步。可以说是在我国油田勘探开发史上留下了浓墨重彩的一笔。但同时它也确实存在着一定的技术局限性，这将是路保平及其他团队成员未来科研进一步突破的方向之一。譬如，基于流体声速的地层孔隙压力预测方法虽然有效提高了预测精度，但在利用小波理论对地球物理声波速度进行骨架速度和流体速度分离时，其应用软件操作的便利性还有待提高。而其研发的沥青降粘附剂，虽然能够有效去除侵入井筒内的沥青，但现场施工加入沥青降粘附剂时还存在发泡现象，也亟待完善。
　　随着我国石油消费和对外依存度的快速增长，石油安全问题将越来越凸显其重要的战略地位。而石油工程是发现油气、探明储量、提高油气及采收率的关键环节和有效手段，因此，分析解决关键工程技术难题，形成配套的解决方案和技术对策，就是支撑海外油气勘探开发的重要前提条件和技术基础。中国石化自2003年实施“走出去”发展战略以来，通过油气勘探开发等途径不断开拓海外市场，取得了令人瞩目的油气勘探开发成果，已基本形成了海外油气业务发展布局。该科研项目所取得的成果和奖励，将激励路保平他们继续攻克不断出现的技术难题，研发出更多先进实用、性能可靠的高新技术产品，从而进一步推动我国海外油气资源勘查开发进程。