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打好中国固井人的“泡沫”硬仗

来源:  发布时间:2022-05-20

——记中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院

泡沫固井技术研究创新团队

卫婷婷

 

 

19世纪打下第一口探井以来,庞大的石油产业链逐渐形成,人类走入石油时代。如今,衣食住行,样样难离石油,从西方到东方,无不为石油合纵连横、明争暗斗,石油已经成为各国博弈的重要筹码、世界经济的命脉。

固井,被称为石油工程的“临门一脚”,是衔接钻井和采油的关键环节。钻井完成后,固井人就登场了。他们向井内下套管,并向套管和井眼的环形空间内注入水泥,形成封隔油、气、水等地层,稳定井壁的水泥环。固井作业直接影响到油气井能否继续钻进、能否顺利生产、油气井寿命以及油气藏的采收率。

这是一项成本高昂、影响因素多、隐蔽性作业,可控难度大,一旦失败就难以补救的石油工艺,其中提高水泥环胶结质量一直是广大固井人追求的目标。近年来,随着油气资源勘探开发逐步转向深层、致密油气藏、非常规及老油田挖潜,勘探开发的对象更加复杂。同时,水平井钻井和分段压裂工艺技术的广泛应用,对油气井固井提出了更高的要求。如何确保水泥环长期密封完整性已经成为实现油气安全高效开发亟待攻克的关键技术难题。

泡沫固井水泥浆技术是以机械发泡或化学发泡方式使气泡均匀分散在水泥浆中的先进固井技术,具有密度低、弹塑性、膨胀性等特点,具有固井防漏、防窜、提高水泥环密封完整性等独特的优势,被称为固井的“万能水泥浆”。然而,由于含有大量可压缩的氮气,泡沫水泥浆在制备、评价、设计、试验、现场施工工艺等方面均有别于常规水泥浆,面临一系列技术挑战。激烈的石油竞争下,掌握核心技术的美国哈里伯顿等国外公司又对亚太地区实行了技术封锁。内外交困中,中国石油人决定自己闯!2009年,为了为满足中国石化油气勘探开发对先进固井技术的迫切需求,中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院组建了泡沫固井技术研究创新团队,在国内率先展开了泡沫水泥浆固井技术研究。

 

十年坚持,打破国外技术垄断

 

2009年,项目开始之初,摆在泡沫固井技术研究创新团队面前的是四大挑战:一是高效耐温泡沫水泥浆助剂及体系研发难度大;二是缺乏高温高压泡沫水泥浆评价手段与方法;三是气液固三相均匀混合难度大,国内现场装备尚属空白;四是泡沫水泥浆固井工艺特殊,缺乏设计软件与评价方法。摸着石头过河,所有人都顶着压力在往前推进。

“我们的第一个项目并不成熟,没成功。”团队负责人丁士东平静语气中流露出克制的歉疚,“做到一半,发现技术路线有问题,在实验室可以实现的结果,在现场实现不了。”气氛低迷,阴霾笼罩,团队三番两次地开会,聚在一起讨论接下来该怎么走。多次研讨论证之后,丁士东果断决定,全部推翻,再找一条路!

第一个4年里尽管绕了许多弯路,但在理论体系、评价方法上,却取得了很好的成果。在此基础上,2013年到2015年的3年时间,团队破釜沉舟,直接在四川省达州市建了一个实验基地,将实验室的设备全部搬到前线基地,整个团队20多人一口井一口井地试,轮流值守,最终通过反复试验,攻破了从实验室到现场的难关。

针对泡沫水泥浆可压缩性,团队在室内设计研制出系列泡沫水泥实验测试仪器,开发出高性能的发泡剂、稳泡剂,形成了低密度泡沫水泥浆体系,可满足低压易漏井防漏与页岩气井大型压裂对水泥环密封的需求。针对当时国内尚未有泡沫水泥浆高压固井设备的局面,团队利用先进的气体混合工艺,设计研制出具有自主知识产权的泡沫水泥浆高压混配系统SCF-I,一举打破了国外石油公司的技术垄断,解决了低压泡沫难以混配均匀的难题。现场与液氮泵车联合作业,在国内首次实现泡沫水泥浆密度实时监控。

2015年教师节,对于泡沫固井技术研究创新团队来说是个难忘的日子。经过为期3周的紧张准备,团队打造的泡沫水泥浆高压混配系统SCF-I成功完成了国内页岩气区块首口泡沫水泥浆固井应用。现场固井质量优良,填补了国内泡沫水泥浆高压固井装备研制与应用空白。由此,团队荣获2016年度中国石化石油工程技术研究院“重要贡献奖”。

此后两年间,为了进一步降低作业成本,实现固井作业一体化,泡沫固井技术研究创新团队利用先进的超低温液氮蒸发自控技术和独特的高压气体多级混合工艺,自主研发出大型固井装备——“液氮泡沫水泥浆固井自动化装备Sinopec Foam System”。Sinopec Foam System不仅占地面积小、蒸发效率高、混泡效果好,还拥有先进的一体化自动控制系统。它实现了泡沫水泥浆固井技术的一体化、小型化、自动化,可满足国内低压易漏井、页岩气井固井的广泛需求。

2018327日,第十八届中国国际石油石化技术装备展览会在北京顺义中国国际展览中心新馆开幕,泡沫固井技术研究创新团队研发的“液氮泡沫水泥浆固井自动化装备”从来自全球65个国家和地区的1800家展商的近万种产品中脱颖而出,被评为第七届“CIPPE展品创新金奖”。作为全球最大石油展的最高奖,CIPPE展品创新金奖素有石油石化装备“奥斯卡”的美誉。此次获奖意味着,泡沫固井技术研究创新团队的技术成果已经走在了世界前列。他们用近十年的拼搏,走完了国外40年的道路。

 

柳暗花明,迎来成果爆发期

 

2018年到2021年,经过十余年的科技攻关,泡沫固井技术研究创新团队逐渐迎来了成果全面爆发期。

在低密高强抗高温弹性泡沫水泥浆体系上,团队基于增溶与置换的界面吸附原理,利用协同复配工艺,发明了高效发泡剂SF-1,发泡时间小于15s,发泡倍数大于25,发泡能力提升了1倍,解决了常规发泡剂发泡效率低的难题。团队基于纳米吸附与增粘稳泡作用机理,利用纳米球磨分散工艺,创新引入纳米二氧化硅乳液,开发了高温稳泡剂SW-1:耐温可达到150℃,突破了国外产品115℃最高耐温的极限。团队创建了低密、高强、弹性抗高温泡沫水泥浆体系,泡沫水泥浆密度范围0.71.6g/cm3,抗温能力达150℃,沉降密度差±0.02g/cm3API失水小于50ml、抗压强度大于14MPa,稠化过渡时间短(≤3min),满足了6500m深井与150℃高温井固井需求。泡沫水泥浆具有可压缩性,持续补偿水泥浆胶凝失重,实现了高压气井压稳防窜技术突破。泡沫水泥石弹性模量26GPa,较常规水泥石降低40%以上,韧性提高30%,为保障大型分段压裂水泥环密封完整性提供了新的技术手段。

在高温高压泡沫水泥浆评价仪器及方法上,团队基于气体喷射与高速搅拌,发明了充氮泡沫水泥浆高压制备仪器;基于高精度位移测量技术,发明了高温(150℃)高压(21MPa)泡沫水泥浆密度测量仪器;基于交变应力载荷,研制了全尺寸高压(70MPa)泡沫水泥环密封完整性评价仪器。基于发明的评价仪器,团队建立了高温高压条件下泡沫水泥浆密度、失水和抗压强度等性能试验方法,弥补了国际标准《API10426-4:泡沫水泥浆常压制备及评价方法》的不足。此外,团队采用核磁共振和纳米CT量化技术,建立了泡沫水泥石微观结构演化及评价方法,动载条件下泡孔结构具有弹性变形,孔径变化量小,残余应变较常规水泥石降低60%,水泥环密封能力显著提高。基于研发的全尺寸井筒模拟实验装置,揭示了模拟大型分段压裂条件下水泥石弹性参数与水泥环密封完整性的关系。常规水泥石在70MPa3次就发生密封失效,泡沫水泥石在70MPa30次交变应力作用下仍能保持密封完整性。

在高效泡沫发生器及注氮泡沫一体化固井装备上,团队发明了气液固三相泡沫发生器及高压混配系统,耐压40MPa、排量0.52.5m3/min、地面最低密度0.20g/cm3,解决了高压、高速条件下泡沫水泥浆均匀混合的关键技术难题。团队研制的翅片-高压盘管式高效率液氮蒸发器和小型液氮快速增压汽化系统,具有蒸发效率高、换热快的优点,额定蒸发能力3680m3/h,额定工作压力40MPa,突破了低温、低压液氮快速转化为常温、高压氮气的关键技术难题。团队开发的泡沫水泥浆固井实时监控系统,实现了液氮排量、蒸发气量、发泡剂和稳泡剂排量在线实时自动化控制,泡沫水泥浆密度控制误差±0.03g/cm3。团队发明的世界首台高压氮气制备、高效混合、自动化控制等一体化注液氮泡沫水泥浆固井装备,解决了泡沫水泥浆现场固井设备协调难度大、成本高和控制精度低等关键技术难题。

在复杂油气井泡沫固井设计方法及现场技术上,团队创建了泡沫水泥浆密度随井深变化模型,创新提出了恒气量、恒密度等泡沫水泥浆固井工艺,开发了泡沫水泥浆固井优化设计软件,实现了泡沫固井施工参数精准设计,填补了国内空白;基于计算流体动力学(CFD)流体气液两相混合模型建立了偏心环空泡沫水泥浆顶替模型,揭示了泡沫水泥浆顶替流动规律,泡沫水泥浆实现类似“活塞式”推进,减少水泥浆指进现象,提高窄边顶替效率;创新形成低压防漏与高压防窜泡沫水泥浆固井工艺技术,解决了页岩气、致密油气与东部老油田漏失、气窜与水窜、水泥环密封失效等重大固井技术难题;创建了泡沫水泥浆固井作业规程等。团队研发了泡沫水泥石声学特征测试装置,建立了泡沫水泥浆全尺寸模拟井群,在国内率先开展了低密度泡沫水泥石声波响应实验,基于兰姆波衰减模型,建立了泡沫水泥浆固井相对声幅修正方法,创建了泡沫水泥浆固井声幅测井第一界面评价标准。

迄今为止,复杂油气井泡沫固井技术创新及工业化应用在耐温性、装备一体化与现场应用指标达到国际领先水平,评价方法为国内外首创。相关成果获得国内外同行高度赞誉。油气钻探与开采专家高德利院士称,该成果打破了国外技术垄断,可谓油气工程技术自主创新的典范。俄罗斯国家教授尼古拉耶夫(Nikolayev)称,中国石化在泡沫水泥浆固井技术方面取得了优异的成绩,在泡沫应用温度与井深方面走到了世界前列。美国石油学会(API)标准主席斯科特·萨维尔(Scott Saville)直言,这是开创性成果,特别是研制的泡沫水泥浆评价仪器和评价方法弥补了国际标准ISO10426-4的不足。

如今,相关成果已经获授权发明专利26件,在泡沫助剂、评价仪器、固井装备、工艺技术等核心领域完成了专利布局。团队主持制定了国家标准2项,认定中石化专有技术2项,出版专著2部,登记软件著作权2项,发表《科学引文索引》(SCI)、《工程索引》(EI)及核心期刊论文20余篇。

 

技术扩散,推动中国固井技术发展

 

当初,泡沫固井技术研究创新团队为了打破垄断而开始研发新的固井技术,如今,站在山巅,团队也面临着两条路:一条路是步国外后尘,继续搞技术垄断,在国内一家独大;一条路是大力推广应用,进行技术扩散,带领同行一起发展。这一回,丁士东带领团队毫不犹豫地选择了后者。“我们投入泡沫水泥浆技术研发的初衷就是为了打破垄断。如今推广泡沫水泥浆技术,一方面是要解决复杂油气井固井重大技术难题,支撑油气高效勘探与效益开发;另一方面是想带动国内同行发展,提升中国固井行业水平,推动中国固井技术走向世界。”

截至202110月,泡沫固井技术研究创新团队在中石化、中石油页岩油气、致密油气藏等推广应用200余口井,最深6455m,最高温度150℃,最低井下密度0.7g/cm3,固井优良率93.5%,解决了固井漏失、气窜、水泥环密封失效等重大技术难题,掀起了泡沫水泥浆固井技术热潮,支撑了复杂油气藏高效勘探开发。

在重庆涪陵与平桥等区页岩气井,通过推广应用泡沫水泥浆固井技术,单井节约承压堵漏作业时间14天,创造了最长水平段3583m的纪录,固井质量优良率93%,环空带压率为零,满足了大型分段压裂需求,支撑了页岩油气勘探开发。在中石化龙凤山气田、鄂尔多斯和中石油苏里格气田等致密油气田,应用泡沫水泥浆固井技术的85口井,固井质量合格率达到100%,单井节约周期14天以上。在胜利油田薄互层,应用泡沫水泥浆固井技术不仅提高了高压水窜小层胶结质量,还实现了多压力系统下2m薄互层的有效封隔,泡沫水泥浆固井技术大大支撑了东部老油田勘探开发。在塔河油田TH121149等稠油井中,泡沫水泥浆固井技术成功应用,泡沫水泥石导热性能较常规水泥石降低80%,井口温度较常规水泥石提高11.4℃,满足了塔河油田稠油经济高效开发的需求。在川渝地区浅表层破碎带漏失掉块卡钻导致无法正常钻进,已有十余口被迫弃井重钻,已成为区域页岩油气勘探开发的“拦路虎”。泡沫固井技术研究创新团队采用泡沫水泥浆固结井壁与封堵缝洞,一次性解决了该井连续40多天由于垮塌、掉块无法钻进的重大技术难题。

如今,泡沫水泥浆固井技术已经成为解决复杂油气井固井技术难题的利器,它的应用提高了固井质量、简化了完井程序、缩短了完井周期,创造直接经济效益超过10亿元,经济效益显著。团队荣获第十八届CIPPE国际石油技术装备展唯一创新金奖的设备核心专利技术已经许可四机赛瓦公司商业化制造,并入选国家《首台(套)重大技术装备推广应用指导目录》,带动了石油石化行业的高附加值技术服务与高端装备制造。目前,泡沫水泥浆技术在国内固井市场占有率为100%,已经成为国内唯一、全球第二家全面掌握该核心技术的单位,其研究成果打破了国外技术垄断,引领了固井技术发展;提升了高端固井技术与装备水平,使我国低密度固井技术走在世界前列。经过权威部门组织的院士、专家鉴定认为该成果居国际领先水平。“复杂油气井泡沫固井技术创新及工业化应用”荣获2021年度中国石油和化学工业联合会技术发明奖一等奖,“一种泡沫水泥浆固井设备及方法”(专利号:ZL201710840995.6)荣获技术发明专利金奖。

 

瞄准目标,在协作与创新中走向未来

 

当被问及“是什么支撑泡沫固井技术研究创新团队走到了今天”这一问题时,团队负责人丁士东总结道:“是好基础、持之以恒的坚持、稳定的团队和创新思维。”

2009年,丁士东组建泡沫固井技术研究创新团队之时,也正是他从中石化勘探院德州石油钻井研究所来到中石化石油工程技术研究院固井完井研究所任职之际。无论是勘探院还是研究院,都是国内相关领域的佼佼者。依托优良的资源和人才队伍基础,泡沫固井技术研究创新团队这支新生队伍在锐意创新中,逐步迎来了自己的发展。其间荆棘遍地,他们依然坚持不懈。并且自2009年组建至今,团队人员基本稳定在20人。

泡沫固井技术研究创新团队是2019年度“中石化集团公司优秀创新团队”,团队负责人丁士东获国家科技进步奖一等奖1项,省部级科技奖励特等奖1项、一等奖7项,出版专著2部,授权发明专利30多件,主持起草国家标准1项、行业标准3项,发表论文70余篇,并于2013年入选“国家百千万人才工程”,获授“国家级突出贡献中青年专家”。泡沫水泥浆技术的成功,让团队中走出了一个又一个固井专家,其中2人获得国家政府特殊津贴,9人获得副高级职称,2人获得“闵恩泽青年科技人才”荣誉。

目前团队成员包括:周仕明、陶谦、肖京男、初永涛、张晋凯、魏浩光、刘建、刘仍光、桑来玉、杨红歧、刘伟、高元、陈雷、曾敏、方春飞、杜晓雨、张林海、吴海燕、吴金平。团队中除了有长期钻研固井技术的人才,还有来自软件设计、助剂研发、固井工艺、测井评价等研究领域的高级工程师或专家。在长期的团结协作、优势互补中,团队逐渐发展为竞争有力的科技创新团队。未来,泡沫固井技术研究创新团队将持续加强技术研发,强化技术应用,全力打造世界领先水平的泡沫水泥浆固井技术体系。

(责编:王芳)


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2022年6月

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