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李兆敏:在为国“加油”的路上永不止步

来源:  发布时间:2022-06-27

蔡巧玉 吕腾波

 

 

石油、天然气资源是人类生存和文明发展的重要物质基础,也是长久以来国际间竞争愈发激烈的领域,日益成为保障一个国家强盛发展的“底气”。但同时,油气藏开发业务的特性决定了这是一项逆水行舟的艰巨事业。作为保障国家能源安全的主力军,中国石油人和科研工作者必须有破冰前行、不断创新、挑战极限的信念与斗志。

一代人有一代人的“长征”,一代人有一代人的担当。出生于20世纪60年代的中国石油大学(华东)教授李兆敏骨子里便深深铭刻着那一个时代特有的“艰苦奋斗、以身许国”的使命感和责任感。自从在中国石油大学读博士期间遇到恩师——我国著名的油气井工程技术专家、教育家、水力喷射钻井方面的开创者沈忠厚院士之后,沈院士将他带入了石油与天然气工程技术的大门,从此全身心地扎根于泡沫流体油气增产技术、特超稠油油藏高效开发、超临界二氧化碳提高采收率等理论和技术领域的教学与科研工作之中,坚定地成为在“为国家加油,为民族争气”这条道路上砥砺前行的实践者和奉献者。

20余年的科研时光,30余项国家级和省部级重大科研课题,8000多个奋斗的日日夜夜,12000口井次的工程应用记录,这一连串数字是李兆敏科教路上闪亮的勋章。“在李教授20年持续不断的指导下,我们的氮气泡沫产业从年收入300多万元发展到如今的数十亿元,已经成为在氮气行业领域里全球最大的系统供应服务商之一。”长期的合作伙伴,山东科瑞油田服务集团有限公司副总经理安同武感叹道,“这些成绩绝对离不开李教授团队的科技支撑。这么多年来,在我们的产学研合作过程中,他把精力全放在了机理研究和技术突破上,从没考虑过自己个人的利益得失。在他身上,我看到了中国当代科学家为国为民的一种担当与风骨。”

 

小泡沫 大作为

——科技创新是生产力,也是助推器,是竞争力的核心要素。

 

油气资源作为一个国家发展的命脉,在激烈的国际竞争中,因核心技术欠缺而被制约甚至扼住发展命脉的例子并不罕见。目前我国石油对外依存度超过70%,一批主力老油田已进入开发中后期,含水达90%以上,年自然递减率超过10%。普遍存在着地层压力下降、储层污染堵塞、非均质程度加剧、开采成本不断攀升等问题,导致油水井低产低效、关停甚至报废,严重影响了油田正常生产和国家油气安全,亟须寻找到高效、绿色、低成本的油田开采技术,实现油田有效动用和高效开发。

许多人误以为油田之下有“地下油海”或“地下油河”,其实,油气就像水浸透在海绵里一样,浸透在石头里。地下的石头中,有各种各样的裂缝和大大小小的孔洞,石油就藏在这些裂缝和孔洞及岩石孔隙中。但在长时间的生产过程当中,老油田的开发往往会伴随出砂的情况,油井周围就存在“砂堵”现象,甚至沉积在井底,存在砂埋油层,这样油就流不出来了。李兆敏介绍,这时候往往有两种方法:一种是用精巧的机械工具把砂子一点点地捞出来,但是成本高,并且操作烦琐;另一种方法是用水冲,但由于水的携砂能力较弱,有的时候冲也冲不出来。

在为油田解决实际困难的过程中,李兆敏发现了泡沫具有的密度低且可控、携砂能力强、“堵大不堵小、堵水不堵油”等特性。他琢磨,泡沫的这些性质是一种典型的智能的流体特性,适用面非常之广,在油气增产、提高采收率等过程中都拥有巨大的应用潜力。

泡沫增产技术实施的一个关键前提是安全性。“安全必须放在第一位。如果泡沫中含氧量过高,就会存在爆炸的隐患。这是必须杜绝的。”李兆敏回忆起20年前自己对第一口井进行技术攻关时的紧张情景,“当时就是怕出现爆炸,整个过程真是提心吊胆,直到最后安全地把砂冲了出来,我的心才算落了地。”后来,为了保障工程的安全性,李兆敏经过不断调研,确定采用空气中大量存在且容易分离的氮气代替空气形成泡沫,氮气作为一种惰性气体,大大提升了油气田增产开发的安全性。

沿着这一方向,经过十余年攻关,李兆敏带领团队发明了“氮气泡沫增产关键技术与专用设备”,解决了井筒和地层泡沫流动计算与精确控制、高压氮气泡沫发生及持续注入、苛刻油藏条件下泡沫长效稳定等世界性难题,这一成果获得了山东省技术发明奖一等奖。

在这一项目艰苦卓绝的攻关过程中,李兆敏团队先后发明了泡沫圆管流变及携砂测试系统;创建了可压缩、非牛顿、多相泡沫井筒压力精确计算及智能控制方法;发明了泡沫渗流和压锥堵水模拟装置,以及组合式高压氮气提纯设备及泡沫发生器,创新研制了超高压膜分离氮气注入设备;研制出四大系列32种型号氮气泡沫专用设备,能解决俄罗斯北极圈极寒(-60℃)与中东沙漠高温(55℃)等极端环境应用的难题;发明纳米粒子稳定的复合泡沫体系,利用纳米粒子在液膜上形成的“铠甲”效应,提高泡沫稳定性10倍以上;在泡沫低密度、可压缩、选择性好、携砂能力强等特性的基础上,发明出泡沫连续冲砂、负压混排解堵及置换防砂、泡沫酸洗、泡沫控水等6项增产工艺技术,实现了复杂结构井无污染井筒清理、近井地带长效解堵、地层剖面自适应调控。

李兆敏常说:“我这一辈子都在围绕着泡沫转。”话虽有几分玩笑意味,却也恰如其分,正是他的人生写照。这些年来,李兆敏一直在为自己的“泡沫”项目技术及成果转化在国内外尽心尽力地宣传推广。在他看来,这是一个领跑世界的技术领域,他想为之深深刻上“中国创造”的烙印。这一成果不仅在国内的胜利、渤海、塔里木等19个油田成功应用,并拓展到页岩气、煤层气、地热开发领域,技术与设备还出口应用至美国、俄罗斯等12个国家,现场累计应用12000余井次,在“一带一路”能源合作中起到了示范引领作用,使得国内外同行一提起泡沫技术和装备,第一反应想到的就是中国石油大学团队,就是李兆敏。

 

唤醒地下宝藏

——只有提升科技实力,才能让之前的禁区不断“解禁”。

 

李兆敏介绍,石油也分很多种类。有一种石油颜色最深,物理性质十分黏稠,难以流动,一般称为“稠油”。我国稠油油藏类型多,由于油田地质条件各有不同,在稠油资源开发上也形成了不同的模式。目前普通稠油中浅层、中深层油藏先蒸汽吞吐后蒸汽驱已工业化生产,技术配套成熟。超稠油(一般小于800米)采用的蒸汽辅助重力驱(SAGD)也已投入工业化生产。但对于油层埋深大于1000米、油层厚度小于5米、原油黏度大于200000mPa·s的中深层特超稠油油藏,多年来虽采取了多种强化攻关措施,但由于原油黏度高、油层埋藏深、储层薄、出砂严重且边底水活跃,多年来国内外一直未实现有效开发。

现阶段我国陆地上的常规油田大都已经进入开采的后期阶段,常规原油的探测储存量已经渐渐无法满足人们日益增长的能源需求,所以大力发展稠油开采技术就显得尤为重要。有数据统计,在我国地下长期处于沉睡中的,就有几亿吨超稠油和特超稠油油藏。眼睁睁看着脚下埋着这么一笔巨大的石油宝藏却不能动用,不能让其为快速发展的国民经济作贡献,这使得每一位石油工作者心急如焚,李兆敏自然明白研究特超稠油油藏开采技术的重要意义。

开采技术的不断进步,是提高稠油油藏采收率和经济效益的重要保障。这一前提就是加大科技创新力度,只有提升科技实力,才能让之前的禁区不断“解禁”。当今,在国际上提高稠油油田采收率的主要方法有注蒸汽、层内燃烧和注热水等。针对中深层特超稠油埋藏深、原油黏度高、常规热采注汽压力高、蒸汽热波及范围小、开发效果差的实际困局,在胜利油田的持续资助下,李兆敏率领团队全身心投入HDCS强化采油技术的研究中,有力推动了中深层特超稠油开发的创新和发展。他介绍,HDCS就是水平井(Horizontal well)、油溶性复合降黏剂(Dissolver)、二氧化碳(Carbon dioxide)和蒸汽(Steam4个英文词组的首字母组合。这是一种采用高效油溶性复合降黏剂和二氧化碳辅助水平井蒸汽吞吐,利用其协同降黏、热动量传递及增能助排作用,降低注汽压力,扩大波及范围,实现中深层特超稠油油藏有效开发的新型开发模式。同时,利用油藏数模,现场试验进行注采参数定量化研究,并配套相应的开采工艺技术,形成了一套适合中深层特超稠油开发的配套技术。

李兆敏介绍,超稠油HDCS高效开采技术针对超稠油油藏有诸多优势:数值模拟研究表明水平井能增强注汽能力,增大油汽比,对于薄油层能够相当大程度上减少蒸汽的热损失;实验研究表明,通过注入高效油溶性降黏剂和CO2能减小油水界面张力,破碎沥青质的层状结构,降低原油黏度,降低剩余油饱和度,增强地层弹性能量,减缓油藏压力衰竭;矿场统计和分析表明这一技术可有效地提高蒸汽利用率,降低注汽压力,提高油汽比,增加产量和生产周期。

HDCS高效开采技术的应用使黏度大于300 000mPa·s50℃),埋深大于1300米,油层平均厚度小于8米的超稠油藏实现了有效开发,填补了国内外在中深层特超稠油开采领域的空白。目前,HDCS技术是作为我国稠油开发的一项重大技术突破,在国际上居于领先地位,已在胜利油田分公司十多个区块推广应用,为国内已探明的高达几亿吨的超稠油、特超稠油石油地质储量提供了成熟的开发技术。这不仅使得胜利油田特超稠油油藏得以“解放”,而且对国内外同类稠油油藏的开发具有重要借鉴意义。

2018年,利用国家出版基金项目、“十三五”国家重点出版物出版规划项目、中国石油大学(华东)学术著作出版基金重点资助项目,李兆敏将自己和研究团队在稠油高效开发领域的研究成果加以提炼和总结,以气体辅助稠油高效开采理论与技术为主线,著成50多万字的《气体辅助稠油高效开采理论与技术》一书。这本书系统介绍了稠油高效开发技术在我国胜利油田等稠油油藏开发中获得的成功应用,对我国深层、薄层、特超稠油油藏的高效开发具有重要的借鉴意义。此书为从事油田开发的科研工作者、工程技术人员和高等院校相关专业的师生提供了颇有价值的参考内容,荣获2020年中国石油和化学工业优秀出版物奖·图书奖一等奖。

 

绿色方案助力“双碳”目标

——致力于成为生态文明实践者、美丽中国建设者

 

每一口油井的增产成功,都意味着诸多世界级的难题被攻克。而取得突破后,李兆敏从没有停下前进的脚步,依然带领着团队总结经验,深化研究,与时俱进。

如前文所述,注蒸汽热力采油是稠油开发的主体技术,主要包括蒸汽吞吐、蒸汽驱和SAGD等方式。但是在注蒸汽热采过程中,锅炉燃烧会产生大量烟道气排放到大气中,全国每年排放预计超过200×108方。烟道气不仅产生二氧化碳,还存在热量浪费,带来温室效应,环保问题突出。

2020年第75届联合国大会上,习近平总书记宣布中国将力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。这一承诺是中国基于推动构建人类命运共同体的责任担当和实现可持续发展的内在要求作出的重大战略决策,体现出一个大国的责任感。切实做好碳达峰、碳中和工作,不仅影响我国绿色经济复苏和高质量发展,引领全球经济技术变革的方向,而且对保护地球生态、推进应对气候变化的国际合作具有重要意义。在这种情况下,各行各业都在碳减排温室气体各方面加强研究,能源行业自然也承担着不可推卸的重要责任。

既要增产增效,又要绿色环保,面对这一对看似矛盾的难题,实际上,李兆敏早在十几年前就已为此未雨绸缪,在油田注汽锅炉烟道气资源化利用方面开展了多年持续攻关。他分析道,烟道气的主要成分是氮气和二氧化碳等非凝析气体,在稠油中有一定的溶解度,在蒸汽驱过程中注入部分烟道气,可有效减少热损失,强化地层深部传热,提高驱油效率。将油田注汽锅炉产生的烟道气用于辅助注蒸汽热力采油不仅可以提高稠油热采效果、减少蒸汽用量,同时还可以实现烟道气的资源化利用,大幅减少油田稠油生产过程中的烟气排放,对于推动稠油的低碳绿色开发和提质增效也具有重要意义。

在国家“863计划”、国家科技重大专项、中国石油低碳专项、中国石化胜利油田及中国海油的资助下,李兆敏从理论上解释了烟道气“抑制蒸汽冷凝、强化深部换热”机理,即烟道气会抑制蒸汽在近井地带的迅速冷凝,有效提高蒸汽在油层深部的传热,扩大蒸汽热波及体积,这一发现为烟道气改善注蒸汽开发效果提供了理论基础,在提高原油采收率、环境保护和节能减排等方面提供了有益的探索和借鉴。

2019年,李兆敏团队与科瑞集团就“油田注汽锅炉烟道气辅助蒸汽吞吐技术”进行课题攻关,团队对烟道气捕集系统、烟道气余热回收技术和烟道气除尘、冷干、除水、过滤系统等方面进行了深入研究。历时280天,李兆敏主持研发的全球首台1200Nm3/h35MPa烟道气回收、处理及注入设备顺利下线,设备入选《山东省能源领域重点技术、产品和设备目录(第一批)》,为烟道气辅助蒸汽吞吐技术的现场推广应用提供了关键设备。

20204月,相关技术在胜利油田林7-4井顺利完成现场试验。试验累计注入烟道气4.14万方,试验井日产油由3.9t/d上升到10.8t/d,含水由60.9%下降到45.6%202012月,在胜利油田林7-3井进行了二次实验作业,累计注入烟道气10.8万方,井次日产油提升了约3倍,标志着我国油田注汽锅炉烟道气资源化利用取得实质性进展。而同时,烟道气捕集增注热力采油设备,可充分利用锅炉燃烧过程中排放的大量二氧化碳辅助稠油热采,实现烟道气的资源化利用,不仅能改善开发效果,最重要的,还能大幅减少油田稠油生产过程中的温室气体排放,对推动稠油的低碳绿色开发和提质增效具有重要意义,为实现“碳中和”的宏伟目标贡献出一份力量。

 

“要上山,不要下海”

——一个成功团队的发展史,必然是一群志同道合者的奋斗史。

 

在胜利油田发现60周年之际,习近平总书记亲自来到胜利油田考察调研,慰问石油工作者。总书记登上钻井平台,了解胜利油田的创新发展情况,并在视察后作出了“石油能源建设对我们国家意义重大,能源的饭碗必须端在自己手里”的殷切嘱托。

这一声叮嘱,力压千钧,如春雷、似战鼓,响在李兆敏的内心深处,给了他无尽的前行动力。自1988年,李兆敏在中国石油大学(华东)任职以来,30多年时间里他扎根于这片沃土,不仅从事科学研究,还担负起人才的培养重任。他利用科研反哺教学,在中国石油大学(华东)开设了两门大学生的选修课,一门是“泡沫理论与采油技术”,一门是“稠油开采理论与技术”,都成为深受学生欢迎的经典课程。

在李兆敏心中,他与学生的关系不仅是师生,还是朋友,更是未来路上让中国石油资源发展领域研究领跑世界的伙伴。科研从来不是靠单打独斗实现的,李兆敏非常欣慰,也非常自豪自己拥有一支团结协作、勇于创新的大团队。他的微信里置顶着一个100多人的群,里面都是他的硕士生和博士生,也都成为他团队里的中流砥柱。

和自己的恩师沈忠厚院士一样,李兆敏也非常注重科研成果同油田生产的紧密结合,在他眼中,科研一定要落地,最终转化为生产力,这才是一个科研工作者的科研意义所在。“科研不是空中楼阁,不是纸上谈兵,而是要通过应用单位、设备单位一系列共同开发,来完成当前发展所需要的科研课题。”李兆敏介绍道,“我们团队最大的特点,就是和油田企业及服务企业密切结合。有很多科研课题,我们的研究成果第一时间会在现场得到应用。油田应用中发现一些问题,会第一时间再反馈给我们,我们就会了解国际上的发展趋势,用上一段时间把它修正研发出来,再应用到现场,周而复始,这样就形成了一个良性循环。”

李兆敏多年来一直注重科研成果转化与应用,他的团队与中海油服成立稠油开采联合实验室、与山东科瑞集团成立油气增产联合研究中心,并与各油田企业开展密切合作,形成了泡沫增产、气体辅助稠油开采等特色技术,在国内19个油田得以推广应用,并服务于中亚、中东、非洲、南美、俄罗斯等12个国家和地区。

李兆敏感慨,在油气田开发工程科学研究和实践中,不仅要依靠先进的理论和技术,更要依靠人的意志和责任心!30多年前,正值出国和“下海”做生意挣钱的热潮,这种风气甚至渗透到了科研队伍之中。在当时那种背景下,沈忠厚对于弟子们说过一句话:“我们要上山,不要下海。”这里的“上山”,指的是要攀登科研的高峰,带着团队攻克技术的难题,解决制约石油发展的那些瓶颈难题,而不是争名逐利。

这句话让李兆敏刻骨铭心记了一辈子,“我个人能从事石油工程领域研究,最初是偶然,后来遇到沈院士,却成为必然,更从最初的一个职业渐渐变成献身一生的事业了。这么多年做下来,最大的感触就是这份工作无论是对于国家经济发展还是人民的生产生活,都有重大的实际需求”。在李兆敏看来,地下千变万化的油气也是一道别样的风景,值得用一辈子的时间去探索和追寻。

正如李兆敏所言,油田是一个大熔炉,同时也是奋斗者实现人生价值的大舞台。他们这一批跟随中国石油发展一起成长起来的中坚力量,从以沈忠厚为代表的老一辈油气井工程专家手里接过技术和精神的接力棒,同时又把我们优良的传统以及随着现代社会发展的先进技术一并传承给下一代的年轻人。

2019年以来,作为第九批、第十批中组部援疆干部,李兆敏来到石河子大学工作,思想上得以升华、作风上得以历练、能力上得以提升,在工作中得到领导和同志们的一致认可。结合学校新一轮“双一流”建设,他围绕能源安全、低碳减排、农林固碳等方面做了很多工作。

能源研究一直是李兆敏的拿手好戏,也是他奋斗终生的目标。来到新疆之后,结合自己分管一流学科建设、科技创新与成果转化等工作,李兆敏越来越认识到在石河子大学发展能源学科的重要性和紧迫性。为此,在书记、校长的指导下,他倡议成立了兵团能源发展研究院并获兵团编办批准为学校内设机构,为兵团高校发展能源学科打下了坚实的基础。

同时,李兆敏和学校课题组成员积极研究“双碳”战略下兵团的发展和对策,参与制定“兵团实现碳达峰碳中和的愿景与路径”。他还牵头申报了兵团重点科技攻关课题并通过答辩,获批七师科技合作计划,先后组织疆内外高校、企业各自发挥优势,开展新一代低浓度烟气捕集关键技术,“一方面要端好能源的饭碗,另一方面也要端稳粮食的饭碗”,争取早日获得绿色低碳技术应用新突破。

“作为一名中国人,首先要是坚定的爱国者,然后才是奋斗者、开拓者。”李兆敏的学识和为人得到了同事和同行的一致认可与尊重。他以自己独特的办学思想、教育理念,以及教学方法,培养出一批又一批石油领域的工程人才。关于未来,性格朴实的李兆敏说不出太多的豪言壮语和漂亮话,但他坚信用技术说话,用实力说话,拿出实实在在的成果才是科教正道。李兆敏说,在为国“加油”的路上,他将永远向前走,永远不止步。

(责编:杨思玄)

 

专家简介

 

李兆敏,19656月出生,中共党员,工学博士,教授,博士生导师,国务院政府特殊津贴专家。任中国石油大学泡沫流体研究中心主任,中海油田服务股份有限公司—中国石油大学(华东)稠油开发联合实验室主任、山东省泡沫流体高效开采油气工程研究中心主任。致力于泡沫流体研究及应用、采油工程理论与技术、油气田开发工程领域的科学研究,长期从事教学、科研及高等教育管理工作,在《石油学报》、《石油勘探与开发》、《石油工程师协会杂志》(SPE Journal)和《燃料》(Fuel)等期刊发表相关论文200余篇,出版中英文专著6部,获批美国、中国和欧洲发明专利50余项,负责起草石油与天然气行业标准3项,先后获得省部级科技奖励一等奖5项、二等奖4项、三等奖5项,研究成果在国内外油田得以成功应用。


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2022年7月

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