走出地宮——石油的自述·我的傳奇之五

我已經(jīng)在地下沉睡了億萬(wàn)年。尋尋覓覓，在地層中找到了我，這僅僅是和我建立聯(lián)系的開(kāi)始。你要我為你服務(wù)，為你創(chuàng)造價(jià)值，那么請(qǐng)你想想怎么把我——石油，從地宮里請(qǐng)出來(lái)吧！

頂層設(shè)計(jì)拿方案

經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)勘探人的一番折騰， 十八般武藝全上陣，什么野外地質(zhì)調(diào)查、地球化學(xué)、地球物理以及二維、三維地震等，終于將目標(biāo)靶區(qū)縮小， 知道了我的藏身之處。那么，接下來(lái)該怎么做呢？

一個(gè)油田在勘探發(fā)現(xiàn)以后，就進(jìn)入了開(kāi)發(fā)階段。油田開(kāi)發(fā)是一個(gè)很龐大、很復(fù)雜的系統(tǒng)工程。例如，油田開(kāi)發(fā)需要花多少錢，需要投入多大的人力、物力來(lái)做這件事，參與開(kāi)發(fā)人員的吃喝拉撒睡以及交通、通信怎么解決，生產(chǎn)基本建設(shè)怎么搞，油氣開(kāi)發(fā)出來(lái)之后怎么輸送，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中的供電、供水、排水怎么解決，開(kāi)發(fā)中產(chǎn)生的污水怎么處理，等等。更為重要的是，還需要確定油田怎么開(kāi)發(fā)， 需要鉆多少井，鉆什么類型的井， 用什么方法把油采出來(lái)，油田生產(chǎn)規(guī)模能搞多大，最終的采油量能否創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，等等。因此，這就需要編制一個(gè)詳盡的油田開(kāi)發(fā)總體方案。大慶油田在開(kāi)發(fā)前，就進(jìn)行了薩爾圖油田146平方千米面積開(kāi)發(fā)方案的設(shè)計(jì)，科學(xué)地選定了注水開(kāi)發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)。

油田總體開(kāi)發(fā)方案， 還要根據(jù)后期油田開(kāi)發(fā)的實(shí)際進(jìn)展，不斷進(jìn)行調(diào)整。鑒于地下地質(zhì)情況的復(fù)雜性和油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中的不斷變化，不可能一次性地認(rèn)識(shí)清楚，只能分階段去認(rèn)識(shí)，并根據(jù)新的認(rèn)識(shí)，分階段應(yīng)用新的技術(shù)成果對(duì)油田開(kāi)發(fā)進(jìn)行綜合調(diào)整。尤其是到了油田開(kāi)發(fā)的后期， 產(chǎn)量逐步遞減是自然規(guī)律。就像人一樣，年輕的時(shí)候力拔山兮氣蓋世， 到了晚年各種精力均不濟(jì)，各個(gè)器官都開(kāi)始老化，各類疾病難免上身。油田經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)，很多油井都已經(jīng)損壞，或者需要修補(bǔ)，或者報(bào)廢。到了這個(gè)階段，注水開(kāi)發(fā)的油田含水率可能已高達(dá)90%以上，生產(chǎn)出一噸的液體，實(shí)際上只有100千克的油，另外還有900千克的水。

由此可見(jiàn)，為了從地宮里將我請(qǐng)出來(lái)，油氣開(kāi)發(fā)人員需要操心的事情還多著呢。在設(shè)計(jì)好開(kāi)發(fā)方案之后， 接下來(lái)該怎么做呢？當(dāng)然是想方設(shè)法打開(kāi)地宮，把我請(qǐng)出來(lái)了。而要想打開(kāi)地宮，就需要鉆井。

康莊大道通“地宮”

說(shuō)起鉆井，中國(guó)人曾經(jīng)走在世界的前列。大約距今2200多年前的戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，秦國(guó)的李冰在廣都（今四川省咸都市雙流區(qū)），成功地用農(nóng)用工具人工挖掘了四川境內(nèi)的第一口大口鹽井，促進(jìn)了四川經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。從北宋開(kāi)始，我國(guó)古代鉆井技術(shù)又有了新發(fā)展：一是頓鉆大口井發(fā)展為頓鉆小口井，出現(xiàn)了直徑只有碗口大小的小口井——“卓筒井”。二是隨著鉆井、采鹵業(yè)的發(fā)展，靠人力推動(dòng)絞盤(pán)車的勞動(dòng)強(qiáng)度越來(lái)越大，13世紀(jì)出現(xiàn)了用牛力作為絞盤(pán)車的動(dòng)力。直到清朝中期，中國(guó)的鉆井技術(shù)都在世界處于領(lǐng)先地位。但是到了近代石油鉆井，中國(guó)開(kāi)始明顯地落后于西方。

卓筒井

現(xiàn)代石油鉆井已經(jīng)開(kāi)始有了不一樣的景觀，在采油現(xiàn)場(chǎng)，會(huì)看到一座座高聳入云的鋼架，它不同于一般的電視塔、高壓輸電塔，在鋼架的頂端有一個(gè)滑輪組，穿在滑輪組上的鋼絲繩帶動(dòng)滑輪組上下游動(dòng)，它就是油田生產(chǎn)的標(biāo)志性設(shè)施——鉆井井架。

鉆井井架是打開(kāi)“地宮”之門(mén)的主要部件，是由古老的“頓鉆”的三角支架發(fā)展而來(lái)。它不僅承受整個(gè)鉆井設(shè)備的重量，有時(shí)還要經(jīng)受鉆井過(guò)程中各種自然災(zāi)害的威脅。

高高的井架下面，連接的是一節(jié)一節(jié)的鉆桿，在石油鉆機(jī)的驅(qū)動(dòng)下， 鉆桿帶動(dòng)鉆頭破碎巖石，深入地下。俗話說(shuō)“沒(méi)有金剛鉆不攬瓷器活”， 要想破碎堅(jiān)硬無(wú)比的巖石，沒(méi)有更為堅(jiān)硬的鉆頭是不行的。你別說(shuō)，石油鉆井用的鉆頭上，還真有金剛石。

高高聳立的鉆井井架

即使是金剛石鉆頭，鉆的時(shí)間長(zhǎng)了也會(huì)發(fā)熱。怎么辦呢？停下來(lái)休息冷卻一下？那太耽誤工夫了。石油工人有辦法，最早的時(shí)候用循環(huán)水冷卻鉆頭。循環(huán)水一方面可以冷卻鉆頭，另一方面，還可以將鉆頭破碎巖石形成的碎屑帶回到地面。循環(huán)水另外一個(gè)重要的作用是保護(hù)井壁，防止鉆井過(guò)程中井壁坍塌，一舉多得，怪不得被人稱為鉆井的“血液”。在鉆進(jìn)時(shí)，地層中的泥質(zhì)與循環(huán)水混合到一起形成渾濁的泥水，因此，最早的時(shí)候稱為“泥漿”。后來(lái)，隨著鉆井技術(shù)的實(shí)踐和發(fā)展，鉆井用的泥漿還可以添加各種各樣的化學(xué)制劑，從而形成了不同“血型”的“血液”，后來(lái)統(tǒng)稱為鉆井液。

配置不同密度的鉆井液

經(jīng)過(guò)一番辛勤的勞作，鉆頭到達(dá)了“地宮”，鉆井達(dá)到了設(shè)計(jì)的深度后，是不是就能立即將我“請(qǐng)”出來(lái)呢？還不行。這是因?yàn)?，石油開(kāi)采是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，有的油井壽命長(zhǎng)達(dá)幾年、十幾年甚至幾十年，如果不好好將通入“地宮”的通道布置一番， 有可能造成井壁坍塌，那怎么對(duì)得起那么昂貴的花費(fèi)？

要知道，在我國(guó)陸地上鉆一口井， 少則上千萬(wàn)元，多則上億元，如果在海上鉆井，那花費(fèi)就更是令人難以想象。

怎么布置這條通道呢？首先，要在這條通道中下入一條鋼管，稱為生產(chǎn)套管。這層套管，就是后期石油從地層中流到地面的通道，可以保證油井的長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)，并滿足油氣開(kāi)發(fā)和今后增產(chǎn)措施的需要。

在鉆頭鉆開(kāi)的圓柱形井筒內(nèi)，鉆頭除了破碎下面的巖層，對(duì)周圍的井壁也能造成一定的破壞，那時(shí)間長(zhǎng)了，井壁會(huì)不會(huì)坍塌呢？為了防止井壁坍塌， 在井壁與套管之間還設(shè)計(jì)了一個(gè)環(huán)形空間，在這個(gè)環(huán)形空間注入水泥封固起來(lái)，井壁就穩(wěn)固多了，一條通往“地宮”的“康莊大道”就修好了。

在井下觀察“地宮”

我深埋于數(shù)千米的地下，為了找到并將我牽出“地宮”，需要鉆井打開(kāi)地層。那鉆井深入幾千米的地下，怎么掌握打到地下的鉆頭是垂直的還是傾斜的？還有一些井，本身就要求傾斜的，但是傾斜的方向是否是我們需要的？這就需要對(duì)鉆井的過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。有什么辦法呢？是否有一種儀器，能實(shí)時(shí)觀察井下的情況，給地面人員提供實(shí)時(shí)信息呢？

鉆井泵將鉆井液從罐中吸入然后泵入地下

地下地層是由各類巖石組成的， 不同巖石具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，為了研究各類巖石的性質(zhì)，以及井下地層是否含有石油天然氣和其他有用礦產(chǎn)，建立了一門(mén)實(shí)用性很強(qiáng)的邊緣學(xué)科——地球物理測(cè)井學(xué)， 簡(jiǎn)稱“測(cè)井”。它以地質(zhì)學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、電子技術(shù)及傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)出專門(mén)的測(cè)井儀器，沿著井身進(jìn)行測(cè)量，得出地層的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、地層結(jié)構(gòu)及井身幾何特性等各種信息，為石油天然氣勘探、油氣田開(kāi)發(fā)提供重要數(shù)據(jù)和資料。測(cè)井的井場(chǎng)作業(yè)由測(cè)井地面儀器、絞車和電纜組成，通過(guò)電纜把下井儀器放到井底， 在提升電纜的過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)井作業(yè)示意圖

測(cè)井在油氣勘探和油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中具有舉足輕重的作用。在鉆井過(guò)程中需要及時(shí)了解井身是垂直的還是傾斜的，如果是傾斜的，要測(cè)出是向哪個(gè)方向傾斜，還要測(cè)量井眼直徑。在鉆大斜度井和水平井時(shí)，要及時(shí)控制鉆井方向和位置，以保證在有前景的目的層中鉆進(jìn)，這就需要工程測(cè)井和隨鉆測(cè)井提供有關(guān)信息，指導(dǎo)鉆進(jìn)過(guò)程。在鉆完井后，要用一系列地球物理測(cè)井方法對(duì)井下地層進(jìn)行測(cè)量， 確定地層是水平的還是傾斜的，是由何種巖石構(gòu)成的，并且劃分出含油氣地層和含水地層，提供含油氣地層的準(zhǔn)確深度和厚度，地層儲(chǔ)存油氣空間的大小，含油氣的多少，以及石油天然氣是否能開(kāi)采出來(lái)?？傊?，從一口井開(kāi)鉆起，到油層枯竭、油井報(bào)廢為止，都要進(jìn)行地球物理測(cè)井。地球物理測(cè)井是油氣勘探和油田開(kāi)發(fā)全過(guò)程中最可靠的監(jiān)測(cè)方法。

野外測(cè)井作業(yè)車

很多人肯定玩過(guò)一個(gè)益智小游戲——貪吃蛇。哪里有目標(biāo)，那條小蛇就游動(dòng)到哪里。地下的油氣，也是分散在不同的層位、不同深度、不同類型的地層中，形成了許許多多大小不一、形態(tài)各異的“地宮”。鉆井的時(shí)候，能不能像貪吃蛇一樣將這些“地宮”都給串起來(lái)？這樣鉆一口井就可以打開(kāi)更多的地宮，也就能采出更多的油氣？你別說(shuō)，還真有這樣一種技術(shù)，但世界上只有極少數(shù)國(guó)家掌握這種技術(shù)，中國(guó)是其中之一。

國(guó)產(chǎn)“貪吃蛇”鉆井技術(shù)做到了“指哪打哪”

2015 年5月6日，中國(guó)海洋石油研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和隨鉆測(cè)井系統(tǒng)在渤海油田的一次作業(yè)中，成功命中1613.8米、2023.28米和2179.33米三處靶點(diǎn)，標(biāo)志著我國(guó)成為世界上第二個(gè)掌握“貪吃蛇”鉆井技術(shù)的國(guó)家。這項(xiàng)技術(shù)，可以在地下幾千米的深處，讓直徑0.2米的鉆頭在0.7米厚的很薄的油層中橫向或斜向穩(wěn)定穿行，實(shí)現(xiàn)一趟鉆“橫向”移動(dòng)1000米的長(zhǎng)距離作業(yè)。這種精準(zhǔn)制導(dǎo)，對(duì)降低開(kāi)發(fā)成本、最大化開(kāi)發(fā)油氣田資源具有重要價(jià)值。

脫桎梏載歌載舞

經(jīng)過(guò)鉆井工人的努力，“地宮” 之門(mén)已經(jīng)打開(kāi)，通往“地宮”的通道也已經(jīng)布置完畢，那怎么能將井底的油氣“請(qǐng)”到地面上來(lái)呢？

很早以前，人們用最簡(jiǎn)單的提撈方式開(kāi)采原油，就像用吊桶在水井中提水一樣，用絞車將原油從油井中提取上來(lái)，但這種方法只適用于油層非常淺、壓力很小、產(chǎn)量很低的油井。

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多產(chǎn)量高、埋藏深的油田被發(fā)現(xiàn)，原來(lái)那套人工提撈的方法無(wú)法在這些油井上使用，尤其是現(xiàn)在的油井，都是幾千米深，怎樣才能將油氣采上來(lái)呢？

在油田開(kāi)發(fā)初期， 儲(chǔ)存油氣的地層在上覆地層的重壓下受到壓縮， 從而聚集了大量的能量，當(dāng)鉆井打開(kāi)油層后，石油和天然氣必然向處于低壓區(qū)的井筒流動(dòng)，油氣會(huì)通過(guò)油井噴射到地面。就好比一個(gè)充滿氣的汽車輪胎，當(dāng)拔掉氣門(mén)芯后，被壓縮的空氣會(huì)通過(guò)氣門(mén)噴射而出，這樣的井稱為自噴井。自噴井的產(chǎn)量一般都比較高。例如，中東地區(qū)有些油井每口井日產(chǎn)量可達(dá)1～2萬(wàn)噸。

到了油田開(kāi)發(fā)的中后期，油層的壓力逐漸減小，不足以將地層內(nèi)的油氣壓向井筒并最終噴出地面，這時(shí)就需要向地層注水補(bǔ)充能量，增加油層的壓力，以延長(zhǎng)油井的自噴期。

隨著油田的繼續(xù)深入開(kāi)發(fā)，無(wú)論怎樣給地層補(bǔ)充能量，都不能將油從井底“托”到井口。這就好比人到老年， 吃再多的補(bǔ)藥，也只能延緩衰老，再也不可能恢復(fù)年輕時(shí)候的雄風(fēng)。這個(gè)時(shí)候怎么辦呢？只能通過(guò)人工“舉升”，將井底的油“舉”上來(lái)。

當(dāng)我們路過(guò)油田的時(shí)候，肯定見(jiàn)過(guò)這樣一種景觀：放眼望去，有無(wú)數(shù)類似于毛驢一樣的設(shè)備在“吭哧吭哧”的負(fù)重前行，“驢頭”不停地上下擺動(dòng)，好像在“磕頭作揖”，于是人們給它起了個(gè)諢名——磕頭機(jī)。這種磕頭機(jī)，其實(shí)就是一種將油從井底抽上來(lái)的機(jī)器。其工作原理類似于農(nóng)村從水井里抽水的“壓井”，里面有一個(gè)活塞，通過(guò)活塞的上下運(yùn)動(dòng)，將水從水井抽吸到地面。不過(guò)采油用“磕頭機(jī)”的動(dòng)力來(lái)源于電力，畢竟，人力雖能從幾十米深的水井抽水，但要想從幾千米深的油井抽油，難度有點(diǎn)大?。?/p>

還有一種效率相對(duì)更高的將原油從井底“托”到地面的設(shè)備，就是電動(dòng)潛油泵。它的工作原理和農(nóng)村灌溉用的電動(dòng)水泵一樣，通過(guò)葉輪的高速旋轉(zhuǎn)增加液體的能量，從而將油從井底“托舉”到井口。

潛油電泵示意圖

作者：馬新福