我國(guó)“智能導(dǎo)鉆”技術(shù)新突破！油氣開采為什么這么難?

出品：科普中國(guó)

作者：荊博（地質(zhì)工程師）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

把石油采出來總共分幾步？

找到它，打個(gè)井，再采出來。

作為液體礦產(chǎn)，石油的勘查開發(fā)是典型的探采一體模式。所以，鉆探作為貫穿整個(gè)油氣開發(fā)過程的核心工作，其工藝的高低直接決定了油氣開發(fā)水平。

（圖片來源：Veer圖庫）

石油資源的開采并非易事。不同于固體礦藏，油氣藏往往埋在地表深處，需要一定的開采設(shè)備進(jìn)行輔助。不僅如此，液體礦產(chǎn)具有流動(dòng)性，不合理的開采會(huì)導(dǎo)致采收率的降低。

那么人類到底是如何將石油這樣的寶貴資源成功開采出來的呢？我國(guó)科學(xué)家們又進(jìn)行了哪些嘗試呢？

初探：中國(guó)真的沒有石油嗎？

在技術(shù)條件比較差的早期，石油的發(fā)現(xiàn)同其他礦產(chǎn)一樣，靠天然露頭。如《漢書·地理志》所云：“定陽，高奴，有洧（wěi）水，可燃?！备吲?，大致位于今陜西延長(zhǎng)縣，打成中國(guó)陸上第一口油井。1935年，中國(guó)工農(nóng)紅軍接收了延長(zhǎng)石油廠，其研制的石油產(chǎn)品有力地支援抗日戰(zhàn)爭(zhēng)和解放戰(zhàn)爭(zhēng)。

1938年，在中共中央的批準(zhǔn)同意下，將延長(zhǎng)石油廠的兩部鉆機(jī)及其器材調(diào)往玉門，在玉門老君廟打出了第一口產(chǎn)油井，拉開了中國(guó)第一個(gè)現(xiàn)代化油田、中國(guó)石油工業(yè)的搖籃——玉門油田的開發(fā)序幕，稱得上我國(guó)重要“功臣油礦”。

玉門油田老君廟油礦

（圖片來源：中國(guó)政府網(wǎng)官網(wǎng)）

隨著第二次工業(yè)革命，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明推動(dòng)了石油開采業(yè)的發(fā)展和石油化工工業(yè)的生產(chǎn)，原有的油氣資源遠(yuǎn)不能滿足高速發(fā)展的生產(chǎn)生活需要。于是，各國(guó)對(duì)石油開采的重視程度迅速上升。

日本發(fā)動(dòng)侵華戰(zhàn)爭(zhēng)后，就對(duì)我國(guó)東北地區(qū)進(jìn)行了廣泛的礦產(chǎn)調(diào)查和掠奪，油氣勘查范圍覆蓋到了從興安北省的海拉爾到熱河省這樣的范圍，甚至研發(fā)了以蒸汽機(jī)為動(dòng)力的2000米旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)，并在大慶油田的邊緣地區(qū)打了一口1000米深的探井。

即便如此，距大慶油田的第一口油井——松基三井的1357-1382米之間的儲(chǔ)層，仍有差距。

大慶油田發(fā)現(xiàn)井松基三井

（圖片來源：新華網(wǎng)）

在當(dāng)時(shí)，“海相生油理論”在石油開采領(lǐng)域占據(jù)著統(tǒng)治地位。1922年美國(guó)斯坦福大學(xué)地質(zhì)學(xué)教授勃拉克韋爾德，在一篇題為《中國(guó)和西伯利亞的石油資源》的論文中指出：“中國(guó)沒有中生代或新生代沉積；古生代沉積也大部分不生油；因此，中國(guó)絕不會(huì)生產(chǎn)大量石油?！蔽覈?guó)貧油國(guó)的帽子就是這么被扣上的。

有石油，但弄出來還有點(diǎn)難

1939年，我國(guó)專家在陸相盆地中發(fā)現(xiàn)了甘肅玉門老君廟油田，則動(dòng)搖了這一理論的統(tǒng)治地位。中國(guó)陸相生油理論由此拉開序幕，其后大慶油田的開發(fā)及其石油地質(zhì)研究，則最終奠定夯實(shí)陸相生油理論基礎(chǔ)。

1960年1205鉆井隊(duì)使用的貝烏-40型鉆機(jī)主機(jī)

（圖片來源：大慶油田歷史陳列館）

作為對(duì)比，受“海相生油理論”的找油思想的束縛，日本即便引進(jìn)了美國(guó)的物探技術(shù)，但仍主要采用以電法為主的勘探技術(shù)。即需要先發(fā)現(xiàn)了油苗露頭后再進(jìn)行地質(zhì)結(jié)構(gòu)的調(diào)查，勘查效率低。

在中國(guó)東北整整三十年后，日本僅獲得了黏稠、含硫量很高的重油的勘查成果，而且流量很小，以日本當(dāng)時(shí)的煉油技術(shù)，很難用這種石油提煉軍隊(duì)所需的汽油，而且必須從美國(guó)導(dǎo)入新的技術(shù)和設(shè)備，等到順利生產(chǎn)，戰(zhàn)爭(zhēng)都結(jié)束了。

面對(duì)石油資源供不應(yīng)求的困境，日本只能另尋技術(shù)突破之道。為了解決油料入不敷出的問題，日本不得不耗費(fèi)巨資開展將煤炭液化人造石油的項(xiàng)目，進(jìn)行一次液化輕油和二次加氫液化石油生產(chǎn)。但由于條件的限制，石油產(chǎn)量不高，并建設(shè)了多家人造油工廠。最終因后期的資金、設(shè)備不足等問題，均未成功。如此種種，其原因都是鉆探設(shè)備落后。

石油鉆桿和鉆頭

（圖片來源：Veer圖庫）

單純的液化油無論數(shù)量還是質(zhì)量，都無法滿足日本的石油需求。匱乏的油料使得日本不得不放棄了繼續(xù)在中國(guó)東北地區(qū)找油的計(jì)劃，只留下了一些小型的巖芯鉆機(jī)，日本也徹底放棄了在中國(guó)東北的石油勘探工作，便將目光分別投向了北方的庫頁島和南方的中南半島和馬來群島。

隨著北進(jìn)派在決策層的出局和英法在歐洲戰(zhàn)場(chǎng)的失利，讓日本意識(shí)到，搶占東南亞的豐富資源是解決油料極度匱乏問題的機(jī)會(huì)到了，印度尼西亞的蘇門答臘和達(dá)拉根，這些東印度公司等企業(yè)的重要產(chǎn)區(qū)將唾手可得。

日本南侵第一步便是河內(nèi)，繼而與德國(guó)和意大利簽訂軍事同盟，也引起了美英等國(guó)的強(qiáng)烈反應(yīng)。美國(guó)國(guó)務(wù)院在1940年發(fā)表了一份對(duì)日本道義禁運(yùn)的聲明，對(duì)辛烷值87以上的航空汽油實(shí)施禁運(yùn)。英國(guó)和荷蘭也紛紛效仿，英國(guó)切斷了婆羅洲向日本的石油供應(yīng)；美國(guó)說服荷蘭東印度公司暫停向橫濱和長(zhǎng)崎運(yùn)送石油。這種無異經(jīng)濟(jì)上的向日本宣戰(zhàn)措施，并未起到遏制日本的作用，反而促使驅(qū)使日本鋌而走險(xiǎn)，制定完成了攻擊珍珠港的計(jì)劃，最終迫使美國(guó)放棄中立，加入盟軍陣營(yíng)，這成為太平洋戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)的導(dǎo)火索。

古荷蘭東印度公司的標(biāo)志

（圖片來源：Veer圖庫）

當(dāng)然，這只是油氣勘查開發(fā)工作的必要性和緊迫性的體現(xiàn)之一。即便能源消耗結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，但只要油氣的消耗需求一直在，勘查開發(fā)的工作就在。

石油勘查與開采的難點(diǎn)到底在哪兒？

隨著勘查程度的加深，開發(fā)工作的成本日益增高。隨著陸域范圍內(nèi)適宜發(fā)育油氣藏的大中型盆地差不多都被摸了一遍，油氣勘查的重心從中淺層轉(zhuǎn)移到深層和超深層。

在我國(guó)，這種趨勢(shì)尤為明顯。一方面是我國(guó)的油氣消耗和對(duì)外依賴度一直在增大，另一方面則是我國(guó)孕育中淺層油氣藏的地質(zhì)成藏條件確實(shí)不佳，反倒是在中西部盆地相繼發(fā)現(xiàn)了塔河、普光、安岳、靖邊、順北等一批大型油氣田，說明我國(guó)已探明的深層和超深層碳酸鹽巖油氣藏特征與全球的有很大差異，展示出廣闊的勘探前景。

塔里木盆地順北油氣田：順北42X測(cè)試獲高產(chǎn)工業(yè)油氣流

（圖片來源：澎湃新聞）

中國(guó)的油氣勘探對(duì)于深層和超深層的突破更迫切了。于是，壓力從新的成藏理論轉(zhuǎn)到了鉆探裝備上。

早期的石油鉆探設(shè)備使用的是沖擊鉆探，其原理就是用一個(gè)大鐵錐進(jìn)行反復(fù)的吊起沖擊，像一個(gè)大鑿子一樣破碎下方進(jìn)行工作。

這種方法最早是我國(guó)西南地區(qū)用于開鑿汲取小口徑井鹽的設(shè)備，鉆進(jìn)能力達(dá)幾百米，最深可以開鑿千米深的鹽井，距今有超過1000年的歷史。

20世紀(jì)初才出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)鉆探，主要依靠旋轉(zhuǎn)和壓力像電鉆一樣作業(yè)，讓鉆機(jī)的工作效率提高數(shù)倍，在鉆進(jìn)極限上也提高了數(shù)倍，最深超過一萬米。

夜幕下的“地殼一號(hào)”萬米鉆機(jī)整機(jī)系統(tǒng)

（圖片來源：新華社 許暢攝）

對(duì)于固體礦產(chǎn)而言，使用具有幾千米鉆進(jìn)能力的常規(guī)液壓旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)已經(jīng)完全足夠。因?yàn)殂@進(jìn)能力已經(jīng)超越了我們的固體礦產(chǎn)地下巷道開采能力，但對(duì)于油氣這種探采一體的礦產(chǎn)，其能力仍然不夠，因?yàn)橛蜌赓Y源的開發(fā)困難體現(xiàn)在兩個(gè)方面。

對(duì)固體礦產(chǎn)煤進(jìn)行開采作業(yè)

（圖片來源：Veer圖庫）

一方面是難探。難探有三個(gè)原因，一是深部的鉆探是必須的，無論多完美的理論還多么豐富細(xì)致的地面地球物理勘測(cè)，最終都需要進(jìn)行深部鉆探驗(yàn)證；二是隨著勘查深度的提升，勘查經(jīng)費(fèi)在加速燃燒。就像蓋樓一樣，隨著樓層的增高，無論是基礎(chǔ)還是結(jié)構(gòu)都需要進(jìn)行充分的冗余設(shè)計(jì)和建設(shè)；三是勘查隨著勘查程度的提高而不停調(diào)整，鉆探工作在高溫、高壓、高鹽的環(huán)境中，勘查風(fēng)險(xiǎn)和難度持續(xù)增大。

彈性波勘探技術(shù)

（圖片來源：中國(guó)石油新聞中心）

在具有挑戰(zhàn)性的油井中，孔隙壓力、裂縫梯度和復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，形成了一個(gè)狹窄的操作窗口。實(shí)際操作過程中，跟在深部地層中繡花差不多。無論是無法回饋有效的鉆井參數(shù)，還是側(cè)切能力弱，鉆頭轉(zhuǎn)向困難，甚至是鉆探的操作能力區(qū)間范圍小，都會(huì)導(dǎo)致成本高昂且耗時(shí)的事件發(fā)生。

另一方面就是難采。油氣的成藏要素中，生儲(chǔ)圈蓋在地層中整體還是處于一個(gè)平整的狀態(tài)。就像你吃的溏心荷包蛋一樣，我們想獲取的是其中溏心（油氣）部分，但其微觀結(jié)構(gòu)則沒有那么簡(jiǎn)單，更像是打了無數(shù)隔水夾層的海綿。你想采取油氣就必須鉆進(jìn)到合適的位置，然后地層的壓力就會(huì)直接把海綿里的水（油氣）直接壓出。

但問題是隔水層（蓋層）的存在，讓你雖只有一層之隔卻無能為力。所以我們最想做的就是盡可能多的聯(lián)通各個(gè)儲(chǔ)層，當(dāng)然也可以選擇打斷蓋層（壓裂法）。

水力壓裂鉆機(jī)

（圖片來源：Veer圖庫）

這就是我們開采所遇到的困境，一是我們難以僅靠物探手段就能清晰準(zhǔn)確研究地下深部精細(xì)尺度的地質(zhì)構(gòu)造，二是我們即便獲取了精細(xì)構(gòu)造也需要有足夠靈活的鉆探技術(shù)直接到達(dá)我們的預(yù)期層位。

繼續(xù)找油！辦法總比困難多

為了成功開采到石油，人們找到水平井這一最直接的解決辦法。水平井因平行于地層，比垂直井能開采更多的油氣。致密地層的滲透率非常低，油氣難以向井筒運(yùn)移，通過水力壓裂和支撐劑磅數(shù)，提高滲透率，在橫向長(zhǎng)度的增加提高了單井中油氣儲(chǔ)層的暴露面積，可以實(shí)現(xiàn)致密油氣層的經(jīng)濟(jì)開發(fā)。2010年以來，水平井成為頁巖氣和致密油的主要生產(chǎn)方式。

不僅如此，油田開發(fā)的中后期尤為困難，也極大推動(dòng)了鉆井導(dǎo)向技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。老油田經(jīng)過多年的注水開發(fā)，大部分油井進(jìn)入高含水階段。地下油層被水淹后，只有薄薄一層油漂在水面上，俗稱為“水上漂”。這時(shí)水平井鉆井技術(shù)便能派上用場(chǎng)，它能夠大大提高了靶心正中這層油皮的可能性，這也是鉆井導(dǎo)向技術(shù)發(fā)展的一大動(dòng)力。

中國(guó)石化江漢油田涪陵頁巖氣田焦頁18-S12HF井順利完井，其中水平段長(zhǎng)4286米，水平段"一趟鉆"進(jìn)尺4225米，標(biāo)志著我國(guó)頁巖氣超長(zhǎng)水平井鉆探取得重大突破

（圖片來源：光明網(wǎng)）

單純的鉆井導(dǎo)向技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在鉆井過程中，由于地質(zhì)目標(biāo)探測(cè)手段單一、井眼軌跡控制難度大，難以及時(shí)準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)油層，導(dǎo)致儲(chǔ)量鉆遇率低，復(fù)雜油氣藏不能高效開發(fā)。

當(dāng)油田地層類型和走向變化復(fù)雜、儲(chǔ)層位置不確定，其挖潛方向進(jìn)而轉(zhuǎn)向薄差層、油砂體，便對(duì)隨鉆測(cè)井技術(shù)提出了要求。

當(dāng)下主流技術(shù)遠(yuǎn)不滿足于單純的鉆井導(dǎo)向，還會(huì)搭配復(fù)雜的地球物理勘測(cè)設(shè)備，發(fā)展成一套趨于成熟的隨鉆測(cè)井設(shè)備，使用數(shù)學(xué)分析方法將地震屬性與測(cè)井曲線聯(lián)系起來，建立了鉆前地質(zhì)導(dǎo)向模型用于智能導(dǎo)鉆。借助于統(tǒng)計(jì)模型的幫助能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)樣本，并自動(dòng)預(yù)測(cè)儲(chǔ)層情況，準(zhǔn)確控制井眼軌跡，提高鉆遇率水平。

隨鉆測(cè)井技術(shù)“璇璣”系統(tǒng)完成作業(yè)任務(wù)，從井下提升返回地面

（圖片來源：新華網(wǎng)）

油氣資源鉆探有了智能導(dǎo)航

近期，我國(guó)攻關(guān)的國(guó)產(chǎn)智能導(dǎo)鉆在位于塔里木盆地西部的TP259-2H生產(chǎn)井實(shí)鉆應(yīng)用中取得重要進(jìn)展，獲得了高產(chǎn)工業(yè)油氣流。這一應(yīng)用進(jìn)展證明了我國(guó)邁入了超深層油氣勘探開發(fā)技術(shù)的高端領(lǐng)域，掌握了關(guān)鍵核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鉆井、測(cè)井、錄井、試油、地球物理探測(cè)等整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的核心技術(shù)發(fā)展。

同時(shí)，這一國(guó)產(chǎn)“石油重器”問世，技術(shù)與裝備實(shí)現(xiàn)突破，設(shè)備研發(fā)自由自主，有力的支撐了與我國(guó)地質(zhì)成藏背景相適應(yīng)的油氣勘探理論的驗(yàn)證和創(chuàng)新。

智能導(dǎo)鉆隨鉆方位電磁波電阻率成像測(cè)井儀入井照片

（圖片來源：中國(guó)科學(xué)院）

我國(guó)上游業(yè)務(wù)實(shí)踐中，超深層盆地深層溫度高、壓力大、油氣成熟度高和近源成藏，更利于天然氣及輕質(zhì)油的生成，資源量豐富、勘探程度低。油氣發(fā)現(xiàn)的重大戰(zhàn)略性突破基本集中在深層超深層，如塔里木盆地山前、四川盆地、準(zhǔn)噶爾盆地南緣、柴達(dá)木盆地等的增儲(chǔ)上產(chǎn)皆賴于此。

此外，我國(guó)仍有數(shù)量眾多的長(zhǎng)期注水不受效、多次措施無效后，已經(jīng)采取停產(chǎn)措施老井。通過“智能導(dǎo)鉆”進(jìn)行油層內(nèi)定點(diǎn)定方位取芯，采剩余油，是未來老油田穩(wěn)產(chǎn)和上產(chǎn)是提高資源利用率的必由之路，成為低滲透儲(chǔ)層低成本挖潛的有力手段，在老油田剩余油挖潛中具有極為廣闊的推廣空間，將進(jìn)一步提升我國(guó)自有油田的戰(zhàn)略保障能力。

高速井地傳輸系統(tǒng)（HST）試驗(yàn)成功

（圖片來源：中國(guó)科學(xué)院）

結(jié)語

把石油采出來總共分幾步？現(xiàn)在再來看這個(gè)問題，你會(huì)發(fā)現(xiàn)我們走了一步又一步，如今也仍在邁步。

對(duì)我國(guó)而言，從最初被各國(guó)扣上“絕無石油資源”的帽子，到如今“智能導(dǎo)鉆”輕松采油成為現(xiàn)實(shí)，這其中反復(fù)試驗(yàn)的努力與汗水是難以估量的。

也正是因?yàn)榭茖W(xué)家與開采人員的付出，才使得石油這一戰(zhàn)略資源有了堅(jiān)實(shí)保障，更是讓國(guó)家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展以及國(guó)防安全有了巨大底氣。