开启油田固井工程科研领域新篇章

  当今国际能源领域对石油这种特殊战略资源的地缘控制与市场竞争，早已超出了纯商业的范围，不但成为世界各大国政治、经济、军事斗争的武器，而且深刻地影响着国家安全和国际政治格局。虽然从国家经济社会协调发展和大气环境治理角度出发，能源多样化是大势所趋，但石油依然是世界经济发展中的重要能源，为了提升石油的开采量，固井技术的提升是必不可少的环节。固井是油气井建井过程中重要环节之一，是一个技术涉及面宽、施工风险性大、作业质量保证困难、技术要求很高的一次性、地下隐蔽性的井下作业工程。固井作业不仅关系到油气井能否顺利完成，还影响到投产后油气井的增产改造效能、单井产能的高低、油气井生产寿命的长短及油气藏开发的投资效益，固井工程的固定成本在钻井工程中亦占有相当大的比重。中国解放以来已经钻探了数十万口油气井，有不少于三分之一的井由于层间分隔不良而处于带病生产状态。石油企业如何促进固井行业的技术进步，如何通过技术改进提高固井行业的整体水平、解决行业生产难题，从而提升我国固井行业的国际竞争力呢？下面，我们将郭小阳教授带领的科研团队和成都欧美克石油科技有限公司共同助力大港油田、破解被困多年的历史难题案例进行详细了解。

大港油田的困境：历史难题如何破解

大港油田位于天津市滨海新区，是一个集石油及天然气勘探、开发、原油加工、机械制造、科研设计、后勤服务、多种经营、社会公益等多功能于一体的油气生产基地，勘探开发总面积达到18716 平方千米。许多业内人士认为，在历经半个世纪以上的开发之后，大港油田已经迈入“中老年”，勘探开发的潜力越来越小。大港油田开发已有逾50 年历史，已进入中生及古生界多油层高油气比油藏的开发中后期，稳产增产难度极大。为稳住当前产能规模，进一步挖掘增产潜力，石油工作者主要以加密定向调整井、分层开采、注水开发、酸化压裂改造的生产方式提高产能。因此，以层间分隔为主要目标的固井质量，对合理动用储层、保障增产改造效能、提高单井产量和开发方案的实施效果，起着至关重要的保障作用。第三采油厂是大港油田公司产量最大的采油厂，管辖着段六拨、枣园、王官屯、小集、乌马营、舍女寺、叶三拨等7 个开发区块；产能建设面临点多面广，井深不一、定向井眼轨迹复杂、钻井难度大和固井质量难以保证的挑战。尤其是段六拨区块，虽然经过油藏精细描述后，扩边及加密调整井的增产潜力大，但油层埋藏深、储层井段长，受长期注水与边水的综合影响，造成多套压力并存，油水关系复杂，导致该区块调整井固井质量持续多年处于较低水平，既影响油水层准确定位与射开厚度，又影响压裂改造效果，使油层生产能力不能充分发挥，成为老油田二次开发的“技术瓶颈”。为解决此难题，采油三厂产能项目部王海滨副主任多年来一直与多家科研技术服务单位合作攻关，尝试了多种技术方案，均未能突破该技术瓶颈。在认清现有开发状况与客观条件存在差距的同时，大港油田公司更看到了自身的优势，并且认为要实现大的发展，在勘探开发上取得重大突破，关键是依靠科技进步，只有科技才是大港油田腾飞的推力倍增器。

欧美克助力：克难攻坚风雨兼程

如何解决这些难题，王海滨副主任认为：必须寻找既凝聚科研力量，同时又具备实践指导能力的单位和专业人士。经过调研、寻访、筛选，成都欧美克石油科技有限公司进入他们的视线。这家公司与西南石油大学建立了“产学研基地”和“实践教学基地”，形成了“产- 学- 研”一体化科技体系。欧美克公司成立于2004 年，在成都双流建立了分公司——生产研发基地，在新疆轮台设立了西北项目部，在四川阆中、涪陵设立了西南项目部，在天津设立了华北项目部；主要从事石油工程技术开发研究，油田化学剂的研制、生产和销售，并提供专业化的现场工程技术服务。同时，在新疆成立德邦石油科技有限公司，开展钻井液材料和技术服务。公司针对固井技术难题反复进行“研究- 应用- 再研究”的过程，以达到持续改进的目的，在固井材料的研究、开发、生产、应用等多方面都具有很强的技术实力；以解决超深井、复杂井、疑难井的固井技术为重点形成了突出的专业特色和技术优势；其自主研发的油井水泥浆体系已广泛应用于国内各大油气田的数百井次固井作业。具备丰富的服务经验是欧美克公司的另一大优势，这家公司是中石化西北油田低密度水泥浆两家服务商之一，每年为西北油田提供40 井次以上的低密度技术服务，同时为西北油田提供50 井次以上的深井高温固井技术服务；在普光气田总体38 口井中，提供了35 口井的目的层固井技术服务；每年为南方勘探公司提供15 井次以上的高温深井固井技术服务；为油塔里木油田公司大部分井次的油基泥浆固井技术服务，每年40 井次以上；它承担全部壳牌四川页岩气井目的层和部分非目的层固井技术服务。它还依托于西南石油大学，承担深井复杂井水泥浆技术服务；是中石油集团和中石化集团供应商，成为塔里木油田分公司的长期协议采购单位和年度服务合同单位，并在该油田长期协议采购单位的综合评比中，连续多年被评为“优秀”。专业的人才储备也是大港油田选中欧美克的因素之一。欧美克公司以副总经理兼技术专家张兴才领导的技术服务团队，长期从事油田钻井、固井、完井工程和油田化学剂研究、体系设计和施工作业的专业工程技术。针对大港油田固井存在的质量问题，他亲临作业一线，与油田固井工程等方面的工作人员交流探讨并开展相关实验，针对问题提出了弹塑性速凝早强防窜防漏纤维水泥浆体系的技术方案。在项目前期，欧美克和大港油田的工作人员经过调查、研讨、协商，提出了方案。然而万事俱备，只欠东风。原因有三：其一是想顺利执行方案，必须先通过固井工程试验检验新体系的可行性；其二大港油田本身存在裸眼井段长、地层岩性复杂、井斜角大以及老区注水开发层位压力紊乱等技术问题，先期试验井质量虽有提高，但并未达到理想结果，相当棘手；其三是石油工程技术本身就是一项地下隐蔽性工程，它有固定作业成本，除技术可行性外还需要考虑开发经济性问题。正在为难之际，一个人的名字浮现在欧美克专家的脑海之中——西南石油大学“油气藏地质及开发工程国家重点实验室”的郭小阳教授。

工作交流

三方合作：理论与实践的完美结合

西南石油大学是新中国建立的第二所石油高校，其石油天然气工程学科是国家一级学科的重点学科，郭小阳教授是西南石油大学石油天然气工程学院教师，是该校油气井工程国家二级重点学科建设与“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室学术骨干；中国石油学会与国际石油工程师协会会员，中国石油与天然气钻井工程标准化委员会专家委员、中国石油学会固井学组副主任。从教多年来，他曾主持完成了国家、省部级和油田协作重大科技攻关课题60 余项，已获得国家科技进步二等奖1 项、省部级科技奖6 项。他善于综合应用地质、化学、流体力学和石油工程等多学科理论，以应用基础理论和机理研究为突破口，提出针对性、创造性强和应用效果显著的工艺技术。他带领课题组针对被国际权威机构认定为典型“特低渗”“超低渗”“低品位”、开采难度堪称世界之最的鄂尔多斯盆地油气资源，开展系列固井技术攻关，形成了一套有效保证固井质量的高韧性与强堵漏防漏固井技术，固井质量优良率达到98.1%，一举打破国外技术封锁，攻克了传统技术难以解决的“卡、塌、漏、储层伤害大”等技术难题，成为鄂尔多斯盆地中部延长组下组合找油突破的勘探理论与关键技术之一，取得极大的社会和经济效益，于2013 年获得国家科技进步二等奖。他带领团队历经近二十年锲而不舍的努力，依据紊流和塞流顶替理论，创新发展出层流流变性级差理论、多倍置换理论、前置液科学结构设计理论，自主研发出以抗污染隔离剂GYW201 和GYW301 为核心的高效抗污染隔离液体系。该体系被列为深井超深井、复杂井固井首选技术，先后在四川、塔里木等油气田成功应用，有效地保证了我国主力气田的高效、安全经济开发，产生直接经济效益数亿元，该成果于2013 年12 月获得四川省科技进步三等奖、中国石油和化学工业联合会技术发明三等奖。塔里木油田是我国西气东输的源头气田，储层埋深大、上覆岩层厚、低压井段多，为保证钻井顺利不得不采用多层套管井身结构，造成单井钻井投资大（亿元左右），井漏频繁、固井质量难于保证、投资效益差等，急需采用新工艺、新方法、新材料解决这个重大生产技术难题。有鉴于西南石油大学在复杂油气藏勘探开发技术领域攻坚克难的良好声誉，塔里木油田公司把这一艰巨任务交给了郭小阳团队。郭小阳带领团队以自主开发的新型超低密度大温差水泥体系，依据材料化学相关理论和有效层流提高顶替效率设计方法，在川庆钻井公司配合下，于2011 年7 月在中古52 井创造了超低密度水泥浆一次上返4500米、井底与井口绝对温差70℃、全井优质的国内单级固井记录；2011 年11 月，又在渤海钻探工程公司配合下，在中古514 井创造了低密度水泥体系一次上返封固5867米、绝对温差125℃、全井质量优良的当年一次性固井井段最长的世界纪录，为塔里木油田简化井身结构、降低建井成本的勘探开发井身结构方案奠定了坚实的技术基础，截止2013 年底，该油田已有23 口井采用了这项技术，单级固井最长井段达到6985 米，继续保持全球领先记录，直接经济效益突破亿元。2014 年，在哈萨克斯坦卡拉赞巴斯油田，郭小阳依据固井水泥浆失重原创性理论、设计方法和自主研发的KQ 系列防气窜剂，攻克了中国石油公司在哈萨克斯坦遇到的固井后环空带压井连年上升、竭尽三年努力仍无良策的难题，固井优良率达99% 以上，作业质量一举超过国外竞争公司，大大提升了中资公司海外竞争力。他承担的中石油重大科技攻关课题“陇东地区油井及陕甘宁盆地中部天然气井套管防腐和提高固井质量成套技术研究”，攻克了闻名全国的长庆油田井漏和套损重大技术难题，成功开发出抗腐蚀低密度水泥体系，已在全国应用和推广，产生直接经济效益数亿元，曾获中国石油天然气总公司科技进步一等奖；他承担的国家科技攻关课题“新疆克拉玛依水平井开采成套技术研究”成果，为新疆油田采用国际先进的特殊钻完井技术开发火山岩裂缝性油藏奠定了技术基础，曾获中国石油天然气总公司科技进步二等奖。郭小阳教授认为：大港油田调整井提高单井产能的技术关键之一是固井工程必须实现严密的层间分隔，层间分隔为储层分层开发提供选层射孔依据，选层射孔为注水开发提供驱替方案设计，合理驱替避免油层早期水淹，油水层调剖合理而不互窜才能保证长期有效的稳产增产效果。而要能实现严密的层间隔绝，关键在于提高固井质量。为此，他根据多年的科研积淀，针对段六拨固井质量现存问题，提出了硅基防塌钻井液改性、消除井壁虚泥饼、水泥浆防窜与防漏、提高顶替效率、压稳当量密度确定及两凝水泥浆稠化时间优化设计等具有针对性的意见和建议。大港油田的工作人员回去后随即开展现场实验，第一口试验井即获得了1200 米封固段全优的良好效果，进一步加深了大港油田与西南石油大学针对采油三厂调整井固井问题开展科研合作攻关的信心。在之后三个月中，他更是不顾北方冬季严寒与现场泥泞，多次带领团队青年教师和研究生亲临作业一线，与油田甲方、钻井、固井、地质、泥浆、测井等方面的工作人员交流探讨并开展相关实验，科学分析出了固井质量不良问题症结所在。在找到问题症结所在后，郭小阳夜以继日指导采油三厂和成都欧美克石油科技有限公司、渤海钻探第二固井公司进行固井实践，制定了科学合理的固井技术方案并亲临作业现场，把控现场施工每一个环节，紧密跟踪施工效果。最终，针对性的优化了欧美克公司的弹塑性速凝早强防窜防漏纤维水泥浆体系，确立了固井前调整钻井液性能与多周循环的技术措施，克服了新井裸眼井段长、地层岩性复杂、井斜角大以及老区注水开发层位压力紊乱等技术难点，连续在段六拨区块固出了12 口优质井，一举扭转了段六拨区块连续多年固井质量差的被动局面，此举在大港油田公司和渤海钻探工程公司引起了强烈反响。

团队合影

未来发展：油田技术探索永无止境

良好的固井质量为产层合理动用提供基础，使得增产改造效能增强。据大港油田的官方数据显示：在分层系开发仅射开50% 油层厚度的条件下，5 口井均试油投产，油井平均日产油15.69t/d，且地层含水率大幅降低（24.36%），较2011 年以来投产新井下降了26%。其中段39-38 井试油产量高，直接下泵投产，日产油达到15.31 吨/ 天，节省压裂改造费用200 万元；段38-46-1 井射孔后自喷，压裂后4mm 油嘴自喷日产油量达到35.8 吨/ 天，是邻井产量的2 倍以上，极大地提高了单井产能，为老区调整井的增储上产闯出了一条新路。这些成绩的取得使得大港油田对郭小阳团队以及欧美克公司所表现出来的专业素质赞赏有加，同时为双方在勘探开发领域雄厚的科技实力和攻坚克难的决心与毅力有了进一步的认识。全新的固井设计思想与工作方法已被渤海钻探工程公司技术人员广泛借鉴并应用，并以此建立了段六拨油田固井技术规范，同时为采油三厂和渤钻公司培养了多位固井能手。此外，郭小阳固井团队成员和欧美克公司还以“一家人”“一盘棋”的思想，主动参与到采油三厂产能建设中，用多年积累的经验为三厂产能建设和科学规划献计献策，围绕固井新工艺、新技术，针对采油三厂特殊井、复杂井、重点井深入开展支撑性、前瞻性施工技术研究，为大港油田能长期解决老油田调整井固井问题提供了良好的技术基础。老区挖潜是目前我国石油增储上产的主要技术途径，而调整井固井质量对提高老油田单井产能、增产改造效能和开发方案实施效果起着至关重要的保障作用，欧美克和郭小阳团队此次对大港油田调整井长封固段固井质量上的突破，成功破解困扰大港油田40 年的调整井固井难题，充分显示出其在石油固井工程领域的科研能力和地位，也标志着在我国各大油田调整井的增储上产方面闯出了一条科学技术转化为生产力的新路。“之前取得的成就，是我们通过科学的方法和技术途径，在固井领域做出了一些应用研究。事实上，这只是我们万里长征一小步，只是进行相关研究的开篇起航。今后，我们将会在横向上拓宽研究的领域，在纵向上深挖研究的深度。”欧美克的工程人员如是说。正是像郭小阳团队、欧美克公司和采油三厂这样千千万万的基层科研工作者，用他们的坚韧与顽强，责任与智慧，挺起了中华民族石油工业领域的脊梁，并赢得世界的尊重! 也是他们开启了科研领域的新篇章！