自古创新多艰辛 不忘初心砥砺行

刘 佳

当今世界，大国博弈从某种程度上来讲就是能源博弈。

作为世界上最大的发展中国家，中国是一个能源生产和消费大国，但因为供需矛盾越来越突出，我们对外依存度在年年攀升——2019年，我国石油对外依存度达到了70.8%，天然气对外依存度达到了43%。扭转这种被动局面，已经是箭在弦上，不得不发。

为此，国家提出要大力提升国内油气勘探开发力度，以保障国家能源安全。但我国油气资源主要集中在深层或多是非常规资源，资源品位差，地质条件复杂。提升我国钻完井工程技术成为必由之路。

经过多年科研攻关，我国钻完井技术取得了重大进步，实现了关键技术装备的国产化，形成了较为完善的技术体系，基本满足了我国油气勘探开发需求。但一些关键核心技术依然存在短板，技术装备还受制于人，突破那些“卡脖子”短板位置的钻完井关键核心技术，对打破国外封锁、支撑油气勘探开发、引领未来技术发展具有重要意义。

肩负使命，勇敢向前。手握“创新”这把提升我国油气工程技术水平的“金钥匙”，中国石化集团石油工程首席专家、石油工程技术研究院副院长曾义金和他带领的团队这些年来长期致力于复杂深层钻井理论研究和关键技术研发与工业化应用，为提升我国油气工程技术核心竞争力、复杂深层油气高效勘探开发水平做出了一系列可圈可点的卓越贡献。

钻出一片“深”天地

中国的油气资源丰富，但地质条件十分复杂且开发成本高。随着中浅层油气勘探程度的提高以及方法技术的进步，油气勘探向深层领域延伸已成必然。深层油气资源的接替直接关系到我国能源保障能力的提高。

我国深层油气资源丰富，陆上39%的剩余石油资源和57%的剩余天然气资源分布在深层，但它们的探明率较低，分别仅为12%和6.3%，所以深层油气资源是我国增储上产的重要领域。

国际上把井深超过4500米的井称为深井，超过6000米的井为超深井，超过9000米的井为特深井。深井超深井钻井技术是一个国家钻井水平的重要标志。

虽然意义重大，但对我们国家来说，要挺进地下深处，谈何容易。深井超深井钻井到底有多难？对此，曾义金有着深刻的体会：“我国深层油气埋藏的地质环境极端复杂，高温、高压、高应力，普遍存在盐膏层、岩石坚硬、缝洞发育等，由于各种复杂因素共存、叠加影响，钻井中容易引起‘涌、漏、塌、卡、斜等复杂事件，钻井速度慢、钻井周期长、作业成本高，因此，深井超深井钻井是行业内公认的世界级难题。”

明知山有虎，偏向虎山行。虽然面对的是世界级难题，曾义金和他所在的团队并没有想过要放弃——从“九五”计划开始实施起，依托国家重点基金、原国家“863”、重大专项等项目课题，他们以四川和塔里木盆地为对象，将研究重点聚焦在深井超深井钻井关键技术与装置的提升与研发上，着力“提速、提效、提产”发起了持续攻关。“提速就是破解岩石高效破碎的原理与方法，提高地层钻井速度，延长一趟钻的钻井时间；提效就是降低井下复杂时效，保障井筒稳定，不喷、不漏、不塌；提产就是井眼穿行甜点区，延长水平井长度，沟通有效储层，提高单井产量。”凭借清晰的思路、目标和方向，多年埋首耕耘，曾义金及其团队收获了硕果满园。

针对提速，他们通过大量的室内研究和现场大数据分析，找到了钻速慢的原因，并提出了高效破岩新机制，创制了高温高压下新钻头和提速新工具，构建了深井提速技术。应用新技术后，破岩效率、工具寿命和性能显著增加，深井钻井速度提高35%～56%。

针对提效，他们心知解决地层、井筒失稳问题是高效成井的关键，这个问题在深井超深井钻井中非常突出。为此从解决机理入手，他们提出了裂缝、破碎地层和盐膏层控制方法，开发了新型堵漏新体系和钻井液体系，构建了盐膏层套管设计及复杂地层井眼稳定关键技术。相关技术应用使一次性堵漏成功率由32%提高到 84.5%，复杂失效由23%降到4%～8%，井下无卡钻、套管无损坏。

针对提产，他们研制了轨迹测量高温仪器、定向钻头、定点酸压工具，开发了环保型低摩阻钻井液、耐高温酸液，形成了超深水平井随钻精准钻井和高效开发技术。他们还创新技术助力深层油气开发，使得水平井中靶率达到了100%，水平段延伸能力提高了60%，有效储层钻遇率达到91%，显著提高了油气产量。2020年5月1日中央电视台报道的塔里木盆地高产发现的日产油450多方的顺北71X井就应用了相关技术。

曾义金还组织研发了高温高压环境下钻井液、水泥浆等配套技术与工具。技术创新使钻井周期缩短近50%，成本降低35%以上。支撑了元坝、塔河、顺北等我国超深层大型油气田的勘探开发。技术进步使过去钻不成的井变成能钻成，没效益的储层变成了高效油气区，钻成了塔深1、川深1、顺北鹰1井等30余口井深超8000m的高难度井，多次刷新亚洲直井和世界超深水平井最深纪录，使我国深井超深井钻井技术走在了世界的前列。

揭开非常规油气“面纱”

21世纪初，北美页岩气革命成功改变了世界地缘油气格局，也深刻地影响了我国。页岩气作为一种非常规清洁能源，在我国也成为勘探开发的热点，同时也开拓了钻完井技术创新发展的新途径。

“页岩气高效开发依赖于水平井钻井和分段压裂技术进步，由于我国地面、地下条件的复杂性，北美页岩气工程技术不能复制，必须建立适合我国的自主化工程技术。”曾义金说。与北美页岩气区相比，我国页岩气主要集中在四川盆地及周缘，地处山区，埋藏更深，受多期次强烈的造山构造运动影响，主力储层倾角大、有效层位薄，地质条件更复杂，钻完井工程面临着一系列技术挑战。曾义金作为中国石化工程技术领域带头人，冲在前头，承担起带领团队用创新攻克系列难关的重任。

“页岩气开发工程技术对我们来說是全新、空白的领域，在开发初期，关键技术主要依靠国外，成本高不说，效果还差。举步维艰让我们意识到只有依靠自己创新技术来开发才会有效益可言。”曾义金说。从2010年开始，他带领团队从学习北美技术入手，针对涪陵页岩气特点开展关键技术研究。为了更好、更快地发展技术，他每个星期都要组织团队召开研讨会，明确技术方向，解决关键难题。同时和中科院武汉岩土所、中国石油大学、A&M大学、油田企业等密切合作，形成产学研多学科研发机制。通过不断研究与实践，在国内率先实现了页岩气自主化开发工程技术系列，已授权发明专利100余件。

春播一粒粟，秋收万颗子。针对水平井钻井，曾义金及其团队建立了适合我国储层特性的开发工程关键技术理论，形成了地质工程一体化设计技术，开发智能化实时精准导航技术，研制了高性能钻井液等，构建了“山地”井工厂水平井优快钻井技术，使得钻井周期由百余天降到45～60天，有效储层钻遇率达95%；针对分段压裂，他们研究了裂缝形成规律，研制了高减阻滑溜水体系及系列分段压裂工具，形成了缝网压裂控制方法；针对环空密封失效，他们还揭示了水泥石和套管损伤机理，提出了有限位移套管损坏机理，开发弹韧性水泥浆体系，制定了相应的控制技术，使得井口带压井由85%降低到10%以内，套损率降低了68.5%……当一个又一个自主创新的技术被开发出来，曾义金及其团队在地层深处奏响了一曲来自中国石油人的自强之歌。

这一系列自主创新的技术支撑了我国第一口勘探突破井——焦页1HF井的开发，为涪陵页岩气100亿方产能建设提供了技术支撑，使我国成为继美国之后第二个成功开发页岩气的国家，工程成本降低了35%以上。

“我国深层、常压页岩气还没有实现效益开发，陆相页岩油气才刚刚开始，还有很多难题需要攻关。可以充分地相信，我国非常规油气开发工程技术会不断完善。”虽然研究取得累累硕果，但曾义金及其团队并没有因此停下脚步，转身投入到新的战斗中。

突破“卡脖子”短板技术

深井钻井技术的竞争归根结底是核心技术装置的竞争。不可否认，我国深井钻井技术虽然取得了长足的进步，但与国外先进水平相比还有不少的差距，许多方面受制于国外。

“上游的卡点主要在油气工程领域，代表钻井技术最高水平的旋转导向系统、高温高随钻测井＼测量仪器被国外公司所垄断，它们处于卡脖子核心部位。”曾义金对造成这一局面的关键点有着清醒的认识。落后就要挨打，严峻的形势让他意识到，必须要立足于自主创新，打破垄断，才能让我国深井钻井技术迎来新的春天。

“高端产品研发和成熟定性周期长，涉及知识的复杂性、嵌入性和技术诀窍”，曾义金说，“其重大技术突破的商用生态依赖性强，需要在实践中不断试错和测试、完善，积累大量经验数据来持续提高性能”。根据这些认识，曾义金以问题、目标为导向，组织全院做好顶层设计，统一思想认识，坚持研发、生产、应用一体化发展模式，取得了良好的效果。

面对核心技术被封锁和文献资料稀缺的处境，曾义金及其带领的研发团队没有丝毫退缩，而是勇敢、坚定地开启了自主创新的征程。他们选择以高温高压随钻测井、随钻测量仪器作为突破口，对标国外最先进的技术，从一个个电子元件的筛选、一块块电路板设计入手，通过单元、模块、连桥和模拟井的反复测试，经过几年时间的磨炼，最终使得产品技术室内性能达标。

“但室内达标只是第一步，大规模应用才是目标，否则实验室‘样品性能再高，也难以形成商业价值。”带着技术产品惠及应用的梦想，他们和油田企业展开了密切的合作，对研发的产品不断在现场油气井中检验，通过多轮次的现场实验，在大量的数据分析和发现问题的基础上，不断修正设计方案、改进材料和结构、完善制造标准，最后达到工業化产品定型。

俗话说“十年磨一剑”，日积月累的坚持努力终于有了回报，曾义金及其团队研制的随钻测井、测量仪器取得了重大突破。他们借鉴地面通讯基站原理，独创了井下信号中继技术，实现了电磁信号接力传输，在国内外首创了中继式双信道井眼轨迹随钻测量系统，并实现了工业化应用。仪器耐温达到175°，解决了电磁波传输深度受限和空气钻井轨迹测量的难题。他们研发的“电磁波-泥浆脉冲”双信道一体化传输平台，使该测量系统可以“全天候”在井内复杂流体中实现测量，比国外同类产品要先进；基于磁偶极子原理，研制的随钻电磁波伽马、电阻率成像系统也开始规模化应用，在涪陵页岩气、顺北超深层水平井钻井中发挥了作用，并不断取代国外产品，有效储层钻遇率从64%提高到95%以上，显著提高了钻井效率和油气产量，钻井成本明显降低。

科学探索永无止境，据了解，曾义金及其团队正在研制的旋转导向系统也进展顺利，已经完成了模拟井测试，正在进入现场试验阶段。对未来，曾义金充满信心：“中华民族是勤劳的民族，外国人的封锁，只能激发我们的爱国热情和聪明才智，他们能做到的我们一定能做到，只要持之以恒，‘卡脖子问题都能被解除。”

创新引领重大技术

近年来，在党中央“建设世界科技强国”的号召下，中国石化确立了“两个三年”和“两个十年”发展目标。根据集团公司上游“稳油增气”战略需求，中石化工程技术研究院按照技术发展战略布局，正在制定“十四五”发展规划，他们聚焦油气工程基础前沿和勘探开发主战场，以补短板和关键技术的创新为突破口，大力攻关面向未来、关系长远发展的“卡脖子”重大关键技术，支撑当前、引领未来。

正如中国工程院苏义脑院士所说，钻井技术发展追求的目标是实现“更快、更便宜、更安全、更聪明”。中国石化未来国内油气重点领域仍然是深部和非常规油气，要实现目标需求还面临众多的技术难题。为了应对国际油价剧烈震荡的影响，中国石化油气及新能源板块提出了“提质、提速、提效、提产”工作部署及攻克高温高压随钻测控等关键技术，而曾义金作为中国石化石油工程领域首席专家，责任很重，压力很大。但他仍坚定地表示，会按照集团的要求，责无旁贷地扛起重任，组织团队集中精力攻关制约当前发展的高端技术，持续攻克“卡脖子”短板技术，以满足复杂对象和复杂环境优快钻完井要求，实现低成本、油气高效开发的目标。言语朴实，但也尽显了他求真务实的科学素养。

持续组织重大关键技术攻关的同时，曾义金还带领团队对中国石化重点地区钻完井技术开展了评价，希望找出问题症结，明确攻关方向，对成熟技术进行固化，通过技术示范，以实现技术系列化、标准化、模块化和降本增效、提升技术水平的目的。

物联网、大数据、云计算、人工智能、智能材料等高新技术的快速发展，催生了新一轮科技及产业革命，也将曾义金和他带领的团队推向了风口浪尖。“油气技术正在进行第五次技术革命，智能化技术是重要的标志，智能化钻完井技术将成为油气增储上产、降本增效的有效手段。”“油气工程技术跨界融合不断促进油气工程技术升级换代，加速了油气勘探开发的转型升级，将产生新的重大技术和颠覆性技术。”新一轮科技竞赛一触即发，为抢占制高点，国外大公司都增大了技术投资，发展迅速。曾义金及其团队也是扬鞭奋蹄、与时俱进。“第五次技术革命是我国追赶和引领的机遇期，要紧紧抓住，不要形成新的短板，甚至再次被人‘卡脖子”，带着这样的想法，他承担起中国石化智能化钻完井技术项目研究，加快推进信息技术、人工智能、通信技术的融合，为最终实现井下-地面-远程钻完井自动化智能化闭环控制技术目标奋力拼搏。

当前，全球科技竞争不断向基础科学研究前移，基础科学研究日益成为科技创新的核心动力。很早以前，曾义金及其团队就意识到创新的重要性，“我国油气工程技术原创性技术还不多，要充分发挥基础研究对科技创新的源头供给和引领作用。”曾义金说。多年来，他带领团队坚持将基础研究作为重点关注的方向，聚焦油气工程关键核心技术的解决，发动起相关领域众多涉及其中的基础学科，如信息、机械、电子、化学、材料领域的专家，发挥社会力量联合攻关，众人拾柴火焰高，取得了不错的成绩。

以中国工程院马永生院士牵头的勘探开发工程技术基础研究联合基金项目，聚集国内相关人才资源開展攻关，其中包括钻完井新理论和超高温MWD与远/前探测技术基础。作为攻关核心成员，曾义金感到有压力也充满信心，他说，在马院士的带领下，通过这个项目的基础研究，将会产生一些新的技术理论和方法，为“卡脖子”重大技术攻克和原始创新技术的重大突破提供战略支撑。

“创新之路是艰辛的、寂寞的，甚至会面临失败，但只要我们直面问题、迎难而上，一定能够在国际竞争中实现超越。”对未来，曾义金一如既往充满信心，他说：“科学研究是我少时的梦想，我会不忘初心，在科技创新的大路上砥砺前行。”

专家简介

曾义金，教授级高工，中国石化集团石油工程领域首席专家，中国石化石油工程技术研究院副院长，页岩气富集机理及有效开发国家重点实验室副主任，国家页岩油气研发中心副主任，中国岩石力学与工程学会深层岩石力学专业委员会副主任。长期致力于复杂深层钻井理论研究和关键技术研发与工业化应用，先后主持国家和省部级项目50多项，取得了系统的、创新性的成果，创造了重大经济社会效益，为我国复杂深层油气、非常规油气勘探开发和钻井技术进步做出了突出贡献。获得国家科技进步奖二等奖3项，省部级科技进步奖一等奖6项，是新世纪国家百千万人才工程国家级人选，国务院政府特殊津贴获得者，发表论文105篇，出版著作5部。