跳出泥浆看泥浆——独家专访罗平亚院士

时间:2013-11-28 17:16 来源:《石油与装备》杂志 作者:赵云峰 点击:

2011年5月,中国石油集团召开全国第五次泥浆工作会议,距离上一次会议时隔近二十年。作为油气开发的领航者,如何看待中国的泥浆发展现状?对中国泥浆未来的发展又有哪些建议?带着这些问题,记者专访了著名油气开发专家、中国工程院院士、西南石油大学教授罗平亚先生。

我国泥浆的发展过程

《石油与装备》:自从您1973年参加“女基井”泥浆技术攻关,便开始了油田应用化学工程这项事业,请简单介绍一下它的发展过程。

罗院士:泥浆是钻井的一个部分,钻井工程本身就包括泥浆工程在内,它是为钻井技术服务的。泥浆随着钻井技术的发展而发展,也是根据钻井的要求而发展。钻井技术不断发展,包括速度快、稳定、质量高、不出事故等,因此对泥浆的要求也在不断地增加和变化。随着钻井技术的每一次进步,必然带来泥浆技术的进步;泥浆技术的进步,反过来又保证钻井技术的发展。这是对泥浆的基本认识,要弄明白这个关系。

水基泥浆发展最早,工程界把它的发展分为五个阶段:

自然泥浆。最初是清水,在循环过程中,泥土会混进来,循环几次后就成了真正意义上的“泥浆”。后来科学化后,钻井工作中需要的一种流体叫钻井液,俗名称泥浆。

细分散泥浆。为了达到泥浆的性能要求,土需要磨得很细,为了能够保证其稳定性,需要添加一定的化学稳定剂,即分散剂,这种泥浆就叫细分散泥浆。我国上世纪50年代从玉门油田开始就是细分散泥浆,那时主要添加的是黄土、烧碱、褐煤、单宁酸。

上世纪60年代,粗分散泥浆开始发展。钻井过程中会遇到地层中的盐和石膏,这些物质进入泥浆后,由于盐的电解质的存在必然使粘土的分散度下降,性能随之变差。起初遇到这种情况就想办法把损害去掉,但始终无法避免。后来逐渐发现不是一定要去掉,就利用它来维持我们所需要的泥浆性能,这就是粗分散泥浆。

不分散泥浆。随着钻井的进行,泥浆中混进来的粘土逐渐增多,而且也被泥浆中的处理剂分散后,泥浆密度、粘度、切力等急剧上升,而使其性能很快变差,这种从钻屑中混入的粘土应当及时除去,但由于泥浆中分散剂的作用,也被高度分散,而使现有的分离清除设备与方法都不能很好的发挥作用。只有让岩屑不被分散而保留较大的尺寸,才能使现有固相分离清除设备与方法很好发挥作用,为了及时清除钻屑、维持泥浆体系和性能的稳定,就有了不分散泥浆。原理即为首先保证进来的土不分散,如果分散开后加絮凝剂,又让它合并起来再除掉。

无固相泥浆,即为无粘土相泥浆。它目前还不能成为一代泥浆,因为在钻井过程中肯定要遇到土,若把所有的土都除掉作为目标,无论从性能、功能、成本和技术难度上都没有必要。我们目的是解决问题,而不是为一个概念。

回顾我们泥浆技术的发展,几个大的飞跃是随着钻井技术的飞跃而出现的。上世纪70年代为配合我国第一口超深井钻井攻关的需要,研发出深井高温水基泥浆,当时叫三磺泥浆、磺化泥浆,后来与聚合物泥浆相结合形成了聚磺泥浆,成为我国泥浆技术发展的一个重要标志。我们国家(包括海外)一直到现在深井和超深井90%还是用的这个泥浆技术。

文革后,国家发展高压喷射钻井,不分散泥浆随之开始发展。除了向国外学习,我们自己建立了两性离子聚合物泥浆。一般泥浆处理剂都是阴离子的,后来出现了阳离子的,但仍以阴离子为主。我们根据其作用机理,总结规纳了它们的优势与缺陷,提出两性离子泥浆,原理上它能够解决原来诸多解决不了的问题。这套泥浆虽没有更大规模发展,但它的思路理念是正确的,包括现在国外出现的氨基泥浆就是根据该原理发展而成。

随着油层保护技术的发展,对泥浆技术有了新的要求,便提出了保护油层的钻井液和完井液的概念,这方面主要形成了屏蔽式暂堵技术,它标志着我们泥浆技术的发展进入一个新的阶段。之前所述的这些发展在上世纪90年代初就已经基本完成了,此后我国泥浆技术主要是在原有基础上改进、提高和完善。这就是泥浆发展简要的过程。

深井复杂

井泥浆的一次大考

《石油与装备》:您指出我国泥浆技术的发展已跟不上钻井的要求,主要表现有哪些?是什么因造成了现在的差距?

罗院士:二十年前国内国外都对油基泥浆普遍存在着这样的观念:贵,因为油比水的成本要高;不安全,当时的操作环境恶劣,作业时钻台上会喷的到处都是油;使用油基泥浆比水基泥浆钻速要低;另外使用油基泥浆环保压力大。

现在反观油基泥浆的缺陷,国外通过技术进步和先进管理,问题已经解决:例如成本问题,现在实行工厂化操作,一片产区都使用油基泥浆,建立回收厂后,通过一套回收技术将油基泥浆回收,就可以反复使用,成本即可大幅下降;安全问题,现在是闭环操作,已经不是满钻台泥浆的时代了;关注的钻速问题,现在对于钻速的理念已经不同,国外使用油基泥浆的钻速比我们的水基泥浆快几倍。

然而,若干年来基于以上这几点,我们一直没有发展油基泥浆,致使到现在仍然习惯用水基泥浆。二十多年走过来,说明没有油基泥浆也可以,因为问题都解决了。但从最近十年来看问题就比较严重,因为我国深井复杂井数量的增加。

我国石油工业的发展和国外有很大不同,我国先前的开采范围都在国土范围以内;而国外石油工业的发展,特别是几个掌握科技前沿的国外大型石油公司,他们的业务主要不在本国,而在国外。国外企业把追求利益最大化作为目标,这个地区打井的难度大,他们就会去继续寻找相对好打的地区,就全世界来看,好打的地方就很多了。如果某个地方好打却遇到阻力,有时就会运用用政治、外交、军事的手段去解决。我们不能这样做的,要继续发展,战略接替区就在深部、复杂地区和地层。这对钻井的要求就更高,进而水基泥浆原来勉强能解决的问题和它本身的缺陷,就暴露出来。所以近十年来这个问题表现得很突出,可我们还在用水基泥浆“死撑”。

问题表现在几个方面:一是井壁塌、井壁不稳定。泥浆对地层中的岩石的水化作用,使得岩石的强度降低,井越深这种情况越严重、越复杂,但如果使用油基泥浆就没有这个问题;第二个表现是漏。堵漏已经发展成相当大的一个领域,它的难度是因为我们看不见、摸不着,井眼又很小,堵漏的材料还必须能够沿井筒送下去,井浅时相对来讲比较简单,遇到深井这个问题就很复杂;还有高压气层喷的问题很难处理,如遇到高压、含硫化氢,情况就愈发危险。

在深部情况下,井越深裸眼就越长,相对钻穿的地层层位就多、而且不同。其实最难的还不是这三点本身,而是这三种情况一起出现,即窄安全密度窗口。深部的漏失,本身解决起来就比较难,国内国外至今都还没有很成熟的技术,它再和喷的问题一起出现,那么泥浆中的密度只稍微波动,要么喷、要么漏,很难解决。这样的安全密度窗口虽然窄,至少还为正,如果安全密度窗口为零,即喷和漏是一个压力,怎么办?如果安全密度窗口是负,即漏失压力比地层压力低,解决起来就复杂的多了。因此在地层深部喷、漏、塌同时出现的窄安全密度窗口,是当前遇到的最为困难的问题。

可以这样认为,深井高温、高压和复杂地层带来的问题主要是泥浆问题并主要靠泥浆帮助解决。如果泥浆问题解决了,钻井装备和工具可以更好的发挥作用,或者可以帮助钻井装备和工具更好的发挥作用;如果泥浆问题不解决,钻井装备和工具的作用难以发挥出来。

要说差距,究其原因,我国的泥浆技术是从国外学来的。我们的优点就是跟踪能力特别强,国外的新技术、新装备,我们引进、消化、吸收、再发展的能力没问题。但从另外一个角度看,也存在着很大的隐患:真正重大的理论和技术问题,要靠原始创新,而我们这个能力不足,所以始终与国外保持着几年的差距。因为这些都不是我们的原创,所以始终跟在国外后面走,至今这个局面仍没有根本改善。

原始创新

油基泥浆发展的前提

《石油与装备》:请您谈谈对这次泥浆会议的感想。

罗院士:泥浆现在到了非突破不可的时期。喷、漏、塌、卡,所有这些都不是新问题,而是老问题,但我们一直没能很好地解决,这就意味着利用传统的理念、方法,是解决不了现在的问题的,而且国外又没有可借鉴的成果,所以我们必须自己通过科研去解决。

对于泥浆,我们很多时候谈的都是配方,一个体系配方,加多少、怎么加,然后用现在的方法做配方评价。当然这么做是对的,但是它解决不了现实问题。

在泥浆工作会上我提出:一定要跳出泥浆来认识和研究泥浆,然后再回到泥浆去落实。这实际上就是现在工程技术原始创新的必经之路。限于传统的理论和思路,很难有效解决现有的瓶颈性难题。必须在已有的技术和经验基础上,发挥优势、综合多学科知识和最新成果,深入研究其作用机理及内在规律,凝练新的科学问题、建立新的观点、新的方法,研发新的材料、新的工具,并形成新的技术。在此指导下优化集成现有处理剂、泥浆体系及应用技术,而产生新的配套系列技术,才有可能有效解决这些技术难题,提高我国钻井液、完井液技术的整体水平。

当然这不是短时间就能完成的,我们一年一年做下去,终究能够成功。

目前攻关的主要方向,我认为还是这几大难题的评价方法和评价标准的建立,当然这是在新理念的指导下。

合作与奉献

专家的感悟并不难懂

《石油与装备》:如何看待基础科研与生产的关系?

罗院士:牵涉到基础科研方面,企业和院校要很好的结合,必须要这样做。

 

真正做到原始创新,一定要从基础开始。第一步要提出正确的基础问题,第二步要有能解决这个基础问题的能力,第三步解决基础问题后要有转化成实用技术的能力。这个过程就要求企业和院校密切结合,各有分工、各有侧重,形成合力。

 

若要企业或其相关研究单位做到把基础问题抽提出来,是还有一定难度的,但只有他们才能把问题全部展现出来,所以学校要与企业合作;另外只有多学科协同才能解决的问题,单纯靠企业是有困难的,院校必须紧密结合,企业也需

要配合来做,即为产学研用相结合。

世界高校的发展,最早是传授知识,后来又产生知识,现在还要求成为高新技术的源头。工科院校必须为工业服务,但院校的服务主要是研究原创型技术、研究新方法,成为新技术发展的源头。当然对国外技术的学习和发展工作是应该做的,但不应是学校主要的任务,学校主要分析趋势、找难题、预测难题,抽提、归纳、凝练出基础理论,然后利用多学科知识和理论以及最新科技进展来解决这些问题……当然,在企业和学校配合科研的过程里,很重更要的是要有一个学科带头人,能够对所有环节都有很深的了解和把握,并能团结一批人,这是能够成功的重要因素。

当前,在高校的科研工作中,存在着急功近利现象。踏踏实实的搞科研是需要有奉献精神的。因此高校的科研工作,如果奉献精神不占据主导,这个现象就不能消除。这就要靠学校的思想政治工作,引导教师真正有为国家做出成果的奉献精神。团队精神也很重要,其实就是要互相要珍重,彼此包容。

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