探索钻井技术 助力石油开采

石油最早的记录出现在北宋。一个叫沈括的官员在他的作品《梦溪笔谈》中,记述了他在西北发现的一种可燃烧粘稠液体,并命名为“石油”,称“此物后必大行于世”。尽管大多数国人都为中国的地大物博而自豪,但新中国成立前弥漫在中国知识界尤其是地质界的贫油说,一直使他们难以摆脱自卑的心理。随着科学技术的发展,我国的石油工业蓬勃发展。而石油天然气钻井被誉为“石油工业勘探开发的钥匙”,张武辇和他的团队在促进我国钻井工艺技术水平和海洋油田开发技术水平向国际水平迈进上,做出了不可替代的贡献。

张武辇原是中国海洋石油南海东部公司总工程师并负责对外合作技术管理和兼任首席代表。1996年他带领中方专家组与美国菲利普斯石油公司合作,在中国南海钻成创世界纪录的XJ24-3-A14大位移井,荣获国家科学技术进步2等奖。主持和参与南海十多个深水油田开发工作,并于1999年被选入国家863计划海洋领域主题专家组,国家重大专项总体专家组,参与海洋油气科技重大专项研究工作,并自己担任课题长负责国家科技重大专项课题研究工作。作为石油科研工作中的佼佼者,他不畏过往,不惧未来,一直战斗在陆地和海洋石油勘探开发的第一线,2001年获得国务院政府特殊津贴褒奖。

2002年到退休年龄的张武辇谢绝了多家美国公司高新聘请,唯独选择了深圳远东石油钻采工程有限公司这家十分重视技术研发的专业公司,远东为他提供了施展才能的广阔平台。从“十一五”以来,远东公司在张武辇带领下,连续四个五年计划承担国家重大专项多项研究课题,配套企业资金几千万,胜利完成了国家重大专项研究工作,圆满完成国家技术验收和项目审计,获国家发明专利十多项,培养研究生7名,成套设备7套,获深圳市、广东省、国家各级科技进步一、二等奖6项。

实现工程化应用水平 奋战作业现场

“十一五”期间,我国海洋油气勘探深水水下井口系统切割回收技术的攻关被列入了国家重大专项科研项目中。中海油将“深水水下井口切割回收工具系统研制”子课题交由深圳市远东石油钻采工程有限公司来承担,张武辇任课题长。而且为了配合HYSY981平台深水钻井作业的急需,要求2013年要达到工程化应用水平。

本着认真负责精神,在有限费用条件下,张武辇及其团队自主研发配套完成了深水水下井口系统切割回收的机械切割和动力切割双系列装备和技术研究。通过现场实际作业应用,发现问题,改进完善,从2011年正式开始在深水平台对机械切割工具进行实际作业试验十几次,又对2013年以来组配的螺杆马达动力切割工具进行了多次实际作业试验,证实自主研制的深水外悬挂水下井口系统切割回收工具实现工程化应用水平。该装备是少数能在HYSY981超深水平台上使用的全国产化装备之一。

事实上,这种苦中作乐的情怀贯穿了张武辇他们团队的整个科研生涯,科研工作很苦很累很寂寞,但是他们却数十年如一日地秉持了一份对真理的执著追求——研究工作枯燥单调,遇到的困难数不胜数,但困难无法阻止他们前进的步伐,反而激发了他们更强大的战斗力。年过七旬的老人,为研发工作仍日夜和年轻人一样奋战在作业现场。

该系统工具近年完全替代外国公司完成深水水下井口切割回收,经过十三五研究完善,安全作业水深达1943米,国内唯一,国际上也只有少数三几家公司可以达到。(见图)

突破钻采难题 实现设备工程化

结合技术创新的发展战略,远东积极探索技术创新模式和科研机制,针对石油发展领域的难点问题,进行重点技术攻关,研制出一系列先进、高效的钻采工具,实现技术创新领域的重点突破。一路走来,在钻井技术的沃土上,张武辇和团队所有的人都在不断耕耘,不断收获,为了对付复杂地层钻井,对付超深水钻井需要,张武辇又带领远东一个研发小组,短短几年时间就研制出改变阀道系统的连续循环钻井装置,得到了苏义脑院士为首的顶尖级钻井专家的高度好评,并得到中石油川庆钻采院孙海芳院长等的重视,积极合作将该技术应用于空气钻井中。

而定名为FECCS的我国第一套阀式连续循环钻井装置,实现工业化的路程比样机研制过程要长得多,几乎用了近五年时间,其过程也艰难得多。

但不经一番寒彻骨,梅花哪得扑鼻香。张武辇及其团队孜孜不倦的前行,摸索。连续循环钻井装备和技术的研发成功,是经过几十次反复试验和实钻井才艰难地走到工程化的。特别要指出的是川庆钻采工程技术研究院以孙海芳院长为首的领导们高瞻远瞩,以集团公司重大科研攻关项目《连续循环钻井技术在空气钻井中的应用》为题,以他们强大的技术装备和组织一批精兵强将,应用远东FECCS阀式连续循环钻井装置,全力以赴联合组织了全套试验。

张武辇及其团队介绍,川庆院空气钻井公司多次出动了有空气压缩机、增压机、膜氮机、压力调控装置、过程控制记录装置等设备,设置了近20个岗位约40多人参加的地面模拟空气连续循环钻井的全流程试验。在井控中心教学钻机上测试其连续循环功能动作,流道转换与压力波动,压力调控与安全泄压,控制系统的压耗检测等功能;测试控制系统执行机构操作压力与电液操控准确状况,循环阀的高低压工况下的动态密封状况等一系列严格而认真的试验。正是这样艰苦而扎实的努力,才使他们不仅实现了以泥浆为介质的连续循环钻井设备工程化,并首创将连续循环钻井装备成功应用于多种介质的空气钻井中,取得了重大突破,实现了空气连续循环钻井工程化。对四川、新疆12口井,不同循环介质和不同钻井方式的连续循环钻井实钻试验,获得很大成功。

在新疆塔里木博孜101井创造空气钻井垂深达4652米最深记录。

现已完成电液控制系统五代机的研发,以连续循环技术为基础拓展的“多参数实时联动调控微压差连续循环钻井系统”做为高温高压钻井十大关键技术之一获得2017年度国家科技进步一等奖(见图3)八年实践实现海上35口井连续循环钻井零事故的骄绩。这一2006年国际IADC会议上获得“世界石油工程技术创新特别贡献奖”的新技术,在我国得以成功应用,张武辇功不可没。

携团队攻克难题 提出三连续钻井

石油钻井就是人们利用钻机设备,从地表向地下将地层钻成具有一定深度的圆形孔眼的作业工程。钻井过程中可以从该井眼获取岩屑砂样,地层岩芯,油层油砂等实物样品,该井眼也作为地球物理测井通道获取各种工程地质资料;也必须利用该井眼测试井下油气水及各种烃类产出情况;并利用该井眼完井开采出油气来……因此,石油天然气钻井被誉为“石油工业勘探开发的钥匙,”要打开石油工业这把锁,离不开石油钻井这把钥匙。钻头不到,油气不冒,没有油气钻井,就没有石油工业。三连续钻井技术是当今最先进技术装备的探讨,张武辇敏锐捕捉这一信息,又展开了对其关键设备系统的方向性研究。

什么是三连续钻井技术?三连续钻井技术指的是当下钻到底开始钻进,要做到以下三个连续不间断:井下连续循环不间断:保持钻井全过程井下平稳连续循环,即单根或立柱钻完了接立柱过程不停泵继续保持井下循环,这就消除了反复多次开停泵所造成的井下压力波动和ECD值的波动,提高井眼清洗效果,保持井内压力稳定,减少和消除波动压力和岩屑沉积造成的井下复杂情况,这是第一个连续;不停钻连续接立柱:可以在钻进地层建井的同时,在不停钻也不停泵的工况下,实现接立柱工序。难的是不仅保持井下连续循环,还要在保持连续钻进动态工况下接好立柱。这是第二个连续。

不停泵不停钻接立柱的连续钻进:钻头接触井底后实现100%的全程钻进,中途没有任何停钻出现,直到预计井深或钻头损坏不能继续钻进才停钻的连续钻进。这就是第三个连续了。三连续钻井技术将成倍提高钻井效率,也能成倍的降低油气田勘探开发的成本,意义重大。而该项技术革命的关键就在于要研发出一套适应于三连续钻井工艺技术特殊功能的新型钻井设备来。

探讨三连续钻井技术 实现关键设备设想

全液压主辅双联井架升降系统:包括主井架系统,顶驱升降架,配套立管循环系统,配套循环短接流道转换控制系统,下部位置信号线系统,辅助井架,主辅井架之间的平移顶驱滑道。主井架主钻柱起下钻,顶驱循环钻进等作业工序,辅助井架升降空顶驱,配合拆臂吊机准备新立根,接立根时可从辅井架平移带立根顶驱到主井架井眼正中与下部钻柱对中接立根。

合抱锁紧式特制双顶驱系统:包括立根上下两特制顶部驱动系统,循环短接外合抱锁紧承压5000PSI高压密封系统,循环短接上母扣端露出在顶驱上部正中位置,便于钻进过程中连续接立根,提供旋转扭矩,高压循环钻进功能系统等,双顶驱保持一个钻进另一个备接立根;管柱自动化处理系统:配有拆臂抓臂管吊机,动力猫道,管柱处理系统等。

滑套全通式流道转换循环短接及控制系统:配套电液控制系统开关短接下部侧阀滑套,操控侧阀孔开关的同时,驱动中心主阀自动关开,改变钻井液进出流道,保持井下不间断连续循环,它是接立根不停泵保持连续循环的关键设备。

风雨兼程五十余年 奋战石油勘探开发领域

人生如何不虚度,退休以后再出发。几十年如一日,年过七旬的张武辇仍然在为我国石油工业的发展而不懈地奋斗着,他深知目前我国油气勘探开发技术还存在许多挑战,很多问题都出在装备落后上,特别是海洋石油水下装备,至今仍然许多要靠进口。当年作为国家863专家组成员,他心急如焚,几十年如一日积极推动国产化装备的自主研发。特别是为了研制样机做现场试验,他不辞辛苦,四处呼号,寻找试验场所。他还亲自承担863、国资委重大专项水下装备研制课题,亲临试验现场主持试验工作,为了装备国产化,他呕心沥血,让人动容。

浩瀚的“石油精神”谱系,汇聚成宝贵的精神财富,成为激励一代又一代石油人干事创业,“我为祖国献石油”的强大精神源泉和不竭动力。不经一番寒彻骨,哪得梅花扑鼻香? 人生如何不虚度,退休以后再出发,张武辇做为一个努力的平凡人,堂堂正正做人,踏踏实实做事,老骥伏枥,兢兢业业,坚持科技自主自强,走好技术先导高质量发展道路。他的团队依旧奋战在研究石油开采技术的一线,继续在石油领域谱写人生的使命与价值。