10月下旬，第二十二屆全國探礦工程（巖土鉆掘工程）學(xué)術(shù)交流年會(huì )在山東威海舉行。中國科學(xué)院院士高德利作了題為“超深鉆采工程技術(shù)與裝備創(chuàng )新發(fā)展”的主旨報告。此前，他在“科學(xué)與中國”20周年大會(huì )暨“千名院士·千場(chǎng)科普”行動(dòng)啟動(dòng)儀式上作了題為“定向鉆井與油氣田高效綠色開(kāi)發(fā)”的科普報告，介紹了油氣鉆采工程領(lǐng)域定向鉆井技術(shù)及其在油氣田高效綠色開(kāi)發(fā)工程中的成功應用。在報告中，他表示：“能源很重要?？梢哉f(shuō)，當今社會(huì )如果沒(méi)有能源，則幾乎一切都要停擺。”
近日，科技日報記者專(zhuān)訪(fǎng)了高德利，聽(tīng)他講述科學(xué)家克服“入地無(wú)門(mén)”難題，巧用計“定向鉆進(jìn)”的故事。
定向鉆井技術(shù)助力油氣高效綠色發(fā)展
記者：您在前不久的“千名院士·千場(chǎng)科普”首場(chǎng)報告會(huì )上作了關(guān)于定向鉆井技術(shù)的科普報告。定向鉆井技術(shù)是什么，具有哪些特點(diǎn)？
高德利：所謂定向鉆井，就是控制鉆頭按照設計軌道或地質(zhì)導向破巖鉆進(jìn)，力求安全高效鉆達地下的預定目標，是現代油氣田高效綠色開(kāi)發(fā)不可或缺的主體技術(shù)之一。
最初人們只能打簡(jiǎn)單的直井，后來(lái)隨著(zhù)鉆井技術(shù)的發(fā)展，按照預定軌道鉆進(jìn)的定向鉆井技術(shù)應運而生。通過(guò)定向鉆井，可以基于同一個(gè)作業(yè)平臺有效擴大油氣田的開(kāi)發(fā)控制半徑及泄流面積。這既有利于提高油氣田的綜合開(kāi)發(fā)效益及最終采收率，也有利于降本增效、保護環(huán)境、節約作業(yè)場(chǎng)地等。
實(shí)際上，定向鉆井技術(shù)應用很廣。除油氣開(kāi)采外，這一技術(shù)還在資源環(huán)境和工程建設中具有廣泛的用途。比如城市建設中的非開(kāi)挖工程就需要使用定向鉆井技術(shù)，盾構機或挖掘機在隧道工程中的作業(yè)也類(lèi)似于定向鉆井。
定向鉆井具有實(shí)時(shí)測控難的技術(shù)特點(diǎn)。通過(guò)定向鉆井形成的三維井眼軌跡深入地層之中，看不見(jiàn)、摸不著(zhù)。地下工況往往很復雜，定向鉆井不僅要在漆黑一團的地質(zhì)環(huán)境中作業(yè)，而且還會(huì )在鉆進(jìn)過(guò)程中遇到不少阻礙。另外，定向鉆井是在鉆頭破碎巖石的過(guò)程中控制鉆進(jìn)方向并形成三維井眼軌跡的，其控制難度很大。
定向鉆井的另一個(gè)特點(diǎn)是通過(guò)隨鉆測量來(lái)確定其鉆進(jìn)方向。由于定向鉆井需要在地層中定向鉆進(jìn)，因此相比于在地面和空中作業(yè)，定向鉆井工程信息化難度要大得多。這背后的原因很簡(jiǎn)單——電磁波在地面和空中的傳播效果都很好，而一旦進(jìn)入地層就不靈了，地層強大的傳播阻力會(huì )使電磁波很快衰減成微弱信號。直到現在，這仍然是困擾隨鉆測量數據無(wú)線(xiàn)傳輸的重大瓶頸技術(shù)問(wèn)題，也導致定向鉆井在隨鉆測控方面遇到不少難以回避的困難。
記者：為什么一定要發(fā)展定向鉆井技術(shù)，它在促進(jìn)油氣田高效綠色開(kāi)發(fā)方面是怎樣發(fā)揮作用的？
高德利：以往的直井控制的油氣儲層面積很小，夠不著(zhù)遠處的油氣。而使用定向鉆井技術(shù)可以建設復雜結構井與叢式井。其中，叢式水平井就像樹(shù)叢一樣，通過(guò)一個(gè)平臺布設多口水平井。這樣可使一個(gè)平臺控制的地下儲層面積更大，從而有利于降本增效、保護環(huán)境、節約作業(yè)場(chǎng)地等。
如果待開(kāi)采的油氣藏位于生態(tài)保護區或其他特殊區域內，還可以采用大位移定向鉆井技術(shù)，做到保護與開(kāi)采兩不誤。例如，在灘海、湖泊、山區等復雜區域，可以發(fā)揮大位移定向鉆井的獨特作用，有效實(shí)現“水域油氣陸地開(kāi)采”、山區頁(yè)巖氣高效綠色開(kāi)發(fā)等目標。定向鉆井技術(shù)還成功地應用于地熱、鹽礦、堿礦及其他相關(guān)礦產(chǎn)資源的高效綠色開(kāi)發(fā)工程。
記者：當前國際定向鉆井技術(shù)發(fā)展到了什么階段，我國定向鉆井技術(shù)在這一領(lǐng)域處于什么水平？
高德利：井眼軌跡控制作為定向鉆井控制技術(shù)的核心內容，已經(jīng)歷了4次技術(shù)迭代與升級。
第一代定向控制技術(shù)利用一些特殊的工具和技術(shù)措施來(lái)控制井眼軌跡，主要方法是通過(guò)改變鉆具組合或使用造斜器來(lái)改變工具軸線(xiàn)與井眼軸線(xiàn)的偏離程度。這種方式只能實(shí)現簡(jiǎn)單的定向控制，井斜方位控制能力不足。第二代定向控制技術(shù)以渦輪鉆具、螺桿鉆具、測斜儀等工具為代表。第三代定向控制技術(shù)是以隨鉆測量工具和井下帶彎接頭動(dòng)力鉆具或彎外殼螺桿鉆具為代表，定向鉆井軌跡測量精度大幅度提高，并且實(shí)現了隨鉆定向控制。目前，第三代技術(shù)是定向井、水平井及叢式井定向鉆井軌跡控制的主流技術(shù)。
第四代定向控制技術(shù)工具的典型代表是旋轉導向鉆井系統。這是一種可以在鉆柱旋轉時(shí)實(shí)時(shí)控制井眼軌跡的導向鉆井系統，類(lèi)似于航空航天領(lǐng)域的導彈制導系統，可以自動(dòng)控制鉆頭，使其在地下油氣儲層中穿行。與常規定向控制工具相比，旋轉導向鉆井系統在軌跡控制精度、鉆井時(shí)效、井身質(zhì)量等方面具有明顯優(yōu)勢，是現代定向鉆井技術(shù)的發(fā)展方向。
國外也很重視這一技術(shù)，美國的斯倫貝謝、貝克休斯、哈里伯頓等著(zhù)名技術(shù)服務(wù)公司的相關(guān)產(chǎn)品代表了這一技術(shù)領(lǐng)域的國際領(lǐng)先水平。我國在這一技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，從20世紀80年代開(kāi)始跟蹤研究，在“十二五”期間取得了長(cháng)足進(jìn)步，目前國內多家單位已成功研制了旋轉導向鉆井系統。
當然，無(wú)論是國內還是國外，在提高定向鉆井技術(shù)水平上仍存在一些瓶頸問(wèn)題，比如隨鉆測量?jì)x器的測量精度、耐高溫高壓能力等技術(shù)指標仍需進(jìn)一步提高。
記者：促進(jìn)油氣資源高效綠色開(kāi)發(fā)，您還關(guān)注到了哪些技術(shù)路徑？這些路徑有什么應用前景？
高德利：除了定向鉆井技術(shù)，碳的捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)在石油行業(yè)也非常有發(fā)展前景。無(wú)論是人類(lèi)排放的二氧化碳，還是開(kāi)采油氣過(guò)程中伴生的二氧化碳，都可以利用CCUS技術(shù)加以適當處理。
一方面，我國油氣田里存在很多枯竭的油氣藏，可以作為儲存二氧化碳的空間。另一方面，將二氧化碳注入油氣層中，可以起到驅油氣的作用，有利于提高油氣采收率。另外，CCUS技術(shù)還可以用于捕集煤電廠(chǎng)等排放大戶(hù)排放的二氧化碳，以盡可能避免造成大氣污染。
記者：1997年，您曾主編出版《面向二十一世紀的能源科技》報告文集。26年過(guò)去了，您認為未來(lái)包括油氣勘探開(kāi)發(fā)在內的能源科技將呈現怎樣的發(fā)展趨勢？
高德利：我們在1997年的中國科協(xié)第21次“青年科學(xué)家論壇”上就已經(jīng)提出，面向21世紀的能源科技需要綠色與智能發(fā)展，要將“健康、安全、環(huán)境”的目標作為重要內容加以認真考慮，也提出了研發(fā)地下鉆掘機器人的設想。
我國目前還處于煤炭時(shí)代，煤炭在能源中的占比最高，達50%以上。從全世界范圍看，天然氣發(fā)展很快，可能會(huì )成為新“老大”。實(shí)際上，我希望我國能源發(fā)展能夠直接跨入氣態(tài)能源時(shí)代。氣態(tài)能源包括常規和非常規天然氣、地下煤制氣、氫氣等。其中，將煤炭在地下原位轉化為低碳清潔的氣態(tài)能源，可以有效減少二氧化碳排放。其主要原因是：一方面在于煤層氣資源量大但目前產(chǎn)量仍比較低，未來(lái)具有較大的增長(cháng)空間和發(fā)展潛力；另一方面是通過(guò)煤炭地下氣化，可以把煤渣等污染物留在地下，實(shí)現煤炭有效清潔利用?？傊?，我認為發(fā)展氣態(tài)能源是我國能源低碳綠色轉型的重大戰略舉措之一。
能源領(lǐng)域越來(lái)越需要協(xié)同創(chuàng )新
記者：一路走來(lái)，在成為科學(xué)家的道路上您面臨過(guò)哪些挑戰和機遇？
高德利：我們這一代比較特殊。1975年高中畢業(yè)后，我在農村過(guò)了3年，這期間當過(guò)獸醫助理，在果園工作過(guò)，搞過(guò)建筑，后來(lái)還當了一年半的中學(xué)老師。1977年恢復高考，我們有了考大學(xué)的機會(huì )。那時(shí)候復習時(shí)間很少，幸好我當時(shí)是中學(xué)老師，有學(xué)習的有利條件，就考上了華東石油學(xué)院，也就是今天的中國石油大學(xué)。
那時(shí)候，“科學(xué)的春天”來(lái)了。1978年，介紹陳景潤故事的《哥德巴赫猜想》發(fā)表了，全國科學(xué)大會(huì )也召開(kāi)了。當時(shí)，我們大學(xué)生沒(méi)有別的想法，都聚精會(huì )神地學(xué)習。在露天廣場(chǎng)里看電影也忘不了學(xué)習。電影開(kāi)始前，很多人在昏暗的燈光下學(xué)英語(yǔ)、解數學(xué)題等，爭分奪秒地刻苦學(xué)習。當年，盡管住得很差，校園設施也很差，但師資還比較好，尤其是大家的學(xué)習勁頭特別大。
我起初報的志愿是基礎類(lèi)專(zhuān)業(yè)，被調劑到了華東石油學(xué)院的石油開(kāi)發(fā)系工程專(zhuān)業(yè)。一開(kāi)始，我覺(jué)得這不是我喜歡的專(zhuān)業(yè)。但我的性格是不管學(xué)什么，都不愿意示弱，所以學(xué)習很努力，成績(jì)也挺好。大學(xué)畢業(yè)后，學(xué)校要留我當老師，但我周?chē)枚嗤瑢W(xué)都在備考研究生，對我觸動(dòng)很大。因此盡管當時(shí)剩下的備考時(shí)間不多，強烈的自尊心還是迫使我報考了研究生。我本來(lái)報的是本校，最后機緣巧合之下，到西南石油學(xué)院（現西南石油大學(xué)）的力學(xué)教研室學(xué)了我喜歡的數理類(lèi)專(zhuān)業(yè)。
1984年9月我通過(guò)了碩士學(xué)位論文答辯，10月離開(kāi)西南石油學(xué)院。因為我是在有充足陽(yáng)光的華北平原長(cháng)大的，難以適應四川的氣候，所以我回到華東石油學(xué)院開(kāi)發(fā)系任教，并在1987年考取該校劉希圣教授的博士研究生，成為本校油氣工程學(xué)科首批2名博士生之一。1990年，我被錄取為清華大學(xué)工程力學(xué)系博士后，1992年完成博士后研究并被晉升為清華大學(xué)固體力學(xué)副教授，之后又入職石油大學(xué)（北京），也就是今天的中國石油大學(xué)（北京）。從此，我好像“掉到井眼里再也出不來(lái)了”。我專(zhuān)心致志地從事油氣工程領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作，并擔任學(xué)科負責人，積極帶領(lǐng)本學(xué)科創(chuàng )優(yōu)爭先，使其成為國家“雙一流”重點(diǎn)學(xué)科，從而備受?chē)鴥韧怅P(guān)注。
記者：油氣勘探開(kāi)發(fā)的新趨勢給人才培養提出了哪些新要求？
高德利：在“雙碳”目標下，油氣勘探開(kāi)發(fā)的新趨勢給人才培養提出了更高的要求。從人類(lèi)“入地、下海”的高度來(lái)看，將來(lái)油氣勘探的范圍和難度都會(huì )增大，對專(zhuān)業(yè)人才的要求也會(huì )越來(lái)越高。
從事油氣工程這一行，首先肯定要在鉆探、開(kāi)采、儲運等方面具備扎實(shí)的基礎知識。此外，這些專(zhuān)業(yè)人才還需要具有多學(xué)科交叉背景。過(guò)去，煤炭、石油、天然氣、冶金等領(lǐng)域往往各自“畫(huà)個(gè)圈”謀發(fā)展，以后越來(lái)越需要跨行業(yè)交叉融合，共謀發(fā)展，以達到互利共贏(yíng)的目標。面對低碳綠色發(fā)展的大趨勢，能源領(lǐng)域越來(lái)越需要協(xié)同創(chuàng )新。比如，可以將油氣領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)應用到煤炭領(lǐng)域，將一兩千米以下的煤炭轉化成煤制氣、煤制油甚至煤發(fā)電進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，以確保綠色與安全高效生產(chǎn)。同時(shí)，建立“地下井工廠(chǎng)”也需要定向鉆井等鉆采技術(shù)作為必要支撐。
總之，新趨勢下，我們需要更有能力的有志青年來(lái)參與油氣勘探開(kāi)發(fā)。當前，油氣領(lǐng)域發(fā)生了很多變化?，F在，我們必須改變思路，越是這種艱苦但又不可或缺的行業(yè)，越需要有志青年來(lái)推動(dòng)發(fā)展，需要高水平人才和科技創(chuàng )新的支撐。來(lái)這個(gè)領(lǐng)域學(xué)習、成才、工作、貢獻，實(shí)際上是很有意思的人生之旅。
高德利，中國科學(xué)院院士，油氣鉆探與開(kāi)采專(zhuān)家?，F任中國石油大學(xué)（北京）石油與天然氣工程國家重點(diǎn)學(xué)科負責人、石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室主任、校學(xué)術(shù)委員會(huì )主任等。長(cháng)期從事油氣工程領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作，在復雜油氣井工程方面取得了重要研究成果。研究成果在陸上和海上油氣田有顯著(zhù)應用實(shí)效。
要成為一名科學(xué)家，必須從小養成良好的學(xué)習和生活習慣。要持之以恒、專(zhuān)心致志、鍥而不舍，有“釘釘子精神”，不能“三天打魚(yú)，兩天曬網(wǎng)”。
人的精力是有限的，要長(cháng)期沿著(zhù)一個(gè)你感興趣的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域與研究方向努力鉆研。大學(xué)階段用來(lái)打基礎，研究生階段就可以選擇一個(gè)具體的研究方向了。還要能夠繼續堅持，如果“一會(huì )兒做這個(gè)，一會(huì )兒又做那個(gè)”，很難做出原創(chuàng )性的、國際領(lǐng)先的學(xué)術(shù)成果。同時(shí)，良好的生活習慣有利于健康、學(xué)習和工作。
當然，科學(xué)技術(shù)創(chuàng )新有時(shí)候不能僅靠單槍匹馬，還需要團隊協(xié)作。尤其是對應用科學(xué)創(chuàng )新、從事技術(shù)發(fā)明的研究人員來(lái)說(shuō)，團隊精神越來(lái)越重要。實(shí)際上，很多技術(shù)都具有學(xué)科交叉特點(diǎn)，而非單一學(xué)科的科學(xué)問(wèn)題。一個(gè)人總是有短板的，再厲害的科學(xué)家也有短板，只有通過(guò)團隊進(jìn)行強強合作，才能夠把短板補上。如果不注重協(xié)同創(chuàng )新，不能形成一個(gè)配置合理的科研團隊，個(gè)人的短板就很難補齊，最終也會(huì )影響所追求目標的順利實(shí)現。
油氣
京公網(wǎng)安備 11010802020613號