新型完井工具

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中国海油实现我国完井防砂技术重大突破!

中国海油实现我国完井防砂技术重大突破!

石油钻具带着十几层楼高的送入工具,从渤海湾两公里地层深处缓缓带出井口,亮闪闪的金属体上留下黄褐色的腐蚀斑点。


1月3日,中央电视台报道:“中海油宣布我国海底防砂技术获得重大突破,我国自主研发的国产化防砂工具在渤海成功地完成了一趟六层砾石充填防砂作业。中海油成为继贝克休斯和哈里伯顿两家国际公司后,全球第三家系统掌握防砂技术的公司。”同日,新华社播发新闻通稿《我国油田防砂技术实现重大突破》。十天内,各大媒体发表相关消息260多篇。


这是我国一趟多层防砂首次“破六”,作业难度极大,就连外国公司都没有在渤海湾实现这一突破,他们最多干了一趟五层。


井下防砂难在工具,防砂工具素有“油井之肾”之称,它准确安装在几千米深的井下,有选择地防砂,既能牢牢将地层中如头发丝粗细的砂粒防住,也能放行,确保原油顺畅流出,使油井“健康长寿”。


历史往往垂青矢志不渝的追寻者。从1992年起,美国贝克休斯公司在渤海油田实施防砂,此后独领风骚20年,时光定格在2014年,在渤海18口防砂井和110口防砂井两次招标中,海油发展工程技术公司击败三大国际巨头,拿下全部合同。凭借一流的完井防砂技术,海油发展工程技术公司每年可为中国海油降低成本1亿元。


中国海油,近三十年的摸索百折不挠,近十年的攻关目标恒一不变,管窥世界一流完井防砂技术,我们看到海油人创新的自觉、机制的活力、技术的自信和开拓的不息。


简易防砂从陆地油田起步


受条件所限,海上油田的完井防砂都是永久性防砂,必须做到“精装修”。


现任海油发展副总经理、工程技术公司总经理的杨立平是中国海油完井防砂技术的第一代拓荒者之一。他常说的话是“深入现场”“大胆尝试”“持续创新”“不断优化”“别搞砸了”,他甚至“苛刻”要求,各所属单位、机关各部门“一把手”上交的《工作月报》必须亲自手写,“捞干的”说,没有特殊情况限定在两页之内。


1989年,杨立平从中国石油大学石油开发系钻井工程专业毕业,正赶上渤海油田开发开放时期。那时的中国海油国内原油年产量约百万吨,工作量不是很多,采油公司派出杨立平等一批大学生到胜利油田和大港油田分别实习半年。


在胜利油田,杨立平见识了陆地油田简易的完井防砂:就是将预砂管直接下到油井里面,每隔三个月取出来换一次,虽然成本低廉,但是防砂效果不太理想。杨立平说,“如果把钻井比作盖房子,那么完井就是内部装修,防砂是大部分油气田完井的主要工作”,如果把陆地油田的完井防砂比喻为“粗装修”,受条件所限,海上油田的完井防砂是永久性防砂,必须做到“精装修”。


中国第一口多层防砂井由贝克休斯在渤海湾试验


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1989年到1999年是国外先进的防砂技术垄断渤海油田的十年,也是中国海油引进、消化、吸收防砂技术的十年。


1989年到1999年,杨立平作为现场负责人在渤海油田干了十年的完井防砂。这十年是国外先进的防砂技术垄断渤海油田的十年,也是中国海油引进、消化、吸收防砂技术的十年。


早期的防砂作业是一趟一层充填防砂,每完成一口井的防砂作业,起下钻要好几十趟,费时费力。


1997年,优快钻井技术在渤海湾大面积推广,平均机械钻速提高3.6倍,平均建井周期由37天缩短到7.79天。优快钻井倒逼完井提速,一直在渤海油田进行防砂作业的美国贝克休斯公司决定,要在中国首次进行One-Trip(一趟多层防砂完井,俗称“糖葫芦”)试验。



全球第一口一趟多层完井防砂井是贝克休斯公司1983年在美国加利福尼亚实施的,但是当时的技术与现在不同。因为担心One-Trip在渤海湾出现砂卡,贝克休斯公司把美国休斯敦总部的完井防砂设计团队全部搬到渤海湾。“几千米的井下,一把砂子就能把防砂管柱牢牢卡住,一旦砂卡,整口井就有可能作废,2000万元的钻井投资就会化为乌有。”杨立平说。


防砂工具——那些黑色的大管子如此金贵,乘坐飞机从美国来到中国。第一口井一趟两层,第二口井一趟三层,均取得成功,但在某口井砂卡还是发生了,好在前后花了一个半月,动用了连续油管和水力切割打捞,总算解卡。


从1998年开始,一趟多层(最多到五层)充填完井防砂技术在渤海湾大面积铺开。


中国“工具手”全面替换“老外”

中国“工具手”迅速掌握了专业技能,英语水平很快得到提高,两年之内全面替代了外方人员。

2001年,油公司上市,杨立平从甲方的完井防砂总监成为乙方实业公司的“一把手”。他带领386人的监督队伍作为中国海油当时唯一的一支监督监理力量,面对海上100多个承包商,为油公司提供钻完井监督技术服务。“这就要求我们必须专业精、协调好、英语棒。”


管理体制发生了变化,杨立平看问题的视角明显不同了。他经常思考这样的问题:外方人员一天的人员费就是800美元,整个平台有十来个外方人员,为什么需要这么多外方人员?为什么必须用外方人员?我们招聘的大学生怎么就不行?

杨立平硬是创造了中国海油的一批新岗位——ToolHand(工具手),他要完成一场史无前例的“人员置换”。几个中国“工具手”走上平台,给外方人员打下手,外国人摆摆手,连说:“NO!NO!NO!”杨立平急了:“为什么不用?大学生工作热情高,穿上工服就想干活儿。”外方说:“完井防砂英文专业性很强,大学生现场对话反应不过来。”


杨立平立马推出被人们津津乐道的“双赢”机制:一个“工具手”替换掉一个外方人员,一天奖励200元人民币!一个中国“工具手”一天的人员费是300美元,这样就能为甲方节约500美元,何乐而不为?


那个时候,钻井总监的工资一天还不到100元,对于海油第一批没有住房补贴的社聘制大学生来说,一天收入200元,简直是天文数字。中国“工具手”迅速掌握了专业技能,英语水平很快得到提高。范白涛、司念亭等十多位大学生成长起来,两年之内全面替代了外方人员。


第一个国产化防砂工具铩羽而归

这次“风波”让大家对外国工具肃然起敬,这样的工具在当时的中国还制造不了。

防砂人员完成了替换,但核心防砂技术依然掌握在外国人手里,防砂工具国产化的道路依然曲折。


1998年,贝克休斯的一趟多层防砂技术刚刚推行的时候,现场的中方技术人员在心里嘀咕:“这东西真有那么难吗?”但随后出现的一场“工具风波”让中方人员对外国工具肃然起敬。


一次,有一个防砂工具从井里捞了几次没有捞上来,中外技术人员现场分析,认为是射孔作业把防砂工具掩埋了,就下工具打捞,但一次次扑空,最后下小尺寸卡瓦打捞筒,总算捞了上来。现场总监杨立平把外方负责人、在贝克休斯公司干了几十年的印度人姆鲁训了一顿。年龄比杨立平还大十多岁的姆鲁并不吭声,表示接受批评。但是过了两个小时,姆鲁直奔总监室:“Mr.Yang,请跟我到甲板去!”


姆鲁指着打捞上来的工具说,这不是他们制造的,他们的每个工具都有钢号,而这个却没有。姆鲁随手拿来一个螺母对着工具一敲,工具表面留下一个浅坑,姆鲁使劲儿敲了敲他们的工具,没留下任何可见痕迹。

杨立平一看,这个工具粗糙得就像是“地摊货”,显然没法和贝克休斯公司像“工艺品”一样的工具比。


事后调查了解到,这个工具是中方一位老专家在陆地研制的。他说:“一个小东西这么贵,有啥了不起?”就仿造了一个“一模一样”的,经试验没问题就放到了外方的工具库里。


大家分析,中国第一个防砂工具存在两方面的问题:一个是英制转成公制,影响了精密度;另一个是我们的工具材质偏软,打捞了几次后就抓不住了,掉到了井筒里。这次“风波”让大家对外国工具肃然起敬,这样的工具在当时的中国还制造不了。

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“适度防砂”理念先行

“适度防砂”理念很快成为中国海油完井防砂的主流认识,“中国特色”的防砂理念为渤海湾完井防砂技术带来了巨大变革。

国产化防砂工具在防砂难度极大的渤海湾遭遇“滑铁卢”,但是实践出真知,国产化防砂理论却逐渐跻身世界前列。

在渤海辽东湾实施大规模防砂后,有的油井产量低于ODP报告预期,进行了酸化处理后效果依然不明显。大家经分析认为,这是由于防砂过度,原油和砂粒都被防住了,影响了原油产量。


2002年4月,中国海油钻井工作会议上,时任总公司副总经理周守为提出了“适度防砂”的技术思想,要求完井从完全防砂转向适度防砂,让细小微粒在随原油适当流出的同时,疏通油流通道,有效增加液体的流动能力。周守为要求技术人员解放思想、大胆尝试。


完井防砂技术推广应用项目组负责人、现任海油发展工程技术工具公司副经理的陈胜宏在读研究生时就把完井防砂作为研究方向。入职海油后,他把渤海油田所有防砂井进行统计,透过防砂“大数据”探索防砂技术的规律,指出防砂工具尺寸的选择、防砂工艺技术的参数选择是一个系统工程,尤其到油田开发中后期,需要进行精细化“适度防砂”。“适度”到什么程度,必须结合油藏实际进行科学计算,既不能影响ODP报告产量,又不能影响完井防砂作业。


“适度防砂”理念很快成为中国海油完井防砂的主流认识,“中国特色”的防砂理念为渤海湾完井防砂技术带来了巨大变革。

工具结构专家“横空出世”

年轻一代科研团队气势如虹,不仅将永久放到井下的外层防砂器材实现了“国产化”,而且将包括中层和内层在内的所有防砂工具实现了“国产化”。

2004年,在推行“适度防砂”理念的同时,完井防砂技术上升为国家“十一五”到“十三五”重大专项的子课题,海油发展工程技术工具公司总工程师左凯作为项目负责人,率领由8人组成的研究团队向国产化防砂工具发起冲击。


有的甲方领导担心这项技术在海上出问题,反对防砂工具搞“国产化”,拍着桌子对杨立平说:“外国的技术就是好,我们就用外国的。”杨立平平心静气地说:“我们海油从1982年搞改革开放,实行‘拿来主义’,一直在引进、消化、吸收。20年后的今天,我们总得扔掉洋拐棍,进行自主创新,拥有我们自有的工具技术。”


当时中海石油研究中心大力支持杨立平的观点,认为海油应该有“海油化”的核心技术。虽然6年前“工具风波”的阴影还在心头挥之不去,但此时此刻杨立平如此坚定地推进防砂工具“国产化”,是基于科学的判断。他看到,当时国内的彩电、冰箱、汽车等行业出现了大量的“中国制造”,而且打进了国际市场,民族工业加工制造能力和水平得到了很大发展,防砂工具“国产化”的时机已经成熟。


正如杨立平所料,2006年5月,左凯科研团队先从简单的防砂工具做起,与国内测绘加工制造能力一流的军工企业合作,稳步推出具有自主知识产权的产品。短短5个月过后,他们就向顶部封隔器和坐封工具研制发起冲击,2007年10月,完成了第一套自主化防砂工具试制,2007年11月起,开始向剩余规格防砂工具系列“国产化”迈进。


左凯说:“我一见到防砂工具眼睛就发亮。”深夜,他一个人抱着测量工具来到甲板上,拿起外方的防砂工具,一边拆卸,一边测量,一边拍照。这个时期,外方发现左凯登上平台后的第一反应就是抱起小件的防砂工具藏到房间里去。他们说,只要左凯看一眼,就能琢磨设计出比他们的工具还要好的工具。一时间,平台上的外国人中间流传着一句“经典”的话:“防火防盗防左凯。”


厚积薄发,势不可挡。那时,左凯天天看《海上日报》,外方防砂工具出现了问题,他最快三天就能设计、研制、测试并替换上一套新工具。左凯率领年轻一代科研团队气势如虹,不仅将永久放到井下的外层防砂器材实现了“国产化”,而且将包括中层和内层在内的所有防砂工具实现了“国产化”。


2009年12月,自主化防砂工具在陆地试验成功。2012年12月,“海油化”防砂工具在中石油辽河油田通过现场试验。2013年1月,“国产化”防砂工具技术在渤海湾一举成功。自主化防砂工具技术体系获得25项国家专利。左凯科研团队所著的《防砂工艺技术》作为教材由石油工业出版社公开发行。


十年来,科研人员绘制了上千张图纸,研制了近百种工具,让3层管柱由内到外精确配合,使防砂工具一趟五层充填多达45次,在地下几千米实现了误差为毫米级的精准定位。同时,80多道密封模块让管柱不同层间实现封隔,8个流体通道精确切换导通,最小防砂层间距可达4米,远低于进口工具的10米,使更多薄油层的分层开发成为可能。



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材料工程师的奇妙世界

如果没有对材料学精到的研究,最终研制出来的产品就会“金玉其外败絮其中”,通过现场测试几乎是不可能的。

杨立平说,中国完井防砂技术实现重大突破,离不开关键的“三剑客”,除了防砂理论领军人陈胜宏、工具结构专家左凯,另外一个就是材料学传奇才女孔学云。防砂工具能够完美地呈现在人们面前,三个人缺一不可。


孔学云是内蒙古科技大学材料学硕士,防砂工具由研发变成结构精密的工具实体,要靠她对钢材和橡胶组分进行的奇妙设计,才能耐得住井下的高温高压、千磨万击。防砂工具的钩爪差上几毫米,就会导致井下无法正常坐封。防砂工具对于密封性有着苛刻的要求,一个配合面的粗糙度不满足设计条件,就会导致井下漏失。一个工具的几十个零部件,有的需要“坚硬”,有的需要“弹性”,有的需要“记忆”,有的需要“耐腐蚀”,有的需要“真空热处理”……如果没有对材料学精到的研究,最终研制出来的产品就会“金玉其外败絮其中”,通过现场测试几乎是不可能的。


办事认真快捷的孔学云,把材料形容为“中药”,每一个防砂工具零部件的材料都有它自己独特的“配方”。她研制的井下销钉可以承受几十公斤到几吨不等的耐压,该锁定工具时纹丝不动,该放开工具时坚硬的金属销钉一瞬间就被液压剪短,绝不藕断丝连。


在孔学云的参与下,2013年6月,完井防砂软硬件工具通过API(美国石油学会)技术认证,满足了推广要求。

“海油化”防砂工具走向陆地,走向海外


在某油田34口井的防砂作业中,“中国军团”8个作业点同时展开作业,令外方异常惊讶,倒逼外国公司防砂作业主动降价30%以上。

将一项创新的技术应用于海上油田绝非易事。海上打一口井动辄一两千万元,失败不起,所以一个根深蒂固的观念是,“海上油田不是试验田”,必须在陆地油田推广应用成熟后才能出海作业。


杨立平说,海油发展工程技术工具公司经理张文虽然是一员女将,但是在完井防砂工具“海油化”的过程中立下了汗马功劳。张文一次次带着防砂工具赶到辽河油田、胜利油田推销完井防砂技术,坚忍不拔。在寒冷的冬季,张文站在零下几十摄氏度的辽河油田钻井平台上,盯着工具下井,眼眉都挂满了白霜。


2013年,“国产化”防砂工具进行了100多次车间密封性试验、4次井下功能试验后开始在海上油田大范围应用。一上手,几乎清一色的一趟五层防砂,其中一口井的防砂段总跨度相当于3个渤海石油大厦A座的高度。漂亮的作业,标志着中国海油具备了高难度井防砂作业能力。在某油田34口井的防砂作业中,“中国军团”8个作业点同时展开作业,令外方异常惊讶,他们不能相信中国海油这么快就完全达到了高强度、高速度的防砂作业水准。“中国军团”的凌厉攻势,倒逼外国公司防砂作业主动降价30%以上。


防砂技术来自海外,又走向海外。2014年12月,中国海油完井防砂技术进入印尼油田。截至2016年1月3日,“海油化”工具累计实施221井次防砂作业,保障了油田按时投产、增产和稳产。同时,形成了一支100多人的高水平防砂技术专业化队伍,带动了中国海油内部和外部技术研发、加工制造企业的发展,为中国海油创造了一个新的产业。

走向国际一流没有奥秘,成为国际一流有许多奥秘,波澜壮阔的大海知道,中国有一个完井防砂的传奇故事。


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