□王敏生 光新軍 閆 娜

在油氣勘探開發(fā)對象日益復(fù)雜、能源變革深刻演進(jìn)、“雙碳”目標(biāo)壓茬落實、大國競爭進(jìn)一步加劇的大背景下，油氣勘探開發(fā)面臨提速增產(chǎn)、降本減碳、綠色安全等多重壓力，石油工程技術(shù)創(chuàng)新越來越體現(xiàn)出價值驅(qū)動、一體化和跨界融合賦能等特征，跨學(xué)科融合應(yīng)用研究導(dǎo)向突出，技術(shù)創(chuàng)新競爭焦點趨同。

新材料技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)械電子光學(xué)技術(shù)等高新技術(shù)快速發(fā)展和向石油工程深入滲透融合，正不斷推動油氣產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和工程技術(shù)換代更迭。未來的石油工程技術(shù)創(chuàng)新，應(yīng)堅持使命導(dǎo)向和問題導(dǎo)向，面向未來場景和能源轉(zhuǎn)型的領(lǐng)先市場，立足廣跨界、深融合、建生態(tài)，超前布局技術(shù)經(jīng)濟(jì)制高點。

新材料技術(shù)

以智能材料、納米材料、復(fù)合材料、仿生材料等為代表的先進(jìn)材料，對石油工程技術(shù)創(chuàng)新有著重要的推動作用。先進(jìn)材料已經(jīng)在自愈合水泥、可膨脹聚合物、梯度材料焊接、耐磨及耐腐蝕工具表面處理等領(lǐng)域成功應(yīng)用。

自愈合聚合材料是一類能夠進(jìn)行自我修復(fù)的新材料，有助于提高井下工具、設(shè)備材料的壽命和安全性。其原理是一旦包含某種自愈合聚合材料微粒的物質(zhì)出現(xiàn)了破損，這些微容器便會破裂，釋放出愈合劑，愈合劑一般是相應(yīng)的未經(jīng)硫化的聚合物。愈合劑會滲入破損處，發(fā)揮聚合作用，從而修復(fù)破損區(qū)域。這一過程模仿的是生物組織的自愈功能，生物組織對破損的反應(yīng)通常是分泌愈合液。目前，自愈合材料已開始在油田應(yīng)用，斯倫貝謝公司研發(fā)了可自動愈合水泥環(huán)中微小裂縫的水泥體系（FUTUR）。該體系的泵入和充填方式與普通水泥相同，體系中的一些成分在接觸油氣之前一直處于休眠狀態(tài)，與油氣接觸后會激活這些自愈合成分，水泥環(huán)在數(shù)小時內(nèi)不經(jīng)人工干預(yù)便會自動愈合。這一特性會在水泥固化后避免許多不利情況，如套管外層間流體的竄流、持續(xù)的井口套壓、表層套管泄漏及交叉流動等。

可膨脹聚合物被用于膨脹式封隔器，用來進(jìn)行層間封隔和井筒控水。在層間封隔應(yīng)用中，將一系列未經(jīng)膨脹的油敏型封隔器下入井中。這些封隔器在遇到油后便會膨脹，從而封隔住地層，形成相互隔離的層段。控水應(yīng)用時，要在井內(nèi)下入一個未經(jīng)膨脹的水敏型聚合物封隔器。當(dāng)水侵入井筒時，封隔器便會發(fā)生膨脹，封住井筒，從而減少涌入的水量，提高油氣產(chǎn)量。膨脹式封隔器一般成本較低，沒有活動的部件，并且不需要機(jī)械或液壓傳動裝置，因此與常規(guī)的封隔器相比具有明顯優(yōu)勢。

由道達(dá)爾、殼牌、斯倫貝謝、貝克休斯等主要國際石油公司和油田服務(wù)公司組成的先進(jìn)能源財團(tuán)（AEC）專門致力于開展納米技術(shù)在石油工程中的應(yīng)用研究，研發(fā)地下微傳感器和納米傳感器，在三維空間感知油藏及其所含流體，以更好地表征油藏，助力有效開發(fā)油氣資源。

全球主要的石油公司、油田服務(wù)公司和油氣科研聯(lián)盟都在進(jìn)行納米材料技術(shù)的研究，極大促進(jìn)了井筒及注入流體、納米材料反應(yīng)劑、井下工具及管材表面處理技術(shù)的發(fā)展，但目前仍處于應(yīng)用的早期階段，主要困難在于井下惡劣的作業(yè)環(huán)境，包括高溫、高壓及各種腐蝕性流體。

數(shù)字化技術(shù)

進(jìn)入工業(yè)4.0時代，以數(shù)字化技術(shù)為代表的新一輪油氣革命拉開了序幕，數(shù)字化正與有形資產(chǎn)和系統(tǒng)相融合，形成一個一體化的“網(wǎng)絡(luò)+現(xiàn)實空間”——“物聯(lián)網(wǎng)”。種類繁多、功能強(qiáng)大的智能軟件的應(yīng)用，可對“物聯(lián)網(wǎng)”加以監(jiān)測和控制。

油氣行業(yè)數(shù)字化的構(gòu)成要素包括各類傳感器。它們收集數(shù)據(jù)流，通過監(jiān)測諸如石油鉆機(jī)、油藏儲層等系統(tǒng)，為其提供數(shù)字化表達(dá)。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對傳感器網(wǎng)絡(luò)生成的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行迅速處理和分析，使人們能夠在作業(yè)前和作業(yè)期間進(jìn)行模擬，從而實現(xiàn)結(jié)果優(yōu)化。機(jī)器智能的潛力是難以估量的，有人甚至預(yù)言，在某個所謂的技術(shù)“奇點”，計算機(jī)在某些方面將比人類更聰明。例如，人們應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法建模，可以對系統(tǒng)行為加以描述和預(yù)估。這些模型可分析、比較來自傳感器的數(shù)據(jù)集，進(jìn)而完成各式各樣的任務(wù)，例如發(fā)現(xiàn)潛在的油氣儲量、預(yù)測設(shè)備維護(hù)時間等。數(shù)字化技術(shù)正在促進(jìn)石油工程產(chǎn)業(yè)向技術(shù)密集、資本密集方向發(fā)展，助推鉆完井技術(shù)增儲上產(chǎn)、降本增效。

數(shù)字技術(shù)推動石油工程產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。石油公司著力構(gòu)建基于人工智能的數(shù)字業(yè)務(wù)模式和流程，將其應(yīng)用于生產(chǎn)服務(wù)、裝備制造等油氣上游價值鏈，提高生產(chǎn)效率和管理水平，促進(jìn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級。據(jù)埃森哲預(yù)測，未來3～5年，人工智能、機(jī)器人和可穿戴技術(shù)是油氣上游數(shù)字化技術(shù)中關(guān)注度增長最快的技術(shù)領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、移動設(shè)備、云計算是油氣上游數(shù)字化技術(shù)中投入最多的技術(shù)領(lǐng)域。

人工智能助力石油工程技術(shù)實現(xiàn)增儲上產(chǎn)。利用人工智能技術(shù)將靜態(tài)模型與地球物理解釋、油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，形成高精度預(yù)測模型，能提高地下油氣資源和儲層的認(rèn)識，優(yōu)化油田生產(chǎn)，提高單井產(chǎn)量。2017年11月，IEA（國際能源署）發(fā)布《數(shù)字化與能源》表明，數(shù)字化技術(shù)可使全球技術(shù)可采儲量在現(xiàn)有1.4萬億噸油當(dāng)量基礎(chǔ)上，增加750億噸（增幅5.4%），相當(dāng)于當(dāng)前全球年油氣消費量的10倍。殼牌公司利用高性能計算技術(shù)用海量地震數(shù)據(jù)生成詳細(xì)的可視化圖像，更快、更準(zhǔn)確地定位地下油氣資源，在美國墨西哥灣Deimos油田復(fù)雜構(gòu)造鹽下發(fā)現(xiàn)了超過1.5億桶石油，打破了以往該地區(qū)枯竭少油的觀念。

智能裝備賦能油氣降本增效。2018年，bp公司發(fā)布技術(shù)展望顯示，隨著人工智能、數(shù)據(jù)分析、傳感器、超級計算等數(shù)字工具應(yīng)用，可以降低油氣開采成本20%以上。在數(shù)據(jù)采集、傳輸技術(shù)發(fā)展的協(xié)同下，人工智能技術(shù)可以在鉆井設(shè)計、鉆井實時優(yōu)化、井筒完整性監(jiān)控、風(fēng)險識別、程序決策、預(yù)測性維護(hù)等方面發(fā)揮積極作用，實現(xiàn)降本增效。

智能鉆井技術(shù)正在改變現(xiàn)有作業(yè)模式。智能鉆井以自動化鉆井為基礎(chǔ)，基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)鉆井技術(shù)深度融合，智能化貫穿設(shè)計、作業(yè)、管理等鉆井活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能，代表鉆井技術(shù)發(fā)展的最高形態(tài)。

機(jī)械電子光學(xué)技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人、新型遠(yuǎn)程控制、微機(jī)電和光學(xué)等技術(shù)的快速發(fā)展，正在帶動石油工程技術(shù)整體創(chuàng)新。

工業(yè)機(jī)器人在智能工廠、家庭、醫(yī)療、航空航天和軍事等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，正在替代人類在骯臟、枯燥和危險環(huán)境下的作業(yè)。2021年，內(nèi)伯斯公司推出了陸地全自動鉆機(jī)PACE-R801，采用了Canrig機(jī)器人鉆井系統(tǒng)，實現(xiàn)了無人鉆臺，并在位于美國二疊紀(jì)盆地一口水平井中完成了測深6055米的鉆井作業(yè)測試，相對于該區(qū)域水平井平均鉆井天數(shù)減少了4天。隨著石油公司開始在深水、超深水區(qū)進(jìn)行勘探，鉆井水深極限范圍被限定在人為干預(yù)的最大深度。在采用專業(yè)潛水設(shè)備的情況下，這一范圍約為300米。載人潛艇是另外一個可行的選擇，但也僅能到達(dá)約600米的深度。超過這一深度時，只有選擇水下機(jī)器人（ROV）實現(xiàn)人為干預(yù)。因此，當(dāng)前在用的所有浮式鉆井裝置都至少配備一臺ROV。即使當(dāng)鉆井水深在人為干預(yù)的范圍內(nèi)，ROV也能替代人類進(jìn)行水下作業(yè)。

新型遠(yuǎn)程控制技術(shù)將在井下狹小空間發(fā)揮巨大作用，實現(xiàn)井下工具的遠(yuǎn)程控制。沙特阿美已經(jīng)應(yīng)用最大儲層接觸技術(shù)（MRC）在智能多分支井，可以在主井眼中鉆總長5千米與儲層接觸的多分支水平井，擴(kuò)大油藏泄油面積，提高油氣產(chǎn)能。該技術(shù)在致密、非均質(zhì)儲層應(yīng)用效果顯著。沙特阿美Haradh-Ⅲ油田有32口MRC井，每日產(chǎn)油量高達(dá)42857噸。然而，由于MRC 井的每個分支需要安裝機(jī)械控制管線至井口，以實現(xiàn)地面對井下分支的控制，導(dǎo)致每口井的分支數(shù)量受到限制。未來，極大儲層接觸技術(shù)（ERC）將采用無線控制技術(shù)，減少機(jī)械控制管線，增加井下分支數(shù)量，理論上分支井?dāng)?shù)量不受限制，在分支井中可安裝無限數(shù)量的控制閥。

在航空航天領(lǐng)域，微機(jī)電技術(shù)（MEMS）已經(jīng)被用來監(jiān)測關(guān)鍵元器件的結(jié)構(gòu)疲勞情況，其在石油工程中的應(yīng)用也具有很大潛力。沙特阿美開發(fā)的壓裂機(jī)器人FracBots是一種微型無線傳感器和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可用于實時繪制水力壓裂圖并監(jiān)控關(guān)鍵儲層狀況。該網(wǎng)絡(luò)基于磁感應(yīng)（MI）的無線傳感特點，可在地下油藏（非導(dǎo)電的介質(zhì)）中進(jìn)行可靠、高效的無線通信。目前，沙特阿美已完成FracBots硬件部分的設(shè)計和制造，下一步主要工作包括完善固件，研究其在高導(dǎo)電性多孔介質(zhì)中的聯(lián)通程度，進(jìn)一步微型化，提升無線通信和組網(wǎng)能力等。

微波技術(shù)已廣泛應(yīng)用于食品、通信、軍事等領(lǐng)域，國內(nèi)外針對微波鉆井正在進(jìn)行理論分析和室內(nèi)試驗。麻省理工學(xué)院研制出頻率為28赫茲、功率為10千瓦的微波發(fā)生裝置，進(jìn)行了室內(nèi)微波破巖實驗來驗證全微波破巖在干熱巖鉆井中應(yīng)用的可行性；麥吉爾大學(xué)建立了微波輔助破巖系統(tǒng)，設(shè)計了帶有微波天線的PDC鉆頭（聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭）；斯倫貝謝公司提出一套微波輔助破巖方法，微波照射巖石后再利用鉆頭破巖；斯倫貝謝公司還提出在鉆井液中加入特定化學(xué)試劑，利用微波輻射使其在泥餅上發(fā)揮聚合、交聯(lián)作用，使井壁更加穩(wěn)定。

（作者單位：中國石化石油工程技術(shù)研究院）

鉆井及壓裂數(shù)字孿生系統(tǒng)優(yōu)化現(xiàn)場施工管控

本報訊 截至目前，由勝利石油工程公司鉆井工藝研究院研發(fā)的“鉆井及壓裂數(shù)字孿生系統(tǒng)”已在牛頁和樊頁區(qū)塊連續(xù)運行9個月，在虛實同步、故障預(yù)警、遠(yuǎn)程巡檢、員工培訓(xùn)等方面發(fā)揮了重要作用，有助于進(jìn)一步提高運行效率、實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史數(shù)據(jù)，在虛擬空間中孿生物理世界實體裝備的全生命周期過程，通過虛擬世界仿真分析和預(yù)測，幫助人們以最優(yōu)結(jié)果驅(qū)動物理世界運行。目前，我國數(shù)字孿生技術(shù)正悄然走進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計制造、醫(yī)學(xué)分析、工程建設(shè)等領(lǐng)域，但在石油工程領(lǐng)域才剛剛起步。

2021年，勝利石油工程公司立項“鉆井及壓裂作業(yè)工藝工況孿生系統(tǒng)研發(fā)”科研課題，成功研制出國內(nèi)首套基于實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的鉆井及壓裂數(shù)字孿生系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用數(shù)字信息孿生場景映射出施工現(xiàn)場實時施工動態(tài)，現(xiàn)場人員及裝備情況一覽無余。遠(yuǎn)程用戶可操作計算機(jī)以第一視角身臨其境，進(jìn)行施工全過程現(xiàn)場設(shè)備巡檢和人員安全管控。

“下一步，研發(fā)團(tuán)隊將著手實施數(shù)據(jù)深度挖掘應(yīng)用，攻關(guān)搬遷安及鉆井參數(shù)優(yōu)化、井下三維地質(zhì)工程一體化等一系列應(yīng)用，助力石化油服‘四提’‘五化’再上新臺階、實現(xiàn)新提升。”勝利石油工程公司信息中心經(jīng)理何洪濤介紹。（王 寧 高 楊）

數(shù)字隨鉆測控助力高效勘探開發(fā)

本報訊 隨著油氣勘探開發(fā)向非常規(guī)、深水、深層、極地等資源進(jìn)一步拓展，要解決復(fù)雜鉆井環(huán)境下“看得清、找得準(zhǔn)、打得快”的核心問題，建設(shè)數(shù)字化大閉環(huán)智能隨鉆測控方法和架構(gòu)體系，成為油氣勘探開發(fā)持續(xù)提質(zhì)降本增效的必由之路。

經(jīng)緯公司在對大量地球物理測井和鉆井工程數(shù)據(jù)精心分析的基礎(chǔ)上，通過對井下數(shù)據(jù)測量、傳輸和控制系統(tǒng)等核心技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，研發(fā)了數(shù)字化隨鉆測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要架構(gòu)由數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、智能決策分析系統(tǒng)、人機(jī)交互、標(biāo)準(zhǔn)體系等組成，實現(xiàn)了井下鉆具組合選型、鉆前模擬、實時導(dǎo)向、鉆后分析等全過程數(shù)字化整合。利用該系統(tǒng)，可對鉆井參數(shù)、實鉆摩阻扭矩、隨鉆振動數(shù)據(jù)、ECD（當(dāng)量循環(huán)密度）數(shù)據(jù)等進(jìn)行實時分析，精確控制井眼軌跡，預(yù)警井下故障并及時處理，能有效提高鉆井效率，減少鉆井事故。同時，該系統(tǒng)建立了地層模型智能反演算法和鉆進(jìn)參數(shù)智能決策算法，能快速準(zhǔn)確預(yù)測儲層物性參數(shù)、機(jī)械鉆速和識別地層巖性，可最大程度提高儲層鉆遇率，助力高質(zhì)量勘探、效益開發(fā)。

（楊 震 王玉慶）

應(yīng)用光纖實現(xiàn)井下井上信息互聯(lián)

本報訊 隨著非常規(guī)油氣勘探開發(fā)技術(shù)深入發(fā)展，智能油田建設(shè)急需從單一的地面數(shù)字化拓展到井下井筒數(shù)字化，這也對井下參數(shù)監(jiān)測的可靠性、準(zhǔn)確性、實時性提出了更高要求。憑借比頭發(fā)絲還細(xì)的玻璃纖維——光纖，江漢石油工程公司科研人員不僅能清晰觀測到數(shù)千米井下的真實情況，而且能清楚“聽到”一口井每一個層段的產(chǎn)量情況。

如何才能保證細(xì)如蛛絲的光纖在150攝氏度以下的井筒內(nèi)不斷地傳輸數(shù)據(jù)？針對這個難題，科研人員圍繞非常規(guī)油氣井筒光纖智能建設(shè)需求，為光纖設(shè)計了一款耐高溫高壓的專用“沖鋒衣”——聚酯涂層和聚酰亞胺涂層，保證了光纖長期在-65攝氏度~150攝氏度的井筒內(nèi)能正常使用。不僅如此，他們還配套研發(fā)了系列油氣井專用高性能分布式光纖測溫和分布式光纖聲波監(jiān)測設(shè)備、光纜水平井下入安裝工藝系列、陣列式光電產(chǎn)剖儀器等核心技術(shù)產(chǎn)品，最終通過一根光纖實現(xiàn)了全井段溫度和聲波等參數(shù)測量，讓井下井上信息互聯(lián)互通。

截至目前，該公司累計完成光纖測試100余井次，通過開展固井、壓裂改造、生產(chǎn)、衰減、排采等全階段、全生命周期的光纖測試服務(wù)，有效提升了光纖下入、數(shù)據(jù)采集和分析解釋的一體化服務(wù)能力。

（吳麗萍 李 澎 孫文常）

多種新材料加入鉆井助劑大家族

本報訊 近年來，中原石油工程公司鉆井工程技術(shù)研究院堅持“單體—處理劑—體系”的研發(fā)思路，從源頭“功能性單體”入手，共研發(fā)出32種新型鉆完井液處理劑，并在順北、西南等多個現(xiàn)場廣泛應(yīng)用，收到良好效果。

在水基鉆井液方面，該公司研發(fā)的聚胺抑制劑、生物質(zhì)合成樹脂降濾失劑等系列助劑，解決了水基鉆井液井壁失穩(wěn)、高溫穩(wěn)定性差等問題。針對泥巖易坍塌地層研發(fā)的胺基抑制劑，可有效抑制黏土礦物水化膨脹，起到抑制防塌的作用，現(xiàn)場應(yīng)用260余口井；針對超深高溫地層研發(fā)的超支化乳液聚合物，具有抗溫性好、抗鹽性能突出等特點，現(xiàn)場應(yīng)用100余口井；針對環(huán)境敏感區(qū)域研發(fā)的抗高溫樹脂類降濾失劑，具有抗高溫、環(huán)保優(yōu)勢顯著等特點，現(xiàn)場應(yīng)用300余口井，最高應(yīng)用溫度205攝氏度，最高應(yīng)用密度2.35克/立方厘米。

在油基鉆井液助劑方面，他們研發(fā)出了高溫高密度乳化劑、球狀凝膠防漏劑、親油腐殖酸降濾失劑等系列助劑，適用于白油基、柴油基等各種油基鉆井液體系。針對深層高壓頁巖氣鉆探需求研發(fā)的高溫高密度乳化劑，現(xiàn)場應(yīng)用100余口井，具有加量低、乳化穩(wěn)定性好等特點，最高應(yīng)用密度2.45克/立方厘米，最大應(yīng)用井深8874.4米，助力順北53-2H井刷新了亞洲最深定向井紀(jì)錄；為降低油基鉆井液井漏損耗量研發(fā)的抗高溫球狀凝膠防漏劑，具有封堵防塌防漏性能突出、配伍性好等特點，現(xiàn)場應(yīng)用100余口井，大幅降低了因井漏而損失的鉆井成本，經(jīng)濟(jì)性顯著。（張 鑫）