光新軍 王敏生 葉海超 皮光林

（中國石化石油工程技術研究院）

2018年，我國石油和天然氣進口量分別達4.4×108t和1254×108m3，對外依存度分別攀升至69.8%和45.3%。為此，國家提出要大力提升國內(nèi)油氣勘探開發(fā)力度，保障國家能源安全。油氣工程是決定油氣勘探發(fā)現(xiàn)、提高產(chǎn)量、實現(xiàn)經(jīng)濟開發(fā)重要的決定條件。通過闡述我國油氣工程技術在油氣勘探開發(fā)中的作用，分析我國油氣工程領域存在的“卡脖子”技術瓶頸，結合內(nèi)外部環(huán)境變化對油氣工程“卡脖子”技術的需求，提出我國油氣工程“卡脖子”技術發(fā)展對策建議，對于提高我國油氣勘探開發(fā)效益、保障國家能源安全具有重要意義。

1 油氣工程技術在油氣勘探開發(fā)中的作用

油氣工程投資約占據(jù)上游投資的60%，油氣工程技術及裝備的水平?jīng)Q定了可開采資源量及開采的經(jīng)濟性，其在增儲上產(chǎn)、降本增效、推進油氣勘探開發(fā)轉型升級方面正扮演著舉足輕重的作用。

1.1 油氣工程技術進步拓寬了油氣勘探開發(fā)領域

隨著深水鉆井、超深井鉆井、水力壓裂等油氣工程技術的快速發(fā)展，拓寬了油氣勘探開發(fā)領域，實現(xiàn)了深水、深層、非常規(guī)等油氣資源的經(jīng)濟有效開發(fā)。全球海洋鉆井作業(yè)水深、超深井鉆探深度紀錄不斷刷新，2011年Transocean公司在印度海域創(chuàng)造了3107m的世界海洋鉆井作業(yè)紀錄。2019年，中國石油天然氣集團有限公司在塔里木盆地鉆探的輪探1井完鉆井深達到8882m，刷新了亞洲陸上最深井紀錄。水力壓裂技術也由簡單的低液量、低排量壓裂增產(chǎn)方法發(fā)展成為常規(guī)開采技術。據(jù)EIA統(tǒng)計，美國水力壓裂井生產(chǎn)的天然氣占天然氣總量的2/3左右，生產(chǎn)的原油占美國原油總量的1/2左右。據(jù)BP公司預測，目前全球已發(fā)現(xiàn)的油氣資源量為55×1012bbl油當量。通過當今的技術可對其中的1/10進行開采，即4.9×1012bbl油當量。隨著技術不斷進步，預計到2050年，可開采油氣資源量將提高30%以上，達到7.3×1012bbl油當量，能夠滿足全球能源消費需求（圖1）[1]。

圖1 油氣工程技術創(chuàng)新提高油氣可采資源量

1.2 油氣工程技術進步大幅降低了油氣勘探開發(fā)成本

隨著“一趟鉆”鉆井技術、水平井超級壓裂技術等油氣工程技術的不斷完善，實現(xiàn)了非常規(guī)油氣、低滲透—特低滲透油氣的經(jīng)濟高效開發(fā)。近年來，工程技術進步使美國頁巖油氣作業(yè)效率提高50%～150%，單井鉆完井成本降低20%～30%，圖2為北美頁巖油氣鉆完井成本變化情況[2]。頁巖油開發(fā)盈虧平衡點由2013年的70美元/bbl降低至2018年的50美元/bbl，部分優(yōu)質(zhì)核心區(qū)盈虧平衡點僅為37美元/bbl。技術進步引發(fā)的美國頁巖油氣革命，扭轉了美國石油和天然氣產(chǎn)量下跌的趨勢，深刻影響了世界能源格局。2018年12月，美國頁巖油產(chǎn)量為99.18×104t/d，占美國原油生產(chǎn)總產(chǎn)量的60.9%；美國頁巖氣產(chǎn)量為18.43×108m3/d，占美國天然氣總產(chǎn)量的60.3%[3]。

1.3 油氣工程技術跨界融合促進了油氣勘探開發(fā)轉型升級

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、智能材料等高新技術快速發(fā)展，催生了新一輪科技及產(chǎn)業(yè)革命。油氣工程技術跨界融合不斷促進油氣工程技術升級換代，加速了油氣勘探開發(fā)的轉型升級[4]。殼牌石油公司利用高性能計算技術，將海量地震數(shù)據(jù)生成詳細的可視化圖像，為更快、更準確地定位地下油氣資源提供技術支持，在美國墨西哥灣Deimos油田復雜構造鹽下發(fā)現(xiàn)了超過1.5×108bbl石油，打破了以往該地區(qū)枯竭少油的觀念。智能化鉆完井技術正在改變現(xiàn)有作業(yè)模式，海洋智能鉆井全景[5]組成詳見圖3。①虛擬生態(tài)系統(tǒng)：通過數(shù)字孿生技術提高設備可靠性、優(yōu)化設計；②多學科協(xié)同工作流：連接傳統(tǒng)孤立流程，實現(xiàn)勘探開發(fā)一體化協(xié)同；③數(shù)據(jù)中心：建立數(shù)據(jù)標準，構建鉆完井數(shù)據(jù)分析平臺；④鉆完井區(qū)域作業(yè)中心：監(jiān)控現(xiàn)場作業(yè)，為鉆完井現(xiàn)場作業(yè)提供支持；⑤自動化鉆機及配套設備：實現(xiàn)自動化控制；⑥平臺機器人：機器人干預的海上操作；⑦井下測傳控系統(tǒng)：實時獲取井筒相關數(shù)據(jù)。納米材料、智能材料等新材料與油氣勘探開發(fā)工程技術不斷融合，納米鉆井液體系、形狀記憶聚合物防砂篩管等已經(jīng)投入現(xiàn)場應用，未來可能會給油氣工程技術帶來顛覆性變革。

圖2 北美頁巖油氣鉆完井成本變化

圖3 海洋智能鉆井全景示意圖

2 我國油氣工程“卡脖子”技術

經(jīng)過多年科研攻關，我國油氣工程技術取得了重大進步，實現(xiàn)了關鍵技術裝備的國產(chǎn)化，形成了較為完善的技術體系，基本滿足了我國油氣勘探開發(fā)需求。但在精細勘探技術、深海油氣工程技術、超高溫井下工具、高性能智能導鉆技術、油氣儲層精準改造技術、地質(zhì)工程一體化決策技術等高端技術方面還存在“卡脖子”技術瓶頸，一定程度上影響了我國油氣的高效勘探和效益開發(fā)。

2.1 精細勘探技術

當前，油氣勘探面臨的地層環(huán)境越來越復雜，對勘探儀器的精度要求越來越高。組件式百萬道級地震儀器可以通過組件增減快速實現(xiàn)有線或節(jié)點模式采集，滿足不同施工環(huán)境下的勘探需求，是提高油氣藏發(fā)現(xiàn)的重要手段。目前，法國地球物理公司地震勘探儀器具備100萬道的采集能力，能滿足不同環(huán)境作業(yè)需求，國內(nèi)沒有相應的產(chǎn)品可替代。光纖地球物理采集系統(tǒng)以光纖為媒質(zhì)，光為載體，感知傳輸信號，具有工作頻帶寬、噪聲低、靈敏度高等特點，是高溫高壓、強電磁強輻射油氣勘探的關鍵技術。目前國外公司只提供技術服務，我國自主研發(fā)的系統(tǒng)在背景噪聲、靈敏度及去噪能力方面與國外公司還存在一定差距。

2.2 深海油氣工程技術

我國南海油氣儲量巨大，地質(zhì)儲量約為230×108～300×108t，占我國油氣總資源量的1/3，其中70%蘊藏于500m以上的深水區(qū)域[6]。目前，我國建成了海洋石油981、藍鯨1號、藍鯨2號等鉆井平臺，但是核心裝備、操控系統(tǒng)依賴進口；深水浮式生產(chǎn)儲油平臺還不具備建造能力；水下油氣處理設備處于起步階段。挪威Equinor公司的海底工廠水下油氣處理設施（圖4），可實現(xiàn)海底增壓、海底氣體壓縮、海底分離與產(chǎn)出水回注系統(tǒng)和海底輸配電等，提高了油氣采收率，減少了對環(huán)境產(chǎn)生的影響[7]。

圖4 海底工廠水下油氣處理全景

2.3 超高溫井下工具

我國深層油氣資源豐富，陸上39%的剩余石油資源和57%的剩余天然氣資源分布在深層。另外，深層油氣資源的探明率較低，分別僅為12%和6.3%[8]。隨著國內(nèi)中淺層油氣發(fā)現(xiàn)難度日益加大，深層、超深層油氣資源勘探開發(fā)已經(jīng)成為我國增儲上產(chǎn)的重要領域。深層油氣勘探開發(fā)中，當?shù)貙訙囟瘸^175℃時，井下工具適用的材料和傳統(tǒng)材料不同，從設計原理到制造工藝都需要重新設計。由于我國在抗高溫電子元器件、抗高溫芯片、抗高溫傳感器、抗高溫橡膠器件等基礎材料方面還沒有突破，深層油氣勘探開發(fā)所需要的高溫隨鉆測控工具、井下隔離密封工具和生產(chǎn)系統(tǒng)等主要由國外公司提供服務。表1為哈里伯頓公司Quasar 200℃井下工具參數(shù)，在MWD、PWD和自然伽馬、電阻率、密度、中子等測井工具方面具備抗溫200℃能力[9-10]。截至2019年2月，威德服公司200℃井下測井工具共完鉆高溫高壓井71口，共鉆進145579m，井底最高溫度達 199℃[11]。

表1 哈里伯頓Quasar 200℃井下工具參數(shù)

2.4 高性能智能導鉆技術

我國非常規(guī)油氣資源非常豐富，是陸上油氣勘探的重大戰(zhàn)略接替資源，技術是制約其開發(fā)的核心要素。智能導鉆技術是以精密隨鉆地質(zhì)導向系統(tǒng)為手段，通過新型旋轉導向鉆井工具，實現(xiàn)“聞著油味”鉆井，是非常規(guī)油氣藏和薄層油氣藏勘探開發(fā)提高油氣產(chǎn)量必不可少的技術，也是實現(xiàn)一趟鉆鉆井、縮短鉆井周期、降低作業(yè)成本的有效手段。國外智能導鉆技術已經(jīng)發(fā)展成為常規(guī)的水平井鉆井技術，鉆井過程中能夠探測井筒徑向60m的地層，可實現(xiàn)井眼軌跡的精準控制。哈里伯頓公司研發(fā)的iCruise智能旋轉導向鉆井系統(tǒng)，與GeoTech鉆頭配合使用，可通過快速鉆進、精準導向、精確預測，達到提速、提效、降本的目的。研發(fā)的EarthStar超深電阻率隨鉆測井技術能夠探測到井眼周圍60m范圍內(nèi)的油藏和流體邊界[12]。我國智能導鉆技術尚未形成體系，其關鍵組件主要從國外引進或直接由國外提供技術服務。

2.5 油氣儲層精準改造技術

截至2016年底，全國累計探明石油地質(zhì)儲量和天然氣地質(zhì)儲量中，低滲透油氣分別占12%和39%[13]。低滲透油氣藏要實現(xiàn)經(jīng)濟高效開發(fā)，需要利用精準改造技術對儲層進行體積最大化和目標精準化改造，以達到提高單井產(chǎn)量的目的。目前，我國儲層改造優(yōu)化設計軟件、壓裂裂縫監(jiān)測技術還主要依賴國外技術。6000型大功率超長壽命壓裂裝備已經(jīng)研制成功，但其核心部件需要國外引進。國外AF Global公司DuraStim壓裂泵功率為4474.2kW，完全自動化，電氣化長沖程泵，專門用于連續(xù)水力壓裂作業(yè)，具有低頻率（約20次循環(huán)/min）特點，為傳統(tǒng)設備的10%，避免了傳統(tǒng)柱塞泵由于高循環(huán)頻次造成的液力端損壞，大幅延長了設備使用壽命。

2.6 地質(zhì)工程一體化決策技術

地質(zhì)工程一體化決策技術是綜合利用物探、測井、鉆井、生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行油藏評價與工程設計，實現(xiàn)油氣探明儲量最大化、提高采收率最大化、油藏生命周期勘探開發(fā)綜合效益最優(yōu)化，是非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的重要手段。目前國外主要油公司構建了地質(zhì)工程一體化平臺，促進多學科組織管理和數(shù)據(jù)融合，通過多專業(yè)協(xié)同和數(shù)據(jù)挖掘不斷調(diào)整和完善鉆井、壓裂等工程技術方案。我國地質(zhì)工程一體化決策技術還處于向國外跟蹤學習階段，基于大數(shù)據(jù)的鉆井優(yōu)化設計與風險識別、儲層改造工程設計與參數(shù)優(yōu)化軟件、跨專業(yè)協(xié)同工作智能鉆完井軟件等需要從外國引進?？捣剖凸纠么髷?shù)據(jù)分析平臺分析地質(zhì)、油藏、鉆井和開發(fā)等各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，以縮短鉆井周期，優(yōu)化完井設計，提高對地層的認識。在美國Eagle Ford頁巖油氣區(qū)應用，鉆井周期減少50%以上（圖5）[14]。

圖5 采用大數(shù)據(jù)分析后Eagle Ford 頁巖鉆完井效果

3 內(nèi)外部環(huán)境變化對油氣工程“卡脖子”技術的需求

面臨油氣勘探開發(fā)對象日益復雜、油價中低位震蕩、安全環(huán)保日趨嚴苛、大國競爭進一步加劇等內(nèi)外部環(huán)境，油氣勘探開發(fā)面臨提高產(chǎn)能、降低成本、保障安全等多重壓力，對油氣工程“卡脖子”技術提出了迫切需求。

3.1 油氣勘探開發(fā)對象日趨復雜，增儲上產(chǎn)難度不斷加大

隨著油氣勘探開發(fā)向深水、深層、非常規(guī)、極地等轉變，油氣資源品質(zhì)劣質(zhì)化和作業(yè)環(huán)境復雜化進一步加劇。油氣勘探面臨更深、更小、更薄、更低滲透等復雜地質(zhì)對象，2016年，全國新增探明石油地質(zhì)儲量9.1×108t，其中低滲透、致密油占67%；新增天然氣地質(zhì)儲量6540×108m3，其中低滲透、致密氣占73%[13]。已開發(fā)油田整體進入“雙高階段”，從中國陸上已開發(fā)油田來看，截至2016年底，全國油田采出程度為78.13%、含水率為87.7%[15]，大慶、勝利等主力油田已進入特高含水階段。穩(wěn)產(chǎn)難度日益加大，成本控制也日趨困難。

3.2 油價中低位震蕩，降本增效壓力前所未有

2014年以來，在全球油氣供給過剩和需求疲軟的雙重驅(qū)動下油價暴跌，由每桶110美元以上降至2015年40多美元的低谷，而后在50～60美元/bbl上下波動。業(yè)內(nèi)普遍認為油價中低位震蕩將成為“新常態(tài)”，2025年前將維持在80美元/bbl以下，油氣工程技術的發(fā)展不能把希望寄托于高油價[16]。油價波動使石油公司對油氣項目的投資更加謹慎，并不斷壓減油氣工程費用，降本增效壓力巨大。

3.3 安全環(huán)保日趨嚴苛，技術升級換代迫在眉睫

為了更好地保護和改善環(huán)境，國家實施了更加嚴格的安全生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境保護與節(jié)能減排政策，制定了生態(tài)保護紅線、排污許可、污染物總量控制等環(huán)保制度，油氣勘探開發(fā)的環(huán)保壓力和環(huán)保支出不斷增大，對油氣工程技術的升級換代提出新的要求。同時，對于油氣工程作業(yè)來說，安全永遠是第一位，需要不斷提高油氣工程自動化、智能化、無人化水平，促進轉型升級，保證作業(yè)安全。

3.4 中美貿(mào)易摩擦倒逼油氣工程“卡脖子”技術的研發(fā)

中美貿(mào)易摩擦升級后，美國以知識產(chǎn)權保護為由，限制對中國高新技術產(chǎn)品出口及外商直接投資技術轉讓等，以阻斷中國“干中學”通道，使得高端油氣工程技術采用引進消化吸收再創(chuàng)新的模式不確定性增大。為避免在關鍵領域被對手卡脖子，要求我國集中力量進行核心技術攻關，形成推進自主創(chuàng)新的強大合力，確保把大國重器牢牢掌握在自己手中。

4 我國油氣工程領域“卡脖子”技術發(fā)展對策建議

油氣工程技術是保障油氣勘探開發(fā)的核心手段，為了解決我國油氣工程領域“卡脖子”瓶頸，保障國家能源安全，建議從戰(zhàn)略布局、政府支持、協(xié)同攻關等方面發(fā)力，促進大國重器發(fā)展。

4.1 做好“卡脖子”技術戰(zhàn)略布局

圍繞國家戰(zhàn)略需求和科技發(fā)展趨勢，研判我國油氣工程技術水平，分析與國外先進水平的差距，研究可能形成的技術突破，做好重大科技發(fā)展戰(zhàn)略布局和規(guī)劃部署，確定未來油氣工程“卡脖子”技術需要重點發(fā)展的領域、亟待突破的關鍵技術、優(yōu)先發(fā)展的技術，確立技術發(fā)展路徑， 提升油氣工程技術能力和水平。同時，加強耐高溫橡膠、耐高溫電子元器件、耐磨材料、智能芯片、高精度傳感器、精密儀器等基礎研發(fā)，為油氣工程“卡脖子”技術的攻克提供戰(zhàn)略支撐。

4.2 加大國家專項支持力度

油氣工程領域的“卡脖子”技術由于其產(chǎn)品和工藝的復雜性，技術研發(fā)周期長，成本風險高，需要從國家層面加大對科研攻關力度，制定重大專項研發(fā)計劃，設立專項攻關基金，針對共性問題開展攻關研究，加強基礎研究、應用研究、成果轉化的有機銜接，加快“卡脖子”核心技術的研發(fā)進程，防范化解油氣工程科技領域重大風險。

4.3 加快建立實質(zhì)性的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟

油氣工程“卡脖子”技術涉及石油、信息、機械、電子、化學、材料等學科，僅靠一家單位或少數(shù)幾家單位難以攻克，需要政府部門牽頭，建立以石油企業(yè)為核心，科研院所、高等院校、信息企業(yè)和基礎材料企業(yè)相配合的科研生產(chǎn)體系。加大不同學科領域機構之間的交流合作，推動產(chǎn)學研合作，加快研發(fā)進程，降低研發(fā)風險。注重開放式研究和合作研發(fā)，利用全球研發(fā)資源，進行內(nèi)外資源相互補充，協(xié)同共進，提升基礎研究、關鍵技術突破、創(chuàng)新人才培養(yǎng)等方面的能力。