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孙焕泉院士:“冲刺”油气开采极限

2021-12-15   中国化工报   阅读量:245

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图为孙焕泉正在接受本报记者采访。(张育 摄)

    我国油气资源不仅体量相对较少,而且资源禀赋相对较差,以常规技术评价,很多资源是边际品位甚至无开采价值。30多年来,中国石化集团有限公司副总工程师孙焕泉带领团队,以解决油气核心需求为攻关方向,向油气效益开采的极限发起一次又一次冲击,也因此于2021年成功当选中国工程院院士。

做加法

突破超稠油开发界限

    稠油是一种重要的石油资源,但因效益开采难,目前我国稠油开发利用率仅为8%。

    难开采,因为流动性差。在50℃下黏度超过50厘泊的石油就是稠油,而我国东部稠油相当一部分是黏度超过50000厘泊的超稠油,在地面常温下跺几脚都不变形。

    要让这种稠油变得易于流动,通常是注蒸汽热力开采。美国国家石油委员会认定,稠油热采开发的界限是深度小于3000英尺(915米)、油层厚度大于20英尺(6米)。超出这一范围的超稠油,国外也没有热采开发成功。而我国相当一部分稠油是深层超稠油和薄层超稠油,远超开发界限。

    以解决超稠油核心需求为攻关方向,孙焕泉带领团队潜心研究,发现关键是让蒸汽有效影响更深部的稠油。他们还发现,超临界二氧化碳在深层超稠油中具有极强溶解能力和扩散能力。

    于是他做了一道加法题:水平井+油溶性降黏剂+二氧化碳+蒸汽=深层超稠油强化开采技术。该技术在胜利油田进行规模化应用,突破了稠油开发界限,成功开发我国埋藏最深(达2000米)的超稠油油田——王庄油田,并提高稠油老区采收率19.3个百分点。

    我国西部还有一种稠油,埋深只有几百米,但只有两三米厚,蒸汽注下去很容易散失,常规热采没有效益。孙焕泉带领团队反复对比研究,发现氮气具有无可比拟的优势:它膨胀性强,可为地层补充能量,同时可在油层上方形成一堵“气墙”隔热,把注入蒸汽留在油层中,就像为热采稠油盖上一层“棉被”。

    于是,孙焕泉又做了一道加法题:水平井+油溶性降黏剂+氮气+蒸汽=浅薄层超稠油热复合开采技术,创造了该类油藏高效开发的技术体系,被国际能源署提高采收率合作计划执委会评价“具有引领作用”。

    利用这一技术,我国油层最薄(2米)的超稠油油田——春风油田开采成功,100万吨/年薄层稠油高效开发示范基地也随之建成。

做减法

首创无碱化学复合驱

    当老油田进入含水率超过90%的特高含水开发阶段,产油量大幅下降,开发成本大幅上升,而采收率一般只有30%左右。

    地下还有70%的石油,如何进一步采出?国内外通常采用三元复合驱技术。但这一技术在胜利油区“水土不服”,因为地下油藏温度高、地层水矿化度高,与碱反应会严重结垢。

    孙焕泉带领团队开始了艰难攻关。结垢最主要的原因是碱,那就必须做一道减法题:三元复合驱-碱=无碱二元复合驱。

    但碱又不可或缺。它和原油反应能产生“石油皂”表面活性剂,与体系中表面活性剂协同作用,可在油水间形成超低界面张力,从而像洗衣粉一样把油“洗”出来。

    如何在无碱条件下获得超低界面张力?团队开展大量研究,发现表面活性剂的结构与石油越相似,驱油效果就越好。在无数次失败和苦思冥想后,孙焕泉提出:能不能从胜利油田自产的石油中提取一种表面活性剂?其结构必然与胜利石油最相似。

    随后,他主持建成了胜利石油磺酸盐表面活性剂生产基地,创造性地用这种“人工石油皂”代替地下加碱后形成的“天然石油皂”,实现表面活性剂“来自原油、用自驱油”。

    此外,团队还开展了阴、非离子表面活性剂复配等一系列攻关研究,率先攻克了高温高盐油藏无碱二元复合驱技术。麻省理工学院地球资源实验室评价该技术“为世界石油技术发展作出了突出贡献,对其他国家具有重要指导意义”。

    如今,该技术已成为东部老油田化学驱主导技术,在常规井网条件下可提高采收率10~15个百分点,支撑中国石化化学驱年产油连续15年保持在330万吨以上。

做立体几何

创建页岩气开发新模式

    中国石化在四川盆地发现并建成了中国首个商业化开发的页岩气田——涪陵页岩气田。页岩本身致密而坚硬,需要用高压水力压碎岩石形成复杂缝网,构建页岩气溢出的“高速公路”。但这种“长水平井+分段压裂”的开采方式,气井递减快、稳产期短、采收率低,国内外均面临这一棘手难题。

    孙焕泉以非常规思维审视非常规资源,带领团队做了一道立体几何题——创建页岩气立体开发模式,主持实施了我国首个页岩气提高采收率重大工程。

    他们在最先动用的下部气层原有井位中间布井,密栽“采气树”,同时在未动用上部气层布井,对井网实施纵向和横向上的立体加密。随后,孙焕泉大胆提出在中部气层布井的设想。但上下层系均已大规模压裂,中部气层还有潜力吗?他带领团队严谨求证,专门在中部气层布了一口“观察”井,证实中部气层没有动用、具备立体开发的物质基础。

    基于此,孙焕泉主持审定了页岩气立体开发提高采收率总体方案,部署调整井244口,经矿场实施后采收率由12.6%提高到23.3%,其中立体开发区采收率提高到39.2%,达到北美先进水平,形成了我国页岩气可持续发展的核心技术。


    院履士历

    孙焕泉,正高级工程师,现任中国石化副总工程师,长期工作在油气开发科研生产一线,在稠油和高温高盐等复杂油藏开发理论研究、技术攻关和工程实践方面,取得多项创新性成果。获国家科技进步二等奖5项、中国专利金奖1项和何梁何利科学与技术进步奖。