在全球能源轉(zhuǎn)型和“雙碳”目標的大背景下，石油工程技術(shù)創(chuàng)新正朝著綠色化、低碳化方向加速邁進。傳統(tǒng)油氣勘探開發(fā)模式面臨嚴峻挑戰(zhàn)，同時也孕育著新的發(fā)展機遇。新一代石油工程綠色技術(shù)應(yīng)運而生，以節(jié)能減排、降本增效、環(huán)境友好為目標，為油氣行業(yè)可持續(xù)發(fā)展注入新動能。

本版文圖除署名外由 蔣琳琳 王海波 錢曉琳 肖京男 王 磊 崔曉杰 程光明 吳晉霞 提供

□中國石化石油工程技術(shù)研究院副院長、正高級工程師 王敏生

為應(yīng)對全球氣候變化，世界主要國家和地區(qū)均制定了碳中和減排目標。油氣作為傳統(tǒng)化石能源，綠色低碳轉(zhuǎn)型與加大碳減排力度是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。統(tǒng)計估算結(jié)果表明，與油氣直接和間接相關(guān)的碳排放量占全球碳排放總量的40%以上，油氣公司肩負減碳的重大社會責任。油氣勘探開發(fā)作業(yè)作為油氣行業(yè)重要的碳排放來源，碳減排實施效果直接影響整體碳達峰、碳中和目標的實現(xiàn)。

我國油氣對外依存度不斷攀升，2024年我國原油、天然氣對外依存度分別超過70%和40%，油氣安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)。隨著我國油氣勘探開發(fā)不斷深入，油氣勘探開發(fā)對象向深層超深層、深水超深水、頁巖油氣、致密低滲、高含水老油田等復雜油氣藏轉(zhuǎn)變，呈現(xiàn)勘探開發(fā)對象復雜化和資源品質(zhì)劣質(zhì)化趨勢，油氣規(guī)模增儲和穩(wěn)產(chǎn)難度越來越大。與此同時，全球應(yīng)對氣候變化行動正在對油氣行業(yè)產(chǎn)生廣泛而深刻的影響，我國提出在2030年前實現(xiàn)碳達峰，力爭2060年前實現(xiàn)碳中和。在保障國家能源安全和實現(xiàn)凈零排放的雙重要求下，油氣勘探開發(fā)既要實現(xiàn)整體經(jīng)濟效益提升，又要走好低碳發(fā)展之路。

石油工程投資約占油氣上游投資的60%，石油工程技術(shù)及裝備水平?jīng)Q定了可開采資源量及開采的經(jīng)濟性，也決定了油氣資源的相對競爭力水平。目前，綠色低碳石油工程技術(shù)處于快速發(fā)展的蓄勢期，仍面臨整體成熟度低、產(chǎn)業(yè)化程度不高、系統(tǒng)性不強、社會和經(jīng)濟效益不足等難題和挑戰(zhàn)，需全面啟動相關(guān)“低碳”“零碳”“負碳”技術(shù)發(fā)展的全局性部署，加強綠色低碳石油工程技術(shù)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，加大現(xiàn)場先導試驗力度，制定低碳運營行業(yè)規(guī)則和技術(shù)標準，通過技術(shù)創(chuàng)新構(gòu)建綠色、清潔、循環(huán)的石油工程技術(shù)體系，打造綠色低碳競爭力。

以石油工程節(jié)能減排與尾廢利用技術(shù)創(chuàng)新推動油氣“低碳”發(fā)展。強化油氣勘探開發(fā)全過程的碳排放管控，是實現(xiàn)低碳發(fā)展的關(guān)鍵。在碳中和背景下，油氣行業(yè)要重點做好石油工程領(lǐng)域的技術(shù)迭代升級，推動技術(shù)裝備朝著電氣化及低能耗綠色方向發(fā)展，實現(xiàn)施工作業(yè)過程節(jié)能高效，井筒工作液減量、循環(huán)重復利用和綠色清潔。一是大力推動鉆機和壓裂車以電代油、燃料清潔低碳化，研發(fā)推廣網(wǎng)電鉆機、混合動力鉆機、燃料電池鉆機等裝備，提高工程技術(shù)裝備電氣化率，為鉆井、壓裂改造和完井作業(yè)等領(lǐng)域提供基于綠色能源的低碳技術(shù)和全套能源解決方案。二是對鉆完井裝備進行自動化改造，研發(fā)動力自動管理系統(tǒng)、能耗自動檢測系統(tǒng)等，實現(xiàn)能源利用最大化。三是開展作業(yè)過程碳排放監(jiān)測，生物聚合物、可降解井筒工作液、鉆井液壓裂液回收處理與利用，節(jié)能節(jié)水循環(huán)利用等研究，減少對環(huán)境和安全產(chǎn)生的影響，降低生產(chǎn)和運輸過程中的碳排放。

以油氣與新能源耦合技術(shù)創(chuàng)新推動油氣“零碳”發(fā)展。全球能源轉(zhuǎn)型將改變石油和天然氣行業(yè)的格局，油氣勘探開發(fā)將越來越多地與可再生能源和低碳技術(shù)耦合。伍德麥肯茲研究表明，未來的能源超級盆地需要滿足三個關(guān)鍵標準：豐富的油氣資源、可獲得低成本可再生能源、具有規(guī)模碳捕集與儲存潛力。油氣勘探開發(fā)需要發(fā)揮地熱、風能、氫能、儲能、太陽能等資源組合優(yōu)勢，實現(xiàn)多能互補、集成優(yōu)化，以取得最合理的能源利用效果與效益，全面提升能源系統(tǒng)整體效率。一是將傳統(tǒng)石油工程技術(shù)向新能源新領(lǐng)域移植，推動高溫地熱和干熱巖開發(fā)、氫能地下存儲、壓縮空氣儲能等新能源發(fā)展，充分利用廢棄油氣井轉(zhuǎn)為地熱和儲能井筒，開展井筒完整性風險評估。二是充分利用海洋油氣作業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)，快速進入海上風電領(lǐng)域，同時將海洋油氣開發(fā)與海上風電、天然氣發(fā)電、電解水制氫等進行一體化協(xié)同，實現(xiàn)低成本的可再生能源與低成本的油氣田資產(chǎn)共存。三是探索在油氣開發(fā)工程作業(yè)過程中應(yīng)用鋰電池儲能、氫儲能、飛輪儲能系統(tǒng)等儲能技術(shù)。

以碳捕集、利用與封存技術(shù)創(chuàng)新推動油氣“負碳”發(fā)展。碳捕集、利用與封存是未來油氣綠色低碳發(fā)展趨勢，也是大幅度提高油氣采收率的重要手段，但還面臨成本高、安全要求高、技術(shù)不成熟等挑戰(zhàn)。一是要在綜合考慮碳捕集工廠、運輸管道、地質(zhì)封存條件等因素的基礎(chǔ)上，開展二氧化碳在埋存層位的運移規(guī)律，地層流體與地層相互作用機理，碳捕集、利用與封存儲層評價，碳捕集、利用與封存經(jīng)濟性評價，注入容量與注入時長方案優(yōu)選研究；二是要開展高效低成本鉆完井技術(shù)、油套管的防腐技術(shù)、儲層長期監(jiān)測與解釋技術(shù)、油氣井二氧化碳風險評估研究，實現(xiàn)二氧化碳經(jīng)濟高效利用與存儲，并確保蓋層與井筒的長期完整性；三是開展二氧化碳混合壓裂提高采收率技術(shù)、二氧化碳驅(qū)油提高采收率技術(shù)等研究，提高碳封存與利用的經(jīng)濟效益。

■ 產(chǎn)品介紹

導熱水泥基材料主要用于地熱井固井作業(yè)，利用高效熱傳導粒子填充，在水泥石中形成導熱通道，在井筒內(nèi)可直接與地層接觸，提升水泥石導熱系數(shù)。與常規(guī)水泥石相比，導熱水泥基材料具有導熱系數(shù)高、熱傳導快的優(yōu)點，能有效傳遞地層熱量、提高井筒內(nèi)流體換熱效率，是實現(xiàn)“取熱不取水”綠色環(huán)保開發(fā)的重要技術(shù)之一。

■ 研發(fā)應(yīng)用

地球是個天然的“大火爐”，越往地心走，溫度越高。隨著公眾環(huán)保意識的增強，地熱能作為一種穩(wěn)定可靠、綠色低碳的可再生能源，正逐漸成為全球能源轉(zhuǎn)型的重要方向，深層地熱資源高效開發(fā)也是中國石化新能源戰(zhàn)略的重要領(lǐng)域。

“地熱能的好處很多，但開發(fā)也面臨許多難題。”工程院鉆井研究中心經(jīng)理陶謙介紹，現(xiàn)有成熟地熱取暖技術(shù)的抽水回灌需要大量的水資源，易對環(huán)境造成影響。為解決這個難題，新星公司在西咸新區(qū)部署了U形地熱連通井，聯(lián)合工程院成立項目組，積極探索“取熱不取水”綠色開發(fā)模式，利用井下流體熱交換提取地層熱量。

“U形對接井換熱是一種閉式循環(huán)取熱技術(shù)，但與地層直接接觸的水泥環(huán)導熱系數(shù)偏低，難以高效傳導地層熱量，直接影響了U形連通井取熱效率�！表椖繉＜彝趵谡f。為提高井下?lián)Q熱效率，工程院從增強水泥石導熱系數(shù)的角度入手，遴選出能與水泥顆粒具有良好界面相容性的導熱材料，通過多次試驗總結(jié)出高導熱材料對水泥石導熱性能及抗壓性能的影響規(guī)律，并初步得到了以片層狀HC-C為關(guān)鍵材料的二組分和三組分高導熱配方。

“HC-C的表面疏水材料特性，會導致水泥漿增黏、分散性降低及稠化時間縮短等問題。”項目負責人熊梓洲說。為此，項目組通過分析配套分散劑和降失水劑，最終構(gòu)建了能滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求的高導熱水泥漿體系，實現(xiàn)了稠化時間在3.5～7小時可控，且水泥石導熱性能在90攝氏度較常規(guī)水泥石提升了40%以上。

隨后，在研發(fā)過程中，項目組又發(fā)現(xiàn)了高導熱水泥漿存在導熱材料分散性不足、極限加量低等問題，制約了井下?lián)Q熱效率的進一步提高，且水泥漿流變性能仍有待提升。經(jīng)過反復討論，項目組提出通過對關(guān)鍵材料表面親水改性提高分散程度的思路。

然而，片層狀材料HC-C的優(yōu)異導熱性結(jié)構(gòu)一旦破壞，勢必會影響材料導熱性能。經(jīng)過大量調(diào)研與探索，項目組利用溫和的氧化條件，通過氧化改性劑結(jié)構(gòu)、濃度及pH值的精細控制，在保留材料導熱性能的前提下，改善了材料表面水潤濕性和水泥界面相容性，同時配套研發(fā)了與非極性材料官能團適配度更高的復合分散劑，實現(xiàn)了高導熱材料在水泥漿中極限加量的提升，在90攝氏度地層條件下，水泥石導熱性是常規(guī)水泥石的1.6倍以上。

“在中天未來玥U形地熱連通井的技術(shù)試驗中，水平段1000米采用了導熱水泥固井，成功實現(xiàn)了連通井封固。數(shù)據(jù)表明，在流量60立方米/小時工況下，入口溫度10攝氏度，出井最高溫度48.7攝氏度，穩(wěn)定溫度22.7攝氏度，平均換熱量952千瓦，效果良好�！惫こ淘喉椖繉＜倚ぞ┠辖榻B。

■ 效果評價

中石化綠源地熱能開發(fā)有限公司陜西分公司副總經(jīng)理 鄒彥榮：我們在西咸新區(qū)開展的地熱開發(fā)井下高效換熱技術(shù)試驗，是中國石化落實“雙碳”行動、破解城市清潔供熱難題的重要探索。導熱水泥基材料在中天未來玥U形地熱連通井的成功應(yīng)用，有力地保障了今后對地熱資源的低影響開發(fā)和高效率利用，為進一步探索“取熱不取水”地熱高效技術(shù)、大力開發(fā)利用地熱能增添了新利器。

大尺寸封隔器：讓鹽穴變身高效“電力銀行”

■ 產(chǎn)品介紹

大尺寸壓縮空氣儲能封隔器是為鹽穴壓縮空氣儲能技術(shù)研發(fā)的地下工程配套工具之一，主要作用是將鹽穴內(nèi)的壓縮空氣與注采井的上部套管隔絕，可保護上部套管和保證壓縮空氣注采安全運行。

■ 研發(fā)應(yīng)用

日前，工程院成功研制出用于鹽穴壓縮空氣儲能庫注采的大尺寸完井封隔器，滿足直徑473.1毫米生產(chǎn)套管與直徑339.7毫米注采管柱環(huán)空的密封要求，技術(shù)指標國內(nèi)領(lǐng)先，為加快壓縮空氣儲能建設(shè)增添了新利器。

鹽穴壓縮空氣儲能是一種大規(guī)模儲能技術(shù)，類似于給城市供電的“超級充電寶”。用電低谷時，利用多余電力將空氣壓縮泵送至地下鹽穴中；用電高峰時，再將壓縮空氣釋放做功發(fā)電。壓縮空氣儲能封隔器就像堵在地下鹽穴“瓶口”的橡膠塞，防止壓縮空氣腐蝕注采井套管，是儲能庫安全運行的關(guān)鍵工具。

相較天然氣儲庫，壓縮空氣儲能庫注采壓力交變更頻繁、單日注采氣量更大、高壓空氣的腐蝕性更強。目前，300兆瓦以上規(guī)模的壓縮空氣儲能項目主要采用直徑473.1毫米的生產(chǎn)套管和直徑339.7毫米的注采管柱，配套的封隔器直徑要達到420毫米，氣密封能力要達到21兆帕以上，錨定機構(gòu)要能承受2000千牛的軸向載荷，在氯化鈉鹽霧的環(huán)境中工作壽命要超過30年。使用工況的改變對封隔器的選材、設(shè)計、測試和整機可靠性均提出了更高的要求。

工程院圍繞中國石化“一基兩翼三新”戰(zhàn)略布局，立足科技自立自強，緊抓壓縮空氣儲能技術(shù)發(fā)展的機遇期，超前謀劃，成立了由工具設(shè)計與制造、材料腐蝕評價、現(xiàn)場施工工藝等不同專業(yè)組成的研發(fā)團隊，在國內(nèi)外尚無同類產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗可借鑒的情況下，展開了大尺寸壓縮空氣儲能封隔器的攻關(guān)研究。

由于產(chǎn)品尺寸大，加工比較困難，而且國內(nèi)外沒有現(xiàn)成的測試工裝，研發(fā)團隊經(jīng)過多方溝通交流，努力摸清封隔器的使用工況，收集前期問題，對國內(nèi)外油氣領(lǐng)域數(shù)十種封隔器產(chǎn)品進行性能分析。經(jīng)過5輪次設(shè)計論證、樣機試制和性能測試，他們先后攻克了耐腐蝕金屬材料優(yōu)選與評價、長壽命耐老化密封膠筒研制、重載卡瓦錨定機構(gòu)及防管柱震顫機構(gòu)設(shè)計等多項技術(shù)難題，研制出適用于直徑473.1毫米生產(chǎn)套管和直徑339.7毫米注采管柱的可解封式壓縮空氣儲能封隔器。地面測試結(jié)果顯示，該封隔器氣體密封壓力達到21兆帕、錨定性能大于2000千牛，達到API 11D1標準的V0級性能要求。

“接下來，我們將繼續(xù)完善該封隔器的制造與施工作業(yè)標準化工藝包，加快現(xiàn)場入井試驗和應(yīng)用效果評價，提升產(chǎn)品性能，助力綠色能源開發(fā)。”項目負責人崔曉杰說。

■ 效果評價

中國石化石油工程技術(shù)研究院首席專家 孫明光：伴隨著新能源裝機容量快速提升，綠電消納壓力日益凸顯，配儲問題已成為影響新能源下一階段規(guī)�；�發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。未來，壓縮空氣儲能發(fā)展空間巨大，是能源綠色轉(zhuǎn)型的重點方向之一。封隔器是發(fā)展壓縮空氣儲能業(yè)務(wù)不可或缺的關(guān)鍵工具，研發(fā)過程中需要攻克超大截面尺寸、高頻率交變載荷和高腐蝕性介質(zhì)等技術(shù)挑戰(zhàn)。與普通封隔器常用的膠筒中置或上置方式不同，工程院研發(fā)的直徑473.1毫米生產(chǎn)套管和直徑339.7毫米注采管柱可解封式壓縮空氣儲能封隔器，全面優(yōu)化形成膠筒下置的方式，提高了套管防護能力和工具耐腐蝕能力，創(chuàng)新的雙級防退機構(gòu)提高了軸向載荷錨定穩(wěn)定性，技術(shù)指標具有先進性。在各類儲能方式中，壓縮空氣儲能與中國石化產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同性較強，要注重系統(tǒng)思維，堅持產(chǎn)品導向，形成全產(chǎn)業(yè)鏈競爭優(yōu)勢。

高性能水基鉆井液：非常規(guī)油氣開發(fā)的“綠色血液”

■ 產(chǎn)品介紹

高性能水基鉆井液是一種在非常規(guī)及復雜油氣藏鉆探時，可替代油基鉆井液的環(huán)保型鉆井液體系，具有強抑制、強封堵、高潤滑特性，可有效提升井壁穩(wěn)定性、降低摩阻，提高鉆進效率。相較油基鉆井液，高性能水基鉆井液在環(huán)保方面優(yōu)勢明顯，是“水替油”綠色環(huán)保開發(fā)的重要技術(shù)之一。

■ 研發(fā)應(yīng)用

鉆井液是鉆井的“血液”，其性能對鉆井速度、安全和油井投產(chǎn)后的產(chǎn)量有至關(guān)重要的影響。油基鉆井液是頁巖油勘探開發(fā)的“寵兒”，可有效維持頁巖水平井井壁的穩(wěn)定性，但成本高，后期環(huán)保處理費用是水基鉆井液的4倍左右。

為消除頁巖地層失穩(wěn)、環(huán)保及成本壓力對頁巖氣開發(fā)的制約，工程院依托自身在鉆井液技術(shù)領(lǐng)域的深厚底蘊，經(jīng)過數(shù)年潛心研發(fā)，成功推出并持續(xù)迭代升級了高性能水基鉆井液體系SM-ShaleMud。

研發(fā)之路充滿艱辛與挑戰(zhàn)。面對復雜多變的地層條件和嚴苛的環(huán)保要求，工程院研發(fā)團隊從基礎(chǔ)理論研究入手，深入剖析水基鉆井液的每一個細節(jié)，打造出真正符合市場需求的高性能水基鉆井液技術(shù)。

為攻克難題，技術(shù)人員進行了無數(shù)次的實驗室研究和現(xiàn)場試驗。在高溫、高鹽等極端環(huán)境下，他們不斷探索新材料和新技術(shù)，嘗試各種配方組合，力求找到最佳解決方案。經(jīng)過不懈努力，研發(fā)團隊提出了“外防水侵+內(nèi)控膨脹”井壁穩(wěn)定控制和“液+固”復合成膜潤滑減阻技術(shù)對策，并自主研發(fā)了12種鉆井液處理劑，為打造SM-ShaleMud高性能水基鉆井液體系提供了有力支撐。

在西南頁巖氣區(qū)塊，SM-ShaleMud高性能水基鉆井液體系首次亮相，順利完成了深層頁巖氣資源的鉆探任務(wù)。在威頁23平臺，5口井施工均取得圓滿成功，水平段超1500米，鉆井液密度最高達到2.2克/立方厘米，井壁穩(wěn)定周期長達73天。其中，威頁23-3HF井以17.29天完成龍馬溪組頁巖地層1680米井段鉆井施工，刷新了中國石化西南工區(qū)頁巖氣高性能水基鉆井液應(yīng)用的新紀錄。

隨后，面對華東頁巖油區(qū)塊更高的環(huán)保需求和低成本要求，研發(fā)團隊不斷優(yōu)化升級，構(gòu)建了SM-ShaleMud-II高性能水基鉆井液體系，在帥頁3-7HF井的首次試驗中，該體系展現(xiàn)出卓越性能，創(chuàng)8項國內(nèi)施工新紀錄，并開創(chuàng)了利用老井眼實施側(cè)鉆小井眼水平井的勘探開發(fā)新模式，成本降低60%。此后，溱頁2HF井的成功施工，又驗證了“二開制+水基鉆井液”簡化井身結(jié)構(gòu)井的技術(shù)可行性。

自2021年至今，一系列技術(shù)革新讓高性能水基鉆井液逐漸成為華東頁巖油區(qū)塊的核心技術(shù)，實現(xiàn)了油基鉆井液的全面替代，開啟了頁巖油綠色高效開發(fā)的新篇章。據(jù)統(tǒng)計，該技術(shù)累計節(jié)約油基危廢處理費用、鉆井液成本等超3000萬元，實現(xiàn)了環(huán)保效益和經(jīng)濟效益雙贏。

■ 效果評價

西南石油工程鉆井工藝研究院專家 周成華：高性能水基鉆井液技術(shù)的成功研發(fā)和應(yīng)用，是工程院在鉆井液技術(shù)領(lǐng)域取得的一項重大成就。該技術(shù)不僅實現(xiàn)了環(huán)保與性能的完美融合，而且大幅降低了鉆井成本、提高了施工效率。特別是在西南區(qū)塊的應(yīng)用實踐，充分證明了該技術(shù)的可靠性和先進性。今后，隨著技術(shù)不斷推廣和應(yīng)用，高性能水基鉆井液將為我國油氣勘探開發(fā)作出更大的貢獻。