记中国石油集团高级技术专家孙金声 ——不断创新,赶超国际先进水平

2016年11月09日16:04  来源:中国网
 
原标题:不断创新,赶超国际先进水平

  ——记中国石油集团高级技术专家孙金声

  俗话说:“上天容易入地难。”因为上天只要有足够大的速度脱离地球的引力就可以了,而下地却不同。地下有着多种多样的地层,不同硬度的岩石,而且随着深度的增加,地温不断增高,压力不断增大,这些对钻掘工具、动力设备和钻井工艺技术等都提出了更高的要求。所以当前人类可以把卫星送到太空,可以登陆月球,但对地底的征服却举步维艰。但地下又含有人类不可或缺的石油等资源。我国石油对外依存度已超过60%,严峻的能源形势迫切需要开发深部地层石油资源,以保障国家能源安全,因而亟需钻井技术的突破。中国石油集团钻井工程技术研究院孙金声教授通过不断创新,突破了国际封锁,为我国钻井技术达到和赶超国际先进水平做出了突出贡献。

  据《中国石油报》报道,2014年10月16日,第23届孙越崎科技教育奖颁奖大会在北京举行,中石油钻井工程研究院孙金声喜摘“能源大奖”。备受瞩目的“能源大奖”为孙越崎科技教育基金会最高奖项,旨在奖励能源基础理论突破和科技进步方面做出重大贡献的科技工作者。20多年来,历届孙越崎“能源大奖”获奖者均是在能源应用基础理论研究和推进企业科技进步方面做出突出贡献的专家,其中多人成为中国科学院院士或中国工程院院士。

  厚积薄发,成就卓著

  孙金声教授先后任中国石油勘探开发研究院塔里木钻井液公司基地经理、研究室主任,中国石油集团钻井工程技术研究钻井液研究所所副所长。现任中国石油集团高级技术专家,中国石油集团钻井工程技术研究院一级专家,山东省泰山学者优势特色学科“非常规油气高效开发”团队领军人才,兼任中国石油工程学会钻井液学组副组长,国家钻井专标委特聘专家,中国石油大学(华东)和西南石油大学博士生导师,已培养了30余名硕、博士、博士后研究生。

  他于1965年出生在革命老区、长征出发地、江西省于都县的一个小山村,家境贫寒。他开始读书时正处于“文革”,社会上“读书无用论”的论调甚嚣尘上,但他不为所动,一心求学成才。他自幼聪慧,成绩优异,读书之旅可谓一帆风顺。1985年,年仅20岁的孙金声在江西师范大学化学系修完学业,获得学士学位。三年后,他又在化学专业国内顶尖的南开大学有机合成专业取得硕士学位。2006年,他又在西南石油大学应用化学专业取得博士学位。学业上的充足积累,为他后来在工作中取得不凡成就奠定了坚实的基础。参加工作以来,一直默默无闻工作在生产技术第一线,长期从事钻井液理论、技术研究和工程实践。钻井液技术水平的高低对于油气勘探开发安全、成功率及效益具有十分重大的影响,先进的钻井液技术是提高油气勘探成功率、发现油气田、提高产量、降低成本、实现油气田勘探开发经济目标的重要保证。国内石油勘探开发过程中井壁失稳、油气储层损害、钻井液抗温能力低、钻井速度慢等难题是制约我国油气勘探开发的主要技术瓶颈。国内钻井液技术与国外相比存在巨大差距,而国外技术又被高度封锁。孙金声教授近三十年来通过不断创新,研发具有自主知识产权的新方法、新产品和新技术,攻克了以上重大技术难题,打破了国外的技术封锁,填补了国内相关研究的空白。为我国钻井液与储层保护技术赶超国际先进水平并走出国门占领国际市场做出了重要贡献。

  他先后获国家科技进步二等奖2项(均排名第一)、国家技术发明二等奖1项(排名第二),省部级一等奖7项、二等奖5项;发表论文96篇,出版专著5部,获授权发明专利23件;培养了30名硕/博士研究生。享受国务院政府特殊津贴,入选新世纪“百千万人才工程”国家级人选,获“有突出贡献中青年专家”荣誉;2013年获“何梁何利”科学与技术奖,2014年获孙越琦科技教育基金“能源大奖”及国家首届“杰出工程师鼓励奖”。

  在沙漠和戈壁中磨炼出真知

  孙金声刚毕业就参加了中国石油勘探开发研究院承担的“七五”国家重点攻关项目“丛式井钻井技术研究”项目组。所谓丛式井,是指在一个井场或平台上钻出若干口甚至上百口井,各井的井口相距不到数米,各井井底则伸向不同方位。丛式井可满足钻井工程上某些特殊需要,如制服井喷的抢险井;可加快油田勘探开发速度,节约钻井成本;便于完井后油井的集中管理,减少集输流程,节省人、财、物的投资。孙金声在丛式井钻井技术研究项目中承担完成了核心子课题“阳离子聚合物钻井液作用机理研究”的攻关任务,并顺利完成。

  1989年,国家开发西部大油田,孙金声被选拔远赴新疆塔里木油田参加油田会战。作为中国石油集团公司重点攻关项目“塔里木油田泥页岩井段井壁稳定问题及对策研究”课题负责人,在荒凉的沙漠戈壁进行了长达六年的油田大会战。

  2006在北京密云全国钻井液年会做主旨发言

  塔里木油田地处沙漠地带,地质条件复杂,储层埋藏深,所开发的油井大部分是深井、超深井,钻遇层位多,穿越井段长,存在高温、高压及大段盐膏地层,钻井难度巨大。尤其是井壁失稳(如井壁坍塌与井漏)钻井技术难点更是国际公认的世界难题。

  六年的会战使孙金声积累了大量的复杂地理条件下的钻井液处理经验。在此期间,他带领项目组调查了油区各油田钻井过程中井壁不稳定问题的具体情况,研究了油田地层矿物组分、理化特性、井壁不稳定的力学和物理化学潜在因素、泥页岩井壁坍塌机理,在国内首次研制成功适合塔里木油田的强抑制强封堵钻井液技术,解决了塔里木油田当时的井壁失稳技术难题,为加快塔里木油田的勘探开发做出了重要贡献。

  泥页岩井段井壁稳定问题是全国各大油田的共性问题。1995—2000年期间,他带领团队结合各油田的特点研究出一系列适合各油田的稳定井壁技术,将塔里木油田研究的新技术和取得的成功的实践经验向全国19个油气田企业进行推广,有力推动了国家石油勘探开发速度,并取得了重大的经济效益。

  面对世界难题,知难而上

  2004年中国石油集团准备钻我国当时陆上最深的一口风险探井探莫深1井,该井毗邻新疆克拉玛依油田,位于新疆准噶尔盆地腹部莫索湾地区,设计井深7380米,实际完钻井深7500米。这口超深井的钻探成功,不仅可以取得重大地质发现,推动中国石油超深井钻井技术的进步,还将有助于探明准噶尔分盆地的深层油气诸藏情况,为该地区今后的石油开采和全国深层油田的开发奠定技术基础。但该地区深部地层预测地层压力系数为2.12,预测井底温度为204℃。抗超温高温高密度钻井液技术是超深井钻探成败的关键,国内钻井流体和检测评价设备的抗高温能力均在180℃以下。钻超高温井(﹥200℃)过程中面临着一系列因钻井流体抗温能力低导致的技术难题,使用水基钻井液钻超高温井时主要采用不断处理钻井液,加大化学处理剂用量来维持钻井液抗高温性能。不但成本高、处理剂消耗量大、处理频繁,而且钻井复杂事故多、速度慢、钻井周期长、生产安全和公众安全风险大,严重影响质量、速度、效益,甚致影响地质目的的实现。当时能有效抗高温的油基钻井液技术在国内还处于起步阶段,技术落后,处理剂材料品种不全、不配套、成本高、性能不稳定难以满足现场施工要求。针对超高温高密度钻井液技术这一世界难题,孙金声带领的中石油集团研究团队和国内许多科研人员先后开展了十余年的攻关研究,但没有取得大的突破。

  面对国家的重大需求,孙金声知难而上,主动请缨,承担了科技攻关任务,他带领团队夜以继日工作,仔细分析前十余年科研工作存在的问题,经过两年多艰苦攻关,最终揭示了钻井液抗超高温机理,发明了抗温达240℃高密度钻井液技术,确保了莫深1井于2016年8月按期开钻。两年多时间的安全施工及顺利完井表明,中国超深井超高温钻井液技术走在世界前列,同时为国内深层油气藏勘探开发提供了技术保障,提升了我国深井钻井技术水平及我国钻井工程技术服务在国际上的核心竞争力。

  创新成果赶超国际先进水平

  孙金声教授先后主持完成了国家863计划、国家科技重大专项、中石油和中海油等重点科技攻关项目42项,发明了化学成膜固壁与保护储层新技术、抗超高温钻井液技术、提高机械钻速的水基钻井液技术、复杂结构井特种钻井液关键技术,为有效解决我国深井和复杂结构井钻井过程中井壁失稳与油气储层损害严重、钻井液不能抗超高温、钻井速度慢等制约我国油气勘探开发的重大技术难题奠定技术基础,为我国石油和天然气工业科技进步做出突出贡献。

  (一)、创立了水基钻井液成膜理论,研发成功化学成膜固壁与保护储层新技术, 开辟了通过化学成膜稳定井壁与保护储层的研究方向,为解决我国钻深井超深井井壁坍塌、漏失和储层损害重大技术难题提供了技术支撑。

  钻井过程中井壁失稳和储层损害是长期以来未解决的两大世界性难题,钻井过程中钻井液中的水进入地层是导致井壁坍塌、储层损害的根本原因,国内外传统解决方法是采用沥青和超细固体颗粒进行物理封堵,并配合化学抑制技术。但因无法预知地层孔隙、微裂缝及油气储层孔喉直径分布,难以有效阻止水进入地层,井壁坍塌和储层损害严重。随着塔里木、大庆深层等深部油田的开发,井壁失稳和储层损害造成的损失更为严重,我国每年因井壁失稳造成的直接损失达数十亿元,储层损害导致油气产量损失达20%~30%。过去二十余年,他突破传统理念,提出通过在井壁形成化学膜实现稳定井壁与保护储层的新思路,创立了水基钻井液成膜新理论,发明了能与地层迅速发生化学反应的磺化类聚合物成膜新材料,突破了水淹没条件下在井壁形成化学膜的技术难题,在国际上首次研发成功化学成膜固壁与保护储层钻井液技术,并能提高承压能力防止漏失,开辟了通过化学成膜稳定井壁与保护储层的研究方向,解决了长期以来我国深井井壁坍塌、漏失和储层损害重大技术难题。稳定井壁、储层保护方法从有选择的物理封堵升级为非选择的化学成膜封堵,实现了行业核心技术升级换代。

  2006-2008年期间,该成果在塔里木、新疆等17大油田并推广至海外油田,规模应用 6621口井, 稳定井壁与保护储层效果显著,因井壁坍塌引起的复杂情况损失时间减少90.4%,储层损害率由20-30%降低至5%,取得了重大成效,增收节支总额达59.8亿元。目前技术已推广全国,成为我国稳定井壁与保护储层的主体技术。成果鉴定专家认为水基钻井液成膜理论、化学固壁及成膜保护储层技术,达到国际领先水平。上述研究成果作为“化学固壁与保护油气储层的钻井液技术及工业化应用”项目的主体,获2009年国家科技进步二等奖。

  (二)、揭示了钻井液抗超高温机理,发明了抗超高温钻井液技术,为我国开采深层超深层油气资源提供了重要技术支撑。

  塔里木、松辽盆地等深层石油资源是我国重要接替能源,储层深度超过5000 米,井底温度高达180~260℃。超高温(200℃以上)钻井液是钻深井超深井成败的关键,一直是世界难题,长期被美国少数石油公司垄断。三十年来,国家与石油企业多次立项,几代人不懈努力,持续攻关,研制数百种处理剂组方,但水基钻井液的抗温能力未能突破180℃,泡沫钻井液低于150℃。因缺乏超高温钻井液技术,钻超高温深井面临着一系列因钻井液抗温能力低导致的井壁坍塌等重大技术难题与安全风险,严重制约深层油气勘探开发。

  针对此重大技术难题,他经15年攻关,首次揭示了超高温条件下水基钻井液活性粘土去水化失稳的作用机理,即保持和增强超高温条件下粘土表面束缚水能力有利于稳定护胶的规律。突破了国内外长期认为超高温条件下钻井液失效的原因是处理剂难以抗超高温的传统理念。据此,发明了含有三种高电荷官能团的高分子高温保护剂(专利3)及配套材料,将我国水基钻井液抗温能力从180℃提高到240℃,形成了抗温240℃的水基钻井液技术,其抗温能力比国外依靠系列抗超高温处理剂组配形成的技术高30℃、成本为国外技术的30%。并于2007年首次成功应用于当时国内最深井新疆莫深1井(井深7500米),钻井液成本不到3000万元顺利完井,该井如果采用全球招标,国外钻井液报价高达1200万美元(合8000万人民币),此后完成吉林、新疆及海外油田等一大批200℃以上超高温深井作业。

  同时,他带领团队发明了增强水基泡沫气液界面膜强度的聚合物新材料,将我国泡沫钻井液抗温能力从150℃提高到300℃,形成了抗温300℃的水基泡沫钻井液技术;以此领先技术与美国公司国际竞标,赢得肯尼亚西南(OLKARIA DOMES)地区钻井合同并顺利实施, 与国外技术相比,大幅度减少井下复杂和事故,提高钻井速度,比美国Sandia石油公司平均口井节省钻井周期18%,成本是其40%,获得国际同行认可与高度赞誉。

  上述研究成果为我国新疆、吉林、大庆等深层油气田开发起到重要技术支撑作用,不仅全面取代了国外引进技术,而且通过技术优势出口国外,在7个国家14个油田规模化应用375口井,改变了我国自主技术难以钻超高温深井(200℃以上)的局面,实现钻超高温深井从依赖引进国外技术到占领国际市场的跨越发展,并取得重大经济效益。上述研究成果作为“超高温钻井流体技术与工业化应用”项目的主要组成部分,获2012年国家科技进步二等奖。

  (三)、开发出复杂结构井特种钻井液关键技术,为高效开采我国剩余油气资源,使难采储量变成高产提供了重要技术支撑。

  复杂结构井是21世纪国际公认的高效开发低渗透、非常规及海洋等复杂油气田的先进井型和主要技术发展方向,利用复杂结构井高效开采我国剩余油气资源,保障国家能源安全意义重大。

  井壁失稳与阻卡卡钻是复杂结构井的技术瓶颈,也是世界性钻井技术难题,更是决定复杂结构井钻井成败的关键。他与团队创造性首次将仿生学引入钻井液领域,破解了贻贝粘附蛋白和蚯蚓分泌粘液,胶结岩石、提高润滑性的原理,并发现将其活性化学结构接枝到特种聚合物链既能保持其原有性能又可提高其抗温性的方法,发明了增强岩石颗粒间内聚力和键合性润滑的系列仿生新材料和仿生钻井液新技术,这一原创性成果解决了复杂结构井井壁失稳和阻卡卡钻技术难题,为复杂结构井规模应用提供了技术保障。在国内外12个国家共35个油气田规模应用1142口井,井塌事故率降低82.6%,钻速提高27.7%,摩阻和扭矩比美国技术分别降低35.3%和26.5%,油气产量较以前复杂结构井提高1.6倍以上。创直接经济效益34.96亿元。上述研究成果作为“复杂结构井特种钻井液与工业化应用”项目的重要组成部分,获2016年国家技术发明二等奖。

  (四)、发明了提高机械钻速的水基钻井液技术,显著提高了我国钻井技术的核心竞争力,为我国钻井工程技术占领国际市场提供了重要技术支撑。

  我国6000米以上深井钻井速度仅为美国的1/2,钻井速度是制约我国油气勘探开发速度和效益的重要因素,钻井液是影响钻井速度的关键因素之一,他经过十年攻关,首次建立了化学膜防止钻头吸附钻屑及瞬间降低井底岩石强度提高钻速的理论新认识,发明了能提高钻井机械钻速的化学新材料,形成了提高钻速18.2%以上的钻井液技术,比美国技术高7.8%,而成本为其1/3。经全面推广,已成为我国行业主流技术,使我国成为第二个掌握此项高端技术的国家,显著提高了我国钻井技术核心竞争力,在7个国家的16个油田规模化应用,取得重大成效。获2013年省部级技术发明一等奖。

  此外,孙金声在非常规油气、海洋深水、大位移井和特大位移井钻井液技术及国家、行业标准制定方面也做出突出贡献。

  这是一个竞争激烈的时代,这也是一个属于创新者的时代。数十年来,孙金声在求学积累和实践历练的基础上,厚积薄发,专注于钻井液技术的研究,不断开拓创新,为我国钻井技术达到和超越国际领先水平立下了汗马功劳。当今世界国家和民族层面的竞争本质上是人才的竞争,谁拥有创新型人才越多,谁就能立于不败之地。美国之所以能一直遥遥领先,原因就在这里。鲁迅先生说过:“中华民族自古以来,就有埋头苦干的人,就有拼命硬干的人……”孙金声及其团队就是这样的人,他们所取得的成就说明,我们国家要真正实现复兴和崛起,需要更多甘愿拼搏并善于创新的人。只有这样,我们才能真正实现中华民族的伟大复兴,真正引领世界的潮流并领先全球。

 

(责编:姚璐莹、张子剑)

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