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進軍超深層,鉆出“地下珠峰”——塔里木油田超深油氣勘探開發紀實
發布時間:2022-08-19 來源:科技日報

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塔里木油田鉆井現場塔里木油田公司供圖

位于沙漠腹地的塔中第三聯合站塔里木油田公司供圖

  在塔里木這個我國陸上最大的含油氣盆地,分布著全國80%以上的超深井。憑借超常毅力、創新理論、高超技術、先進設備,塔里木石油人已經向下鉆出了41座垂深超過8000米的超深井。

  8月,當陽光刺破云層,投射在廣袤的塔克拉瑪干沙漠,一座座紅白相間的井架點綴其間,散發著蒼涼冷峻的工業之美。

  目之所及,是一幅現代石油工業的壯闊畫卷。在塔里木這個我國陸上最大的含油氣盆地,分布著全國80%以上的超深井。憑借超常毅力、創新理論、高超技術、先進設備,塔里木石油人已經向下鉆出了41座垂深超過8000米的超深井。

  塔里木盆地,有著天賦異稟的油氣資源,也有著難以捉摸的脾氣秉性。在這里鉆井,像成本極高的開盲盒。

  在令人望而生畏的無人區,刀片山、鋸齒崖、沙漠戈壁、死亡之海……惡劣的自然環境和復雜的地質情況像是一道不可逾越的天塹,給油氣勘探開發籠上一層厚重的陰霾。從20世紀50年代末到80年代初,老一輩石油人歷經五度上馬、五度下馬,打了130多口探井,卻只收獲兩個中型油氣田……

  時光穿梭至2021年,塔里木油田油氣產量當量繼2020年首次突破3000萬噸之后,又沖上了3182萬噸新臺階,形成了兩個萬億方大氣區和一個10億噸大油區的格局。

  是什么讓這個石油人的傷心地成為能源沃土,又是什么讓這個巨大的盆地創造了一個個顛覆性的頂峰?

  塔里木盆地的勘探開發史,就是對超深領域的不斷探索史。

  勇闖勘探禁區

  “這里是勘探禁區,根本不能做物探。”面對塔里木盆地庫車山前極為復雜的地表地質條件,地球物理學家伊爾瑪茲曾作出這樣的判斷。

  他談及的庫車山前位于盆地北緣、天山南麓,這里峭壁林立,懸崖疊起,峰巒嶙峋,草木不生,如斧砍刀斫過一樣陡峭險要。

  “抬頭見青天,云霧繞井邊,出門就爬坡,走路就攀山。”一首順口溜道出了這里環境的險惡。

  “塔里木盆地是一個大型疊合復合盆地,呈‘三隆四坳’構造格局,發育七個一級構造單元。”指著一張錯綜復雜的地形圖,塔里木油田首席專家楊海軍介紹說。幾句簡單“科普”就已經讓外行人懵圈。

  在塔里木石油展覽館,一個巨大的盆狀模型讓人直觀感受到隆起、褶皺、斷層……塔里木盆地地質構造的復雜,有地質學家打了個比方,就像把一摞盤子打碎了又踹了幾腳。

  在專家眼中,56萬平方公里的塔里木盆地,大致可分為幾大塊,分別是盆地周緣山前地帶的前陸區(前陸盆地)、包括北部天山山前的庫車前陸區、西南部昆侖山前的塔西南前陸區,以及盆地中心的臺盆區(克拉通盆地)。

  “與世界其他盆地地質條件完全不同,塔里木盆地歷經八期構造變形,油氣藏普遍具有超深、高溫、高壓、高含硫、高含蠟的特征,油氣藏埋深大于4500米的探明儲量占總儲量的74.9%,勘探開發難度極大。”楊海軍說。

  歷史也印證著這一點——

  從20世紀50年代初至70年代末,我國先后五上塔里木。受技術水平和經濟條件制約,無法搞清地質結構,無法查明構造形態,縱使老一輩石油人苦苦尋覓,“空井一口接著一口”,僅在中淺層發現依奇克里克和柯克亞兩個中小油氣田,收效甚微。

  進入80年代,原石油工業部組織“六上”塔里木,終于沒有空手而歸,特別是1988年輪南2井取得具有里程碑意義的突破,在塔里木盆地拉開了大規模油氣勘探開發的序幕。

  1989年4月,塔里木石油勘探開發指揮部在梨城庫爾勒成立,兩萬多名石油大軍在此集結,展開了一場新型石油大會戰。

  進入新世紀,塔里木油田石油與天然氣業務并舉,發現了一批大中型氣田,推動了西氣東輸工程的建設投運,2008年油氣當量產量突破2000萬噸。

  向超深層進軍

  過去,難度小、開發成本低的淺層資源,一直是油氣勘探開發的重點。隨著中淺層油氣資源進入開發中后期,以及地質理論、工程技術的不斷進步,超深層油氣已成為全球重要的接替能源。

  關于油氣勘探深度界線的劃分,國內外并沒有明確和統一的界定,通常與地質特征、勘探難度、勘探成本等因素有關,對于中西部盆地來說,一般將埋藏深度4500米作為深層界線,6000米作為超深層界線。

  進軍超深層!興起于20世紀80年代的全球超深油氣勘探,在21世紀初進入快速發展階段,因為中淺層越來越難以發現大型的油氣藏。

  石油地質與構造地質學家、中國科學院院士賈承造認為,隨著對地下認識的不斷深化,“深層儲層很差”的想法已經過時。

  事實證明,的確如此。塔里木盆地埋深超過6000米的石油和天然氣資源分別占全國的83.2%和63.9%,是我國最大的深地油氣富集區。

  然而,一深帶萬難。

  超深層探索之路幾經波折。西氣東輸的投用,帶來塔里木油田天然氣事業的大發展。但是,自克拉2、迪那2后,塔里木油田在6000米以淺再未取得大突破。在6000米以深超深層油氣勘探也是屢屢受挫。

  打探井就像開盲盒,只是開一個超深層的盲盒,至少耗費幾千萬元,甚至上億元。在與世隔絕的戈壁荒漠,奮戰幾百天,如果開出一個空盒子,于鉆井人,是比井還深的絕望,于勘探人,是比山還大的壓力。

  只有先從地質上發現了有油氣的理論支撐,才可能打出油氣田來。面對56萬平方公里的大漠戈壁、斷崖險灘,猶如大海撈針,該去哪兒找油找氣?

  石油工業每一次大發展,都離不開地質理論的先行飛躍。

  “當年,多輪嘗試受挫,我們向往已久的大場面始終沒有出現。我們意識到,必須重新審視勘探思路,采取革命性措施。”塔里木油田企業專家楊文靜說。

  20世紀90年代初從同濟大學畢業時,她帶來的是書本上的知識。組織并指導過多輪風險探井論證,發現多個勘探新領域后,她又積累了很多實戰經驗。

  按照傳統的背斜找油理論,他們相繼在輪南、英買力及塔中三大隆起區5000米左右的深層獲得了高產油氣流,但隨后整體解剖輪南大背斜受挫,深層勘探陷入“有發現,無儲量,無產量”的困境。

  戴著厚厚黑框眼鏡,留著齊耳短發的楊文靜形容那段“受挫—打碎—重塑—再打碎—再重塑”的艱難歷程,是一次對知識與經驗的顛覆性認識,無異于一次靈魂的重塑。

  “構想是勘探的靈魂。完全是摸著石頭過河,國內外其他盆地沒有類似的油氣田和成熟的理論可供借鑒,只能在實踐中摸索創新。”楊文靜說。

  圈閉,是指在地下聚集和保存油氣的場所,是勘探人魂牽夢繞的地方。

  從2005年到2007年,他們在克拉蘇構造帶創造性地開展了“寬線+大組合”二維地震攻關,地震資料品質也因此實現質的飛躍,發現和落實了一批超深圈閉。

  隨著復雜構造區成像質量顯著提高,克深構造神秘面紗一層層揭開;一系列顛覆性地質理論認識,攻克了超深復雜地區的構造建模難題,為超深特大氣田發現提供了理論支持。

  理論突破,一掃過去的陰霾。2008年,克深2井在地下6573米到6697米的井段獲得了高產氣流,打破了當時“6000米是油氣死亡線”的傳統認識,全面打開了克拉蘇構造帶地下7000米的局面,發現了克拉蘇鹽下超深大氣田。

  由此,塔里木進入超深領域規模勘探階段,勘探深度一步步從6000米、7000米邁向8000米,克深8、克深9、克深13、克深5……到2017年底,累計發現12個氣藏,這意味著形成了塔里木盆地第一個萬億方大氣區——克拉—克深大氣區。

  局面就此打開

  還有沒有第二個?

  塔里木油田勘探開發研究院把目標放在了克深旁邊的博孜—大北區域,這里同樣位于克拉蘇構造帶,具有類似的地質條件,也曾獲得勘探發現,但越往西走油氣埋藏越深,普遍超過7000米,勘探難度大,始終未形成規模。

  “好吃的肉都吃掉了,剩下的都是難啃的硬骨頭。”塔里木油田勘探開發研究院黨委書記施英說。

  調研了全球相似盆地后,他們發現毫無先例可直接借鑒。于是,他們聯合國內外多家高水平研究團隊,重新梳理了5500平方公里范圍內的斷裂,系統分析了1000余次天然地震信息,開展了數百次室內物理模擬實驗,用一年時間,終于明確了克拉蘇四大斷裂帶,劃分出四個構造轉換帶,并創新提出了構造變換帶建模理論,找到了開啟地下寶藏的金鑰匙。

  僅用半年時間,就發現落實了21個圈閉,新發現了11個氣藏,博孜—大北的天然氣勘探呈爆發式增長。

  正當大家都以為第二個萬億方大氣區就這樣被發現時,2021年初,博孜21、博孜22等探井、評價井卻接連失利,給了他們當頭一棒。

  問題到底出在哪兒?

  為撥開迷霧,該研究院成立6個攻關小組,全面總結41口井成功與失利經驗教訓,一項一項進行系統分析。

  一個月后,他們又成立了精細勘探專班,系統開展基礎研究。

  專班班長謝會文從克拉2開始就從事克拉蘇構造帶勘探工作,他告訴科技日報記者:“八個月里,專班精細立體解釋了3萬多平方公里地震資料,化驗巖芯樣品近3000塊次,堆起來能裝一卡車,重新繪制地質圖件500余幅,摞起來有半米高。”

  至此,博孜—大北的地下情況漸漸清晰。

  2021年,一批新井重新上鉆,成功率提高了近20個百分點。其中,大北4井在8143米測試獲重大發現,創亞洲陸上碎屑巖氣井深度之最,證實8000米以深仍存在優質儲層,堅定了在超深層繼續尋找大氣田的信心和決心。

  截至2021年底,博孜—大北累計發現了17個超深油氣藏,提交三級儲量7000億方。

  “今年一季度,我們又新落實了8個圈閉,第二個萬億方大氣區基本在握。”施英說。

  2022年7月底,“塔里木油田博孜—大北超深大氣區100億立方米產能建設工程”開工,這是迄今我國最大的超深凝析氣田項目,博孜—大北也步入了全面開發階段,凝析油和天然氣產量將在“十四五”末分別達到102萬噸、100億立方米。

  突破“深度極限”

  8月盛夏酷暑,赤日炎炎,銀沙刺眼。頂著40攝氏度以上的高溫天氣,人在塔克拉瑪干沙漠里行走,只覺得酷熱難耐。

  在浩瀚無垠的沙漠一路顛簸,歷經幾個小時的長途跋涉,終于在數百公里外,記者見到了大漠腹地已建成的年產200萬噸大油田——富滿油田。

  鉆塔高聳入云,在漫天風沙中傲然挺立。

  這是全球陸上最深海相碳酸鹽巖油田,油氣埋深超過7500米,是我國在7500米以深建成的規模最大、開發效益最好的油田,也是我國超深復雜氣藏高效勘探開發示范區。面積超過一萬平方公里、油氣資源量超過10億噸的富滿油田,是塔里木盆地近10年來最大的石油勘探發現。

  “去年塔里木油田擴建完成油氣處理裝置,串聯起了富滿油田東西近160公里的190口油氣井。”塔里木油田哈得油氣開發部經理李旭光是個高大的青年人,身著紅色工作服,“一年大概有三分之二的時間都泡在野外現場”,多年扎根大漠一線的奮戰時光讓他對油田勘探開發的來龍去脈知之甚深,如數家珍。

  上天、下海、入地,是人類探索自然的三大壯舉。作為“入地”的重要手段之一,超深鉆井被稱為“深入地球內部的望遠鏡”。

  2002年,朱光亞院士在考察油田時說,原以為上天難,現在看來入地更難。

  在“碎盤子”中找油難,把油采出來更難。走訪塔里木油田,很多人形容:“在復雜地質條件下,深井超深井的鉆井,就像天天打遭遇戰。”

  理論上可行不代表生產實踐中能一路暢通。深井技術,是“全球少有、國內獨有”的鉆井工程難題。

  這是一場與險惡環境的斗爭、與技術挑戰的較量,更是一場精神的淬煉。石油人不斷挑戰極限,突破禁區,一次次用探索、實踐和創新更改教科書的“金科玉律”。

  7月15日23時,天剛黑透,結束一天繁忙工作的塔里木油田勘探事業部經理賈應林與記者挑燈夜談。

  某位老領導退休后,一次聊天時對賈應林說:“終于不用擔驚受怕了。”

  賈應林太懂他了,老領導的責任之一,就是坐上越野車從一個井口趕往另一個,去指導解決各種問題,最怕夜里手機響。

  然而,塔里木盆地地質條件與世界其他盆地完全不同,歷經八期構造變形,地質構造復雜多樣,油氣藏普遍存在超深、超高溫、超高壓等勘探開發難題。

  “起初油田引進的是垂直鉆井技術,結果水土不服,問題層出不窮。”賈應林說,井打不直,深層鉆井周期長,套管磨損嚴重,鉆井過程中井漏和溢流交替發生。地層傾角大帶來的井斜控制和加大鉆壓之間的矛盾,如何準確選擇鉆頭型號,隨著井深增加,高溫和異常超高壓對鉆井裝備和井控工作提出的技術要求……這些都是巨大挑戰。

  縱然地殼深部有豐富的油氣資源,但堅硬的巖石、高溫高壓的極端環境,導致向地球深部探索困難重重。超深井每增加100米,難度就會增加一個指數級。

  比如庫車山前地下上層的巨厚礫石層硬過“金剛石”,最厚可達5000米,中層軟得像橡皮糖的復合鹽膏層最厚達2000米,底部的致密砂巖好比磨刀石。

  塔里木超深井鉆井之難,還表現在井底高溫、高壓和高地應力的共同疊加,近200度的高溫和近200兆帕的高壓,讓堅硬的鉆井工具柔軟如“面條”。

  為了克服儲層超深、超高壓、高溫等多個極限難題,塔里木油田進行了多項技術攻關,創新了超深復雜壓力系統安全封隔技術、發明了三套復雜難鉆地層快速鉆井技術、創建了極端環境下井筒完整性技術。

  其中,油田創新的超深復雜壓力系統安全封隔技術,構建了滿足不同鹽層埋深、層數、蠕變強度的非標井身結構系列,解決了多套超深復合鹽層安全封隔重大難題。

  正是借助該技術,塔里木油田鉆成了亞洲陸上最深井——輪探1井,實現了重大勘探發現。

  2020年1月,位于輪南的風險探井輪探1井,折算日產原油133.46立方米、天然氣4.87萬立方米。該井鉆探井深8882米,相當于在地下打出了一座“珠穆朗瑪峰”,當時創造了亞洲陸上最深井、最深出油氣井等七項紀錄。

  這同時證實了塔里木盆地8200米以深地層依然發育原生油藏和優質儲蓋組合,發現全球最深古生界油氣藏,且鉆井裝備配套、鉆工具、鉆井液全部實現國產化。

  在地下構造最復雜的庫車山前,平均鉆井周期由以往的2年縮短至200多天,實現了“打不成”到難鉆地層“打得快”、復雜地質“鉆得深”、極端工況“靠得住”的重大跨越。

  牽頭聚焦裝備領域,塔里木油田與寶石機械“聯姻”,合力打造了國內首臺四單根立柱9000米超深井鉆機;與寶雞鋼管“牽手”,研發出“超級13鉻油管”,以其更強性能和更低成本,在同區塊和進口油管的“擂臺賽”上大獲全勝。

  目前,300多項重要油氣生產設備實現國產化,自主研發的國產油基泥漿打破了國外長達9年的技術壟斷……一批“石油重器”填補了國內空白,突破了工程技術“深度極限”。

  從“刀片山”上的攻城拔寨,到輪探1井鉆出的“地下珠峰”,再到富滿油田超深層涌出的滾滾油氣,一系列科技創新“組合拳”接連打出,突破了深地復雜油氣藏鉆完井關鍵技術,實現了難鉆地層打得快、復雜地質鉆得深、極端工況靠得住、難動用儲量采得出。

  在中國工程院院士羅平亞、中國科學院院士高德利看來,塔里木深地復雜油氣藏鉆完井技術引領了全球陸上井筒完整性技術發展,實現了規模應用,證明我國深地鉆井工藝技術已跨入世界前列。

  今年5月,塔里木油田首口超9000米的深井開鉆,向塔里木盆地北部超深地層鉆進,這一深度將超越“地下珠穆朗瑪峰”。(記者 滕繼濮 朱 彤 實習記者 鄭 莉 策 劃:趙英淑 林莉君)

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