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      企業動態

      特種水泥系列報道② | 油井水泥:做能源開采的“護航艦”

      來源:中國建材雜志、中國建材總院  發布時間:2021-03-18

      特種水泥,是較通用水泥而言具有某些特殊性能或特種功能,以滿足各行業工程建設特殊需求為目的的水泥,被比作水泥“皇冠上的明珠”。上期小料為大家分享了低熱水泥的故事(點擊藍字可查看),今天小料帶大家一起去看看油井水泥的故事~

      油井水泥

      做能源開采的“護航艦”

      2019年7月,一個轟動的消息從新疆塔克拉瑪干大沙漠傳來:塔里木油田負責的輪探1井順利完鉆,井深達8882米,成為目前亞洲陸上最深井,相當于在地下打穿了一個珠穆朗瑪峰!

      塔克拉瑪干沙漠是世界第二大流動性沙漠,塔里木油田身處沙漠腹地,被譽為“死亡之?!敝械膶毑?,這是人類工程史上又一奇跡,同時也標志著塔里木油田超深井鉆井技術達到世界領先水平。輪探1井地質資料極度匱乏,工程師和科學家們反復優化論證,成功克服超高壓、超高溫、超高地應力等一系列鉆探難題,將鉆頭送達接近9000米的地層深處。由中國建筑材料科學研究總院有限公司(以下簡稱“中國建材總院”或“總院”)自主研發的油井水泥以其優異的性能,作為鉆井管道的護航艦,在嚴苛的地質條件下高質量地完成了油井固井,為“中國奇跡”又添上了濃墨重彩的一筆。

       

      從零開始 大慶油田幕后的“鐵人”

      1959年,位于黑龍江省的松基3井噴出工業油流,標志著大慶油田的正式發現。老一輩石油人創造性地應用和發展了陸相生油理論,找到了全球最大的陸相砂巖油田——大慶油田,打破了“中國貧油論”,這個消息迅速傳遍南北,舉國歡慶。而國家石油部和相關科技人員并沒有過多時間來慶祝,擺在他們面前的有一項艱巨而重大的任務——如何對資源進行有效開采。在黨和國家的號召下,一場飽含愛國熱情和創業干勁的大慶石油大會戰迅速開展起來。

      其實,早在大慶油田發現的前期,國家就已經未雨綢繆,開始了在石油開采領域的探索。

      1958年前后,受國家石油工業部委托,原國家建材局將油井水泥的研發交給了新中國第一個建材科研機構,同時也是我國建材領域最具科研實力的中國建材總院。接到命令后,總院各部門迅速投入工作,緊鑼密鼓地籌備與開展油井水泥的研發工作。

      油井水泥專用于油井、氣井的固井工程,又稱堵塞水泥。它的主要作用是將套管與周圍的巖層膠結封固,封隔地層內油、氣、水層,防止互相串擾,以在井內形成一條從油層流向地面且隔絕良好的油流通道。這就要求其在水泥漿注井的過程中有一定的流動性和適當的密度;水泥漿注入井內后,應較快凝結,并在短期內達到相當的強度;硬化后的水泥漿應有良好的穩定性和抗滲性、抗蝕性。

      建國初期,百廢待興,中國建材總院的科學家參考蘇聯油井水泥生產與質量標準,經過一段時間的刻苦專研,逐步探索出油井水泥的生產技術,并運用于實踐。兩年多的時間,通過一次次試驗與試生產,中國建材總院所研發的第一款國產油井水泥逐步揭開了神秘面紗。1960年,這種水泥陸續由江南水泥廠、撫順水泥廠兩家歷史悠久的水泥企業進行了工業化生產,并成功運用于大慶油田的油井固井。

      回憶起那難忘的大會戰時光,中國建材總院的老科學家們不甚唏噓,雖然無法同王進喜一般,時刻在一線沖鋒陷陣,但他們是大慶油田幕后的“鐵人”。那段時間里,他們總是通宵達旦,實驗大樓徹夜燈火通明,為了國家的需求,大家都在齊心協力,加緊研發油井水泥,而研發的成果也讓人欣喜。如同攻城略地一般,總院老一輩科學家在極短的時間內攻克了一個又一個技術壁壘,從研發到應用僅用了兩三年的時間,中國建材總院成功在大慶油田大會戰中貢獻了超高“戰斗值”。如今,60年過去了,大慶油田依然在為國家的發展源源不斷地輸送動力。 

      勇于開拓 挑戰一切“不可能” 

      改革開放后,中國逐漸走向國際,我國的油井水泥也開始引進美國API(美國石油協會)的相關標準,在該標準中,油井水泥根據地層深度被分為A~J共9個品種。但在中國南北差異大,水泥原材料和工藝裝備不同,需要我國科研人員走出一條不同的路,實現API系列油井水泥生產技術的國產化,滿足我國復雜油氣賦存環境的固井工程需求。

      1988年,通過6年多探索研究和應用,總院不僅攻克國產化難題,而且主導制定了GB 10238《油井水泥》國家標準,制定出了一套“土生土長”油井水泥產品標準,經過多次修訂更新至2015年版,并且沿用至今,該項技術成果也曾多次獲得國家科技進步獎。

      在這之后,中國建材總院的特種水泥研發不斷推進與推廣,我國特種水泥事業出現了迅猛發展,成功實現了從技術到工藝的“中國制造”。至此,我國油井水泥從技術工藝、產品標準到生產、運用都真正實現了本土化。

      30多年來,由中國建材總院研發的油井水泥服務于國內外多個油田,截至目前,我國每年油井水泥的產量約為300萬噸,由它們澆筑而成的固井結構穩扎穩打地為國家能源行業續航。

      進入21世紀,隨著我國經濟的迅猛發展和社會的快速進步,中國在國際社會中的政治地位也在快速上升,能源作為強勁的動力推動著國家機器的快速運轉,國家圍繞新基建制定了一系列能源計劃:建設國內能源互聯網骨架,推動“全球能源互聯網”,穩定石油供應,積極開發新能源……圍繞新基建開展的能源計劃已經部署至2050年,這樣恢弘的規劃,彰顯出我國發展戰略的長遠目光——不急不緩,徐徐圖之。

      在這樣的大背景下,中國建材總院特種水泥研究團隊也在穩扎馬步,刻苦修煉。在科研人員的不懈研發下,如今的油井水泥可謂“十八般武藝樣樣精通”,不僅能用于原油開采,還可用于頁巖油、頁巖氣、可燃冰、天然氣等新型能源的開采。

      西南油氣田頁巖氣固井現場

      目前,中國的石油固井技術在一些方面已經實現了超前領跑。因為相較于那些一鏟子就能挖出“黑金”的石油大國,中國本土石油采集深度深、難度大、成本高,加之我國復雜至極的地質地貌條件,使得能源采集環境顯得尤為苛刻。

      以塔里木油田8882米的輪探1井為例,每往下挖100米,地溫將升高2℃~3℃,也就是說,當油井水泥到達位于地底的“珠穆朗瑪之巔”時,將處于230℃~240℃左右溫度環境下,此外還需要承受高于地面數百倍的壓強。而固井中下灌的油井水泥必須在0℃~240℃這個超高落差的溫度區間中滿足穩定的壓強、溫度、流動性、黏性以及硬化后的韌性、硬度等一系列復雜的條件。在水泥漿下灌過程中,還需嚴格控制水泥漿凝固時間,也就是說要讓同一種水泥在不同的溫度和壓力條件下按照規定時間實現快速凝固成型,難度可想而知。此外,水泥漿是極易產生化學反應的水化物體,固井施工過程中,地下的地質、溫度、壓力以及特殊氣體等都極有可能與水泥漿發生化學反應,產生不利影響,進而影響后期固井效果,使得固井水泥環出現裂紋,裂紋受到地下壓強的影響逐步擴大,則可能會導致油氣外漏,更嚴重者甚至會造成井噴等惡性事件的發生。除了施工時的難度,固井所用的水泥還需維持10~15年使用壽命。而中國建材總院特種水泥團隊一一攻克了這些技術壁壘,并成功運用于這些國家重點項目。

      隨著大慶、勝利等老牌油田開發,進入了深度挖潛階段,在地質因素、工程因素的綜合影響下,這些老牌油田保留著一些未開采完全的老井以及部分無法修復的廢棄井,存在著資源浪費和潛在的安全威脅。中國建材總院特種水泥團隊開始著手研制廢棄井修復材料,專注于研發用于修復的油井水泥。從水泥品質上來看,修復時需要的油井水泥復雜程度遠高于開采時使用的材料,這是由于廢棄老井的固井水泥環受到地下氣體、液體、砂石等長期沖蝕,導致水泥環破損、失去作用。采用性能更優的油井水泥對破損區域進行修復,完成之后的強度與韌性會比原本更高。在不斷研究與實踐下,這種專門用于修復廢棄井的油井水泥成功應用于該項目,并取得了良好的成效,再次為我國的能源可持續發展戰略創下功績。

      近年來,我國石油勘探工作不斷推進,數個高儲量的油氣田被探索出來,它們多數都伴隨著地質復雜、開采難度大等特點,對水泥材料也提出了更加苛刻的要求。但這并難不倒永遠在探索未知的總院科研人員,他們就是要變一切不可能為可能。

      攜手伙伴 大步向前“共創共贏”

      油井水泥的發展,離不開一直信任與支持的伙伴。

      幾十年來,中國建材總院的油井水泥技術助力了大慶油田、遼河油田、勝利油田、華北油田、中原油田、大港油田、長慶油田、四川油田、克拉瑪依油田、塔里木油田等國家重點油田的石油開采項目,常年穩定的合作奠定了總院在特種水泥領域無可替代的口碑。

      在生產方面,從最早的江南水泥廠、撫順水泥廠到如今的嘉華公司、河南同力、青松建化、天山水泥、葛洲壩水泥、山東華銀、大連水泥等全國20余家知名特種水泥企業,作為中國建材總院的長期合作伙伴,積極配合和參與特種水泥的研發,在總院的技術支持下積極調整,制備出了質量高、性能好、工藝領先的油井水泥,服務了多個國家重大工程建設。針對部分水泥企業“走出去”的發展需求,幫助企業梳理水泥原材料從開采、生產到銷售的全套環節細節,提出相關的規技術建議,以達到精細化生產的效果,協助他們進行API國際認證的技術咨詢工作。

      此外,油井水泥還走出了國門,特別是進駐“一帶一路”沿線國家,同北京凱盛、中材國際等中國建材集團旗下的海外工程企業一同支援非洲國家的能源開采與基礎設施建設。如剛果布的FORSPAK油井水泥生產線項目、阿爾及尼亞的STG油井水泥生產線項目等,總院技術人員手把手地教給當地水泥廠工人先進的工藝技術,為當地的經濟發展帶去了尖端的技術和源源不斷的動力,同時也深化了中國與“一帶一路”沿線國家的友誼。

      薪火相傳 路在腳下心向“遠方”

      今天,由中國建材總院研發的油井水泥“固”住了一個又一個“動力源泉”,讓黑色能源之花在世界各個角落綻放開來。

      這一切源于總院幾十年的積淀,也來自于一個10多人組成、平均年齡僅35歲的年輕團隊。

      這個年輕的團隊充分吸收了總院特種水泥團隊前輩們傳承下來的養分,充分揮灑智慧與想象力,攻克了一個又一個復雜的油井水泥技術難題,一刻不停地推動著我國特種水泥技術的進步。他們認為,每一口油井都有其獨特的性格,要想保證工程萬無一失,必須經過專業的現場勘探與實驗室中反復實驗調配,以及生產環節的嚴格監督。

      他們大多處在而立之年,或新婚燕爾,或正值兒女成長的最好時刻,為了確保水泥成品的質量,犧牲陪伴家人的時光,反復奔走于實驗室、生產現場、施工現場,每個環節都要嚴格把控。

      中央企業勞動模范、中國建材總院水泥科學與新型建筑材料研究院院長文寨軍作為團隊領頭人,積極踐行以國家重大工程建設需求為導向,以引領特種水泥行業發展為目標的團隊精神。文院長回憶,早在1994年,他剛剛參加工作的時候,曾趕赴水泥企業參與技術服務,當時的技術還并不成熟,但時間緊、任務重。為了調試好需要使用的油井水泥,他花了整整七天七夜的時間,但當懷著忐忑的心情看到水泥漿灌入井下成功固井的那一刻,年輕的他早已忘卻疲憊,心中只剩滿滿的成就感。

      在中國建材集團的正確領導下,憑借著中國建材總院強大的科研實力,“中國特種水泥先行者”文寨軍帶領團隊,用更少的時間、更快的效率、更準確的配比以及更專注的精力做好每一個項目。

      “不能把經驗當技術,但豐富的經驗可以提供一定的參考?!碧胤N水泥團隊學術帶頭人郭隨華博士在接受采訪時向記者講,作為中國特種水泥領域的絕對王牌,團隊的每一位成員都深感自豪,但絕不是自負。他們堅持奉行不斷學習提升,總是與工廠中的技術人員打成一片,相互切磋技藝,屢屢碰撞出科技的火花。郭博士說:“一些工廠的技術人員水平也很高,他們長期身處生產一線,有著豐富的經驗,能為我們帶來許多值得參考的思路。切勿自負地以為自己是科研人員就不可一世,搞科研其實是一個不斷學習進步的過程?!?/span>

      技術就像是高塔上的窗戶紙,弄懂原理很簡單,但想爬到塔上捅破這層窗戶紙卻是難上加難。

      每每提到科學家,大家總會覺得“高大上”,但實際上我們可能并不知道他們在背后付出了什么。

      需要使用到油井水泥的重點項目通常集中在偏遠地區,荒無人煙,交通不便,在路途上顛簸十幾個小時實屬家常便飯,而這些施工現場的工作和休息環境也并不優渥。在生產現場,團隊人員也需要反復調研生產線,從實驗室到整個工藝流程,一趟下來大約要花費五六個小時,夜間生產時也需要全程站崗,無論嚴寒酷暑還是日曬雨淋,只要項目有需要,他們就會一直堅守。

      “我們研發的水泥都是服務于國家重點工程的重要材料,一旦出現問題,那就會是大問題?!边@是團隊科研人員時常掛在嘴邊的話,也是他們萬事追求完美的重要原因。

      從肥沃的松花江流域到寸草不生的塔克拉瑪干沙漠,從渤海之濱到陜甘寧盆地。來自中國建材總院的油井水泥在世界油氣田固井領域書寫了一個又一個奇跡。

      一個新的材料從研發到運用可能需要幾十年的時間,耗費幾代人的汗水與心血,特別是如油井水泥這類國家基礎建設的重點材料。以國家重大工程建設需求為導向,以引領水泥新材料的質量發展為目標,中國建材總院穩扎穩打,與國家油井事業并肩作戰,不斷開拓油井水泥的無限可能。