走出地宫——石油的自述·我的传奇之五

我已经在地下沉睡了亿万年。寻寻觅觅，在地层中找到了我，这仅仅是和我建立联系的开始。你要我为你服务，为你创造价值，那么请你想想怎么把我——石油，从地宫里请出来吧！

顶层设计拿方案

经过无数勘探人的一番折腾， 十八般武艺全上阵，什么野外地质调查、地球化学、地球物理以及二维、三维地震等，终于将目标靶区缩小， 知道了我的藏身之处。那么，接下来该怎么做呢？

一个油田在勘探发现以后，就进入了开发阶段。油田开发是一个很庞大、很复杂的系统工程。例如，油田开发需要花多少钱，需要投入多大的人力、物力来做这件事，参与开发人员的吃喝拉撒睡以及交通、通信怎么解决，生产基本建设怎么搞，油气开发出来之后怎么输送，开发生产中的供电、供水、排水怎么解决，开发中产生的污水怎么处理，等等。更为重要的是，还需要确定油田怎么开发， 需要钻多少井，钻什么类型的井， 用什么方法把油采出来，油田生产规模能搞多大，最终的采油量能否创造经济效益，等等。因此，这就需要编制一个详尽的油田开发总体方案。大庆油田在开发前，就进行了萨尔图油田146平方千米面积开发方案的设计，科学地选定了注水开发等关键技术。

油田总体开发方案， 还要根据后期油田开发的实际进展，不断进行调整。鉴于地下地质情况的复杂性和油田开发过程中的不断变化，不可能一次性地认识清楚，只能分阶段去认识，并根据新的认识，分阶段应用新的技术成果对油田开发进行综合调整。尤其是到了油田开发的后期， 产量逐步递减是自然规律。就像人一样，年轻的时候力拔山兮气盖世， 到了晚年各种精力均不济，各个器官都开始老化，各类疾病难免上身。油田经过长期开发，很多油井都已经损坏，或者需要修补，或者报废。到了这个阶段，注水开发的油田含水率可能已高达90%以上，生产出一吨的液体，实际上只有100千克的油，另外还有900千克的水。

由此可见，为了从地宫里将我请出来，油气开发人员需要操心的事情还多着呢。在设计好开发方案之后， 接下来该怎么做呢？当然是想方设法打开地宫，把我请出来了。而要想打开地宫，就需要钻井。

康庄大道通“地宫”

说起钻井，中国人曾经走在世界的前列。大约距今2200多年前的战国时期，秦国的李冰在广都（今四川省咸都市双流区），成功地用农用工具人工挖掘了四川境内的第一口大口盐井，促进了四川经济的发展。从北宋开始，我国古代钻井技术又有了新发展：一是顿钻大口井发展为顿钻小口井，出现了直径只有碗口大小的小口井——“卓筒井”。二是随着钻井、采卤业的发展，靠人力推动绞盘车的劳动强度越来越大，13世纪出现了用牛力作为绞盘车的动力。直到清朝中期，中国的钻井技术都在世界处于领先地位。但是到了近代石油钻井，中国开始明显地落后于西方。

卓筒井

现代石油钻井已经开始有了不一样的景观，在采油现场，会看到一座座高耸入云的钢架，它不同于一般的电视塔、高压输电塔，在钢架的顶端有一个滑轮组，穿在滑轮组上的钢丝绳带动滑轮组上下游动，它就是油田生产的标志性设施——钻井井架。

钻井井架是打开“地宫”之门的主要部件，是由古老的“顿钻”的三角支架发展而来。它不仅承受整个钻井设备的重量，有时还要经受钻井过程中各种自然灾害的威胁。

高高的井架下面，连接的是一节一节的钻杆，在石油钻机的驱动下， 钻杆带动钻头破碎岩石，深入地下。俗话说“没有金刚钻不揽瓷器活”， 要想破碎坚硬无比的岩石，没有更为坚硬的钻头是不行的。你别说，石油钻井用的钻头上，还真有金刚石。

高高耸立的钻井井架

即使是金刚石钻头，钻的时间长了也会发热。怎么办呢？停下来休息冷却一下？那太耽误工夫了。石油工人有办法，最早的时候用循环水冷却钻头。循环水一方面可以冷却钻头，另一方面，还可以将钻头破碎岩石形成的碎屑带回到地面。循环水另外一个重要的作用是保护井壁，防止钻井过程中井壁坍塌，一举多得，怪不得被人称为钻井的“血液”。在钻进时，地层中的泥质与循环水混合到一起形成浑浊的泥水，因此，最早的时候称为“泥浆”。后来，随着钻井技术的实践和发展，钻井用的泥浆还可以添加各种各样的化学制剂，从而形成了不同“血型”的“血液”，后来统称为钻井液。

配置不同密度的钻井液

经过一番辛勤的劳作，钻头到达了“地宫”，钻井达到了设计的深度后，是不是就能立即将我“请”出来呢？还不行。这是因为，石油开采是一个长期的过程，有的油井寿命长达几年、十几年甚至几十年，如果不好好将通入“地宫”的通道布置一番， 有可能造成井壁坍塌，那怎么对得起那么昂贵的花费？

要知道，在我国陆地上钻一口井， 少则上千万元，多则上亿元，如果在海上钻井，那花费就更是令人难以想象。

怎么布置这条通道呢？首先，要在这条通道中下入一条钢管，称为生产套管。这层套管，就是后期石油从地层中流到地面的通道，可以保证油井的长期稳定生产，并满足油气开发和今后增产措施的需要。

在钻头钻开的圆柱形井筒内，钻头除了破碎下面的岩层，对周围的井壁也能造成一定的破坏，那时间长了，井壁会不会坍塌呢？为了防止井壁坍塌， 在井壁与套管之间还设计了一个环形空间，在这个环形空间注入水泥封固起来，井壁就稳固多了，一条通往“地宫”的“康庄大道”就修好了。

在井下观察“地宫”

我深埋于数千米的地下，为了找到并将我牵出“地宫”，需要钻井打开地层。那钻井深入几千米的地下，怎么掌握打到地下的钻头是垂直的还是倾斜的？还有一些井，本身就要求倾斜的，但是倾斜的方向是否是我们需要的？这就需要对钻井的过程进行监控。有什么办法呢？是否有一种仪器，能实时观察井下的情况，给地面人员提供实时信息呢？

钻井泵将钻井液从罐中吸入然后泵入地下

地下地层是由各类岩石组成的， 不同岩石具有不同的物理和化学性质，为了研究各类岩石的性质，以及井下地层是否含有石油天然气和其他有用矿产，建立了一门实用性很强的边缘学科——地球物理测井学， 简称“测井”。它以地质学、物理学、数学为理论基础，采用计算机信息技术、电子技术及传感器技术，设计出专门的测井仪器，沿着井身进行测量，得出地层的物理性质、化学性质、地层结构及井身几何特性等各种信息，为石油天然气勘探、油气田开发提供重要数据和资料。测井的井场作业由测井地面仪器、绞车和电缆组成，通过电缆把下井仪器放到井底， 在提升电缆的过程中进行测量。

测井作业示意图

测井在油气勘探和油田开发过程中具有举足轻重的作用。在钻井过程中需要及时了解井身是垂直的还是倾斜的，如果是倾斜的，要测出是向哪个方向倾斜，还要测量井眼直径。在钻大斜度井和水平井时，要及时控制钻井方向和位置，以保证在有前景的目的层中钻进，这就需要工程测井和随钻测井提供有关信息，指导钻进过程。在钻完井后，要用一系列地球物理测井方法对井下地层进行测量， 确定地层是水平的还是倾斜的，是由何种岩石构成的，并且划分出含油气地层和含水地层，提供含油气地层的准确深度和厚度，地层储存油气空间的大小，含油气的多少，以及石油天然气是否能开采出来。总之，从一口井开钻起，到油层枯竭、油井报废为止，都要进行地球物理测井。地球物理测井是油气勘探和油田开发全过程中最可靠的监测方法。

野外测井作业车

很多人肯定玩过一个益智小游戏——贪吃蛇。哪里有目标，那条小蛇就游动到哪里。地下的油气，也是分散在不同的层位、不同深度、不同类型的地层中，形成了许许多多大小不一、形态各异的“地宫”。钻井的时候，能不能像贪吃蛇一样将这些“地宫”都给串起来？这样钻一口井就可以打开更多的地宫，也就能采出更多的油气？你别说，还真有这样一种技术，但世界上只有极少数国家掌握这种技术，中国是其中之一。

国产“贪吃蛇”钻井技术做到了“指哪打哪”

2015 年5月6日，中国海洋石油研发的旋转导向系统和随钻测井系统在渤海油田的一次作业中，成功命中1613.8米、2023.28米和2179.33米三处靶点，标志着我国成为世界上第二个掌握“贪吃蛇”钻井技术的国家。这项技术，可以在地下几千米的深处，让直径0.2米的钻头在0.7米厚的很薄的油层中横向或斜向稳定穿行，实现一趟钻“横向”移动1000米的长距离作业。这种精准制导，对降低开发成本、最大化开发油气田资源具有重要价值。

脱桎梏载歌载舞

经过钻井工人的努力，“地宫” 之门已经打开，通往“地宫”的通道也已经布置完毕，那怎么能将井底的油气“请”到地面上来呢？

很早以前，人们用最简单的提捞方式开采原油，就像用吊桶在水井中提水一样，用绞车将原油从油井中提取上来，但这种方法只适用于油层非常浅、压力很小、产量很低的油井。

随着石油工业的发展，越来越多产量高、埋藏深的油田被发现，原来那套人工提捞的方法无法在这些油井上使用，尤其是现在的油井，都是几千米深，怎样才能将油气采上来呢？

在油田开发初期， 储存油气的地层在上覆地层的重压下受到压缩， 从而聚集了大量的能量，当钻井打开油层后，石油和天然气必然向处于低压区的井筒流动，油气会通过油井喷射到地面。就好比一个充满气的汽车轮胎，当拔掉气门芯后，被压缩的空气会通过气门喷射而出，这样的井称为自喷井。自喷井的产量一般都比较高。例如，中东地区有些油井每口井日产量可达1～2万吨。

到了油田开发的中后期，油层的压力逐渐减小，不足以将地层内的油气压向井筒并最终喷出地面，这时就需要向地层注水补充能量，增加油层的压力，以延长油井的自喷期。

随着油田的继续深入开发，无论怎样给地层补充能量，都不能将油从井底“托”到井口。这就好比人到老年， 吃再多的补药，也只能延缓衰老，再也不可能恢复年轻时候的雄风。这个时候怎么办呢？只能通过人工“举升”，将井底的油“举”上来。

当我们路过油田的时候，肯定见过这样一种景观：放眼望去，有无数类似于毛驴一样的设备在“吭哧吭哧”的负重前行，“驴头”不停地上下摆动，好像在“磕头作揖”，于是人们给它起了个诨名——磕头机。这种磕头机，其实就是一种将油从井底抽上来的机器。其工作原理类似于农村从水井里抽水的“压井”，里面有一个活塞，通过活塞的上下运动，将水从水井抽吸到地面。不过采油用“磕头机”的动力来源于电力，毕竟，人力虽能从几十米深的水井抽水，但要想从几千米深的油井抽油，难度有点大啊！

还有一种效率相对更高的将原油从井底“托”到地面的设备，就是电动潜油泵。它的工作原理和农村灌溉用的电动水泵一样，通过叶轮的高速旋转增加液体的能量，从而将油从井底“托举”到井口。

潜油电泵示意图

作者：马新福