出品：科普中国
作者：荆博（地质工程师）
监制：中国科普博览
把石油采出来总共分几步？
找到它，打个井，再采出来。
作为液体矿产，石油的勘查开发是典型的探采一体模式。所以，钻探作为贯穿整个油气开发过程的核心工作，其工艺的高低直接决定了油气开发水平。
（图片来源：Veer图库）
石油资源的开采并非易事。不同于固体矿藏，油气藏往往埋在地表深处，需要一定的开采设备进行辅助。不仅如此，液体矿产具有流动性，不合理的开采会导致采收率的降低。
那么人类到底是如何将石油这样的宝贵资源成功开采出来的呢？我国科学家们又进行了哪些尝试呢？
初探：中国真的没有石油吗？
在技术条件比较差的早期，石油的发现同其他矿产一样，靠天然露头。如《汉书·地理志》所云：“定阳，高奴，有洧（wěi）水，可燃。”高奴，大致位于今陕西延长县，打成中国陆上第一口油井。1935年，中国工农红军接收了延长石油厂，其研制的石油产品有力地支援抗日战争和解放战争。
1938年，在中共中央的批准同意下，将延长石油厂的两部钻机及其器材调往玉门，在玉门老君庙打出了第一口产油井，拉开了中国第一个现代化油田、中国石油工业的摇篮——玉门油田的开发序幕，称得上我国重要“功臣油矿”。
玉门油田老君庙油矿
（图片来源：中国政府网官网）
随着第二次工业革命，内燃机的发明推动了石油开采业的发展和石油化工工业的生产，原有的油气资源远不能满足高速发展的生产生活需要。于是，各国对石油开采的重视程度迅速上升。
日本发动侵华战争后，就对我国东北地区进行了广泛的矿产调查和掠夺，油气勘查范围覆盖到了从兴安北省的海拉尔到热河省这样的范围，甚至研发了以蒸汽机为动力的2000米旋转钻机，并在大庆油田的边缘地区打了一口1000米深的探井。
即便如此，距大庆油田的第一口油井——松基三井的1357-1382米之间的储层，仍有差距。
大庆油田发现井松基三井
（图片来源：新华网）
在当时，“海相生油理论”在石油开采领域占据着统治地位。1922年美国斯坦福大学地质学教授勃拉克韦尔德，在一篇题为《中国和西伯利亚的石油资源》的论文中指出：“中国没有中生代或新生代沉积；古生代沉积也大部分不生油；因此，中国绝不会生产大量石油。”我国贫油国的帽子就是这么被扣上的。
有石油，但弄出来还有点难
1939年，我国专家在陆相盆地中发现了甘肃玉门老君庙油田，则动摇了这一理论的统治地位。中国陆相生油理论由此拉开序幕，其后大庆油田的开发及其石油地质研究，则最终奠定夯实陆相生油理论基础。
1960年1205钻井队使用的贝乌-40型钻机主机
（图片来源：大庆油田历史陈列馆）
作为对比，受“海相生油理论”的找油思想的束缚，日本即便引进了美国的物探技术，但仍主要采用以电法为主的勘探技术。即需要先发现了油苗露头后再进行地质结构的调查，勘查效率低。
在中国东北整整三十年后，日本仅获得了黏稠、含硫量很高的重油的勘查成果，而且流量很小，以日本当时的炼油技术，很难用这种石油提炼军队所需的汽油，而且必须从美国导入新的技术和设备，等到顺利生产，战争都结束了。
面对石油资源供不应求的困境，日本只能另寻技术突破之道。为了解决油料入不敷出的问题，日本不得不耗费巨资开展将煤炭液化人造石油的项目，进行一次液化轻油和二次加氢液化石油生产。但由于条件的限制，石油产量不高，并建设了多家人造油工厂。最终因后期的资金、设备不足等问题，均未成功。如此种种，其原因都是钻探设备落后。
石油钻杆和钻头
（图片来源：Veer图库）
单纯的液化油无论数量还是质量，都无法满足日本的石油需求。匮乏的油料使得日本不得不放弃了继续在中国东北地区找油的计划，只留下了一些小型的岩芯钻机，日本也彻底放弃了在中国东北的石油勘探工作，便将目光分别投向了北方的库页岛和南方的中南半岛和马来群岛。
随着北进派在决策层的出局和英法在欧洲战场的失利，让日本意识到，抢占东南亚的丰富资源是解决油料极度匮乏问题的机会到了，印度尼西亚的苏门答腊和达拉根，这些东印度公司等企业的重要产区将唾手可得。
日本南侵第一步便是河内，继而与德国和意大利签订军事同盟，也引起了美英等国的强烈反应。美国国务院在1940年发表了一份对日本道义禁运的声明，对辛烷值87以上的航空汽油实施禁运。英国和荷兰也纷纷效仿，英国切断了婆罗洲向日本的石油供应；美国说服荷兰东印度公司暂停向横滨和长崎运送石油。这种无异经济上的向日本宣战措施，并未起到遏制日本的作用，反而促使驱使日本铤而走险，制定完成了攻击珍珠港的计划，最终迫使美国放弃中立，加入盟军阵营，这成为太平洋战争爆发的导火索。
古荷兰东印度公司的标志
（图片来源：Veer图库）
当然，这只是油气勘查开发工作的必要性和紧迫性的体现之一。即便能源消耗结构发生了变化，但只要油气的消耗需求一直在，勘查开发的工作就在。
石油勘查与开采的难点到底在哪儿？
随着勘查程度的加深，开发工作的成本日益增高。随着陆域范围内适宜发育油气藏的大中型盆地差不多都被摸了一遍，油气勘查的重心从中浅层转移到深层和超深层。
在我国，这种趋势尤为明显。一方面是我国的油气消耗和对外依赖度一直在增大，另一方面则是我国孕育中浅层油气藏的地质成藏条件确实不佳，反倒是在中西部盆地相继发现了塔河、普光、安岳、靖边、顺北等一批大型油气田，说明我国已探明的深层和超深层碳酸盐岩油气藏特征与全球的有很大差异，展示出广阔的勘探前景。
塔里木盆地顺北油气田：顺北42X测试获高产工业油气流
（图片来源：澎湃新闻）
中国的油气勘探对于深层和超深层的突破更迫切了。于是，压力从新的成藏理论转到了钻探装备上。
早期的石油钻探设备使用的是冲击钻探，其原理就是用一个大铁锥进行反复的吊起冲击，像一个大凿子一样破碎下方进行工作。
这种方法最早是我国西南地区用于开凿汲取小口径井盐的设备，钻进能力达几百米，最深可以开凿千米深的盐井，距今有超过1000年的历史。
20世纪初才出现的旋转钻探，主要依靠旋转和压力像电钻一样作业，让钻机的工作效率提高数倍，在钻进极限上也提高了数倍，最深超过一万米。
夜幕下的“地壳一号”万米钻机整机系统
（图片来源：新华社 许畅摄）
对于固体矿产而言，使用具有几千米钻进能力的常规液压旋转钻机已经完全足够。因为钻进能力已经超越了我们的固体矿产地下巷道开采能力，但对于油气这种探采一体的矿产，其能力仍然不够，因为油气资源的开发困难体现在两个方面。
对固体矿产煤进行开采作业
（图片来源：Veer图库）
一方面是难探。难探有三个原因，一是深部的钻探是必须的，无论多完美的理论还多么丰富细致的地面地球物理勘测，最终都需要进行深部钻探验证；二是随着勘查深度的提升，勘查经费在加速燃烧。就像盖楼一样，随着楼层的增高，无论是基础还是结构都需要进行充分的冗余设计和建设；三是勘查随着勘查程度的提高而不停调整，钻探工作在高温、高压、高盐的环境中，勘查风险和难度持续增大。
弹性波勘探技术
（图片来源：中国石油新闻中心）
在具有挑战性的油井中，孔隙压力、裂缝梯度和复杂的几何结构结合在一起，形成了一个狭窄的操作窗口。实际操作过程中，跟在深部地层中绣花差不多。无论是无法回馈有效的钻井参数，还是侧切能力弱，钻头转向困难，甚至是钻探的操作能力区间范围小，都会导致成本高昂且耗时的事件发生。
另一方面就是难采。油气的成藏要素中，生储圈盖在地层中整体还是处于一个平整的状态。就像你吃的溏心荷包蛋一样，我们想获取的是其中溏心（油气）部分，但其微观结构则没有那么简单，更像是打了无数隔水夹层的海绵。你想采取油气就必须钻进到合适的位置，然后地层的压力就会直接把海绵里的水（油气）直接压出。
但问题是隔水层（盖层）的存在，让你虽只有一层之隔却无能为力。所以我们最想做的就是尽可能多的联通各个储层，当然也可以选择打断盖层（压裂法）。
水力压裂钻机
（图片来源：Veer图库）
这就是我们开采所遇到的困境，一是我们难以仅靠物探手段就能清晰准确研究地下深部精细尺度的地质构造，二是我们即便获取了精细构造也需要有足够灵活的钻探技术直接到达我们的预期层位。
继续找油！办法总比困难多
为了成功开采到石油，人们找到水平井这一最直接的解决办法。水平井因平行于地层，比垂直井能开采更多的油气。致密地层的渗透率非常低，油气难以向井筒运移，通过水力压裂和支撑剂磅数，提高渗透率，在横向长度的增加提高了单井中油气储层的暴露面积，可以实现致密油气层的经济开发。2010年以来，水平井成为页岩气和致密油的主要生产方式。
不仅如此，油田开发的中后期尤为困难，也极大推动了钻井导向技术的进一步发展。老油田经过多年的注水开发，大部分油井进入高含水阶段。地下油层被水淹后，只有薄薄一层油漂在水面上，俗称为“水上漂”。这时水平井钻井技术便能派上用场，它能够大大提高了靶心正中这层油皮的可能性，这也是钻井导向技术发展的一大动力。
中国石化江汉油田涪陵页岩气田焦页18-S12HF井顺利完井，其中水平段长4286米，水平段"一趟钻"进尺4225米，标志着我国页岩气超长水平井钻探取得重大突破
（图片来源：光明网）
单纯的钻井导向技术远远不够。在钻井过程中，由于地质目标探测手段单一、井眼轨迹控制难度大，难以及时准确跟踪目标油层，导致储量钻遇率低，复杂油气藏不能高效开发。
当油田地层类型和走向变化复杂、储层位置不确定，其挖潜方向进而转向薄差层、油砂体，便对随钻测井技术提出了要求。
当下主流技术远不满足于单纯的钻井导向，还会搭配复杂的地球物理勘测设备，发展成一套趋于成熟的随钻测井设备，使用数学分析方法将地震属性与测井曲线联系起来，建立了钻前地质导向模型用于智能导钻。借助于统计模型的帮助能够自动发现样本，并自动预测储层情况，准确控制井眼轨迹，提高钻遇率水平。
随钻测井技术“璇玑”系统完成作业任务，从井下提升返回地面
（图片来源：新华网）
油气资源钻探有了智能导航
近期，我国攻关的国产智能导钻在位于塔里木盆地西部的TP259-2H生产井实钻应用中取得重要进展，获得了高产工业油气流。这一应用进展证明了我国迈入了超深层油气勘探开发技术的高端领域，掌握了关键核心技术，实现了钻井、测井、录井、试油、地球物理探测等整个产业链的核心技术发展。
同时，这一国产“石油重器”问世，技术与装备实现突破，设备研发自由自主，有力的支撑了与我国地质成藏背景相适应的油气勘探理论的验证和创新。
智能导钻随钻方位电磁波电阻率成像测井仪入井照片
（图片来源：中国科学院）
我国上游业务实践中，超深层盆地深层温度高、压力大、油气成熟度高和近源成藏，更利于天然气及轻质油的生成，资源量丰富、勘探程度低。油气发现的重大战略性突破基本集中在深层超深层，如塔里木盆地山前、四川盆地、准噶尔盆地南缘、柴达木盆地等的增储上产皆赖于此。
此外，我国仍有数量众多的长期注水不受效、多次措施无效后，已经采取停产措施老井。通过“智能导钻”进行油层内定点定方位取芯，采剩余油，是未来老油田稳产和上产是提高资源利用率的必由之路，成为低渗透储层低成本挖潜的有力手段，在老油田剩余油挖潜中具有极为广阔的推广空间，将进一步提升我国自有油田的战略保障能力。
高速井地传输系统（HST）试验成功
（图片来源：中国科学院）
结语
把石油采出来总共分几步？现在再来看这个问题，你会发现我们走了一步又一步，如今也仍在迈步。
对我国而言，从最初被各国扣上“绝无石油资源”的帽子，到如今“智能导钻”轻松采油成为现实，这其中反复试验的努力与汗水是难以估量的。
也正是因为科学家与开采人员的付出，才使得石油这一战略资源有了坚实保障，更是让国家经济、社会发展以及国防安全有了巨大底气。
2023-09-10
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