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特種水泥系列報(bào)道② | 油井水泥:做能源開采的“護(hù)航艦”

來源:中國建材雜志、中國建材總院  發(fā)布時(shí)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(yè)工程建設(shè)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(diǎn)擊藍(lán)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(hù)航艦”

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

塔克拉瑪干沙漠是世界第二大流動(dòng)性沙漠,塔里木油田身處沙漠腹地,被譽(yù)為“死亡之?!敝械膶毑?,這是人類工程史上又一奇跡,同時(shí)也標(biāo)志著塔里木油田超深井鉆井技術(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。輪探1井地質(zhì)資料極度匱乏,工程師和科學(xué)家們反復(fù)優(yōu)化論證,成功克服超高壓、超高溫、超高地應(yīng)力等一系列鉆探難題,將鉆頭送達(dá)接近9000米的地層深處。由中國建筑材料科學(xué)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(fā)的油井水泥以其優(yōu)異的性能,作為鉆井管道的護(hù)航艦,在嚴(yán)苛的地質(zhì)條件下高質(zhì)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(yè)油流,標(biāo)志著大慶油田的正式發(fā)現(xiàn)。老一輩石油人創(chuàng)造性地應(yīng)用和發(fā)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(gè)消息迅速傳遍南北,舉國歡慶。而國家石油部和相關(guān)科技人員并沒有過多時(shí)間來慶祝,擺在他們面前的有一項(xiàng)艱巨而重大的任務(wù)——如何對(duì)資源進(jìn)行有效開采。在黨和國家的號(hào)召下,一場飽含愛國熱情和創(chuàng)業(yè)干勁的大慶石油大會(huì)戰(zhàn)迅速開展起來。

其實(shí),早在大慶油田發(fā)現(xiàn)的前期,國家就已經(jīng)未雨綢繆,開始了在石油開采領(lǐng)域的探索。

1958年前后,受國家石油工業(yè)部委托,原國家建材局將油井水泥的研發(fā)交給了新中國第一個(gè)建材科研機(jī)構(gòu),同時(shí)也是我國建材領(lǐng)域最具科研實(shí)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(fā)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(jié)封固,封隔地層內(nèi)油、氣、水層,防止互相串?dāng)_,以在井內(nèi)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(dòng)性和適當(dāng)?shù)拿芏?;水泥漿注入井內(nèi)后,應(yīng)較快凝結(jié),并在短期內(nèi)達(dá)到相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度;硬化后的水泥漿應(yīng)有良好的穩(wěn)定性和抗?jié)B性、抗蝕性。

建國初期,百廢待興,中國建材總院的科學(xué)家參考蘇聯(lián)油井水泥生產(chǎn)與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)過一段時(shí)間的刻苦專研,逐步探索出油井水泥的生產(chǎn)技術(shù),并運(yùn)用于實(shí)踐。兩年多的時(shí)間,通過一次次試驗(yàn)與試生產(chǎn),中國建材總院所研發(fā)的第一款國產(chǎn)油井水泥逐步揭開了神秘面紗。1960年,這種水泥陸續(xù)由江南水泥廠、撫順?biāo)鄰S兩家歷史悠久的水泥企業(yè)進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn),并成功運(yùn)用于大慶油田的油井固井。

回憶起那難忘的大會(huì)戰(zhàn)時(shí)光,中國建材總院的老科學(xué)家們不甚唏噓,雖然無法同王進(jìn)喜一般,時(shí)刻在一線沖鋒陷陣,但他們是大慶油田幕后的“鐵人”。那段時(shí)間里,他們總是通宵達(dá)旦,實(shí)驗(yàn)大樓徹夜燈火通明,為了國家的需求,大家都在齊心協(xié)力,加緊研發(fā)油井水泥,而研發(fā)的成果也讓人欣喜。如同攻城略地一般,總院老一輩科學(xué)家在極短的時(shí)間內(nèi)攻克了一個(gè)又一個(gè)技術(shù)壁壘,從研發(fā)到應(yīng)用僅用了兩三年的時(shí)間,中國建材總院成功在大慶油田大會(huì)戰(zhàn)中貢獻(xiàn)了超高“戰(zhàn)斗值”。如今,60年過去了,大慶油田依然在為國家的發(fā)展源源不斷地輸送動(dòng)力。 

勇于開拓 挑戰(zhàn)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(jìn)美國API(美國石油協(xié)會(huì))的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),在該標(biāo)準(zhǔn)中,油井水泥根據(jù)地層深度被分為A~J共9個(gè)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(shí)現(xiàn)API系列油井水泥生產(chǎn)技術(shù)的國產(chǎn)化,滿足我國復(fù)雜油氣賦存環(huán)境的固井工程需求。

1988年,通過6年多探索研究和應(yīng)用,總院不僅攻克國產(chǎn)化難題,而且主導(dǎo)制定了GB 10238《油井水泥》國家標(biāo)準(zhǔn),制定出了一套“土生土長”油井水泥產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)過多次修訂更新至2015年版,并且沿用至今,該項(xiàng)技術(shù)成果也曾多次獲得國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)。

在這之后,中國建材總院的特種水泥研發(fā)不斷推進(jìn)與推廣,我國特種水泥事業(yè)出現(xiàn)了迅猛發(fā)展,成功實(shí)現(xiàn)了從技術(shù)到工藝的“中國制造”。至此,我國油井水泥從技術(shù)工藝、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)到生產(chǎn)、運(yùn)用都真正實(shí)現(xiàn)了本土化。

30多年來,由中國建材總院研發(fā)的油井水泥服務(wù)于國內(nèi)外多個(gè)油田,截至目前,我國每年油井水泥的產(chǎn)量約為300萬噸,由它們澆筑而成的固井結(jié)構(gòu)穩(wěn)扎穩(wěn)打地為國家能源行業(yè)續(xù)航。

進(jìn)入21世紀(jì),隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和社會(huì)的快速進(jìn)步,中國在國際社會(huì)中的政治地位也在快速上升,能源作為強(qiáng)勁的動(dòng)力推動(dòng)著國家機(jī)器的快速運(yùn)轉(zhuǎn),國家圍繞新基建制定了一系列能源計(jì)劃:建設(shè)國內(nèi)能源互聯(lián)網(wǎng)骨架,推動(dòng)“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”,穩(wěn)定石油供應(yīng),積極開發(fā)新能源……圍繞新基建開展的能源計(jì)劃已經(jīng)部署至2050年,這樣恢弘的規(guī)劃,彰顯出我國發(fā)展戰(zhàn)略的長遠(yuǎn)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(tuán)隊(duì)也在穩(wěn)扎馬步,刻苦修煉。在科研人員的不懈研發(fā)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(xiàn)場

目前,中國的石油固井技術(shù)在一些方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超前領(lǐng)跑。因?yàn)橄噍^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(fù)雜至極的地質(zhì)地貌條件,使得能源采集環(huán)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(dāng)油井水泥到達(dá)位于地底的“珠穆朗瑪之巔”時(shí),將處于230℃~240℃左右溫度環(huán)境下,此外還需要承受高于地面數(shù)百倍的壓強(qiáng)。而固井中下灌的油井水泥必須在0℃~240℃這個(gè)超高落差的溫度區(qū)間中滿足穩(wěn)定的壓強(qiáng)、溫度、流動(dòng)性、黏性以及硬化后的韌性、硬度等一系列復(fù)雜的條件。在水泥漿下灌過程中,還需嚴(yán)格控制水泥漿凝固時(shí)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(guī)定時(shí)間實(shí)現(xiàn)快速凝固成型,難度可想而知。此外,水泥漿是極易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的水化物體,固井施工過程中,地下的地質(zhì)、溫度、壓力以及特殊氣體等都極有可能與水泥漿發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生不利影響,進(jìn)而影響后期固井效果,使得固井水泥環(huán)出現(xiàn)裂紋,裂紋受到地下壓強(qiáng)的影響逐步擴(kuò)大,則可能會(huì)導(dǎo)致油氣外漏,更嚴(yán)重者甚至?xí)斐删畤姷葠盒允录陌l(fā)生。除了施工時(shí)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(tuán)隊(duì)一一攻克了這些技術(shù)壁壘,并成功運(yùn)用于這些國家重點(diǎn)項(xiàng)目。

隨著大慶、勝利等老牌油田開發(fā),進(jìn)入了深度挖潛階段,在地質(zhì)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(fù)的廢棄井,存在著資源浪費(fèi)和潛在的安全威脅。中國建材總院特種水泥團(tuán)隊(duì)開始著手研制廢棄井修復(fù)材料,專注于研發(fā)用于修復(fù)的油井水泥。從水泥品質(zhì)上來看,修復(fù)時(shí)需要的油井水泥復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于開采時(shí)使用的材料,這是由于廢棄老井的固井水泥環(huán)受到地下氣體、液體、砂石等長期沖蝕,導(dǎo)致水泥環(huán)破損、失去作用。采用性能更優(yōu)的油井水泥對(duì)破損區(qū)域進(jìn)行修復(fù),完成之后的強(qiáng)度與韌性會(huì)比原本更高。在不斷研究與實(shí)踐下,這種專門用于修復(fù)廢棄井的油井水泥成功應(yīng)用于該項(xiàng)目,并取得了良好的成效,再次為我國的能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略創(chuàng)下功績。

近年來,我國石油勘探工作不斷推進(jìn),數(shù)個(gè)高儲(chǔ)量的油氣田被探索出來,它們多數(shù)都伴隨著地質(zhì)復(fù)雜、開采難度大等特點(diǎn),對(duì)水泥材料也提出了更加苛刻的要求。但這并難不倒永遠(yuǎn)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(chuàng)共贏”

油井水泥的發(fā)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(shù)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(diǎn)油田的石油開采項(xiàng)目,常年穩(wěn)定的合作奠定了總院在特種水泥領(lǐng)域無可替代的口碑。

在生產(chǎn)方面,從最早的江南水泥廠、撫順?biāo)鄰S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(yè),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(fā),在總院的技術(shù)支持下積極調(diào)整,制備出了質(zhì)量高、性能好、工藝領(lǐng)先的油井水泥,服務(wù)了多個(gè)國家重大工程建設(shè)。針對(duì)部分水泥企業(yè)“走出去”的發(fā)展需求,幫助企業(yè)梳理水泥原材料從開采、生產(chǎn)到銷售的全套環(huán)節(jié)細(xì)節(jié),提出相關(guān)的規(guī)技術(shù)建議,以達(dá)到精細(xì)化生產(chǎn)的效果,協(xié)助他們進(jìn)行API國際認(rèn)證的技術(shù)咨詢工作。

此外,油井水泥還走出了國門,特別是進(jìn)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(tuán)旗下的海外工程企業(yè)一同支援非洲國家的能源開采與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。如剛果布的FORSPAK油井水泥生產(chǎn)線項(xiàng)目、阿爾及尼亞的STG油井水泥生產(chǎn)線項(xiàng)目等,總院技術(shù)人員手把手地教給當(dāng)?shù)厮鄰S工人先進(jìn)的工藝技術(shù),為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展帶去了尖端的技術(shù)和源源不斷的動(dòng)力,同時(shí)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(yuǎn)方”

今天,由中國建材總院研發(fā)的油井水泥“固”住了一個(gè)又一個(gè)“動(dòng)力源泉”,讓黑色能源之花在世界各個(gè)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(gè)10多人組成、平均年齡僅35歲的年輕團(tuán)隊(duì)。

這個(gè)年輕的團(tuán)隊(duì)充分吸收了總院特種水泥團(tuán)隊(duì)前輩們傳承下來的養(yǎng)分,充分揮灑智慧與想象力,攻克了一個(gè)又一個(gè)復(fù)雜的油井水泥技術(shù)難題,一刻不停地推動(dòng)著我國特種水泥技術(shù)的進(jìn)步。他們認(rèn)為,每一口油井都有其獨(dú)特的性格,要想保證工程萬無一失,必須經(jīng)過專業(yè)的現(xiàn)場勘探與實(shí)驗(yàn)室中反復(fù)實(shí)驗(yàn)調(diào)配,以及生產(chǎn)環(huán)節(jié)的嚴(yán)格監(jiān)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(shí)刻,為了確保水泥成品的質(zhì)量,犧牲陪伴家人的時(shí)光,反復(fù)奔走于實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)現(xiàn)場、施工現(xiàn)場,每個(gè)環(huán)節(jié)都要嚴(yán)格把控。

中央企業(yè)勞動(dòng)模范、中國建材總院水泥科學(xué)與新型建筑材料研究院院長文寨軍作為團(tuán)隊(duì)領(lǐng)頭人,積極踐行以國家重大工程建設(shè)需求為導(dǎo)向,以引領(lǐng)特種水泥行業(yè)發(fā)展為目標(biāo)的團(tuán)隊(duì)精神。文院長回憶,早在1994年,他剛剛參加工作的時(shí)候,曾趕赴水泥企業(yè)參與技術(shù)服務(wù),當(dāng)時(shí)的技術(shù)還并不成熟,但時(shí)間緊、任務(wù)重。為了調(diào)試好需要使用的油井水泥,他花了整整七天七夜的時(shí)間,但當(dāng)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(tuán)的正確領(lǐng)導(dǎo)下,憑借著中國建材總院強(qiáng)大的科研實(shí)力,“中國特種水泥先行者”文寨軍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì),用更少的時(shí)間、更快的效率、更準(zhǔn)確的配比以及更專注的精力做好每一個(gè)項(xiàng)目。

“不能把經(jīng)驗(yàn)當(dāng)技術(shù),但豐富的經(jīng)驗(yàn)可以提供一定的參考?!碧胤N水泥團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人郭隨華博士在接受采訪時(shí)向記者講,作為中國特種水泥領(lǐng)域的絕對(duì)王牌,團(tuán)隊(duì)的每一位成員都深感自豪,但絕不是自負(fù)。他們堅(jiān)持奉行不斷學(xué)習(xí)提升,總是與工廠中的技術(shù)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(shù)人員水平也很高,他們長期身處生產(chǎn)一線,有著豐富的經(jīng)驗(yàn),能為我們帶來許多值得參考的思路。切勿自負(fù)地以為自己是科研人員就不可一世,搞科研其實(shí)是一個(gè)不斷學(xué)習(xí)進(jìn)步的過程。”

技術(shù)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(xué)家,大家總會(huì)覺得“高大上”,但實(shí)際上我們可能并不知道他們?cè)诒澈蟾冻隽耸裁础?/span>

需要使用到油井水泥的重點(diǎn)項(xiàng)目通常集中在偏遠(yuǎn)地區(qū),荒無人煙,交通不便,在路途上顛簸十幾個(gè)小時(shí)實(shí)屬家常便飯,而這些施工現(xiàn)場的工作和休息環(huán)境也并不優(yōu)渥。在生產(chǎn)現(xiàn)場,團(tuán)隊(duì)人員也需要反復(fù)調(diào)研生產(chǎn)線,從實(shí)驗(yàn)室到整個(gè)工藝流程,一趟下來大約要花費(fèi)五六個(gè)小時(shí),夜間生產(chǎn)時(shí)也需要全程站崗,無論嚴(yán)寒酷暑還是日曬雨淋,只要項(xiàng)目有需要,他們就會(huì)一直堅(jiān)守。

“我們研發(fā)的水泥都是服務(wù)于國家重點(diǎn)工程的重要材料,一旦出現(xiàn)問題,那就會(huì)是大問題?!边@是團(tuán)隊(duì)科研人員時(shí)常掛在嘴邊的話,也是他們?nèi)f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(lǐng)域書寫了一個(gè)又一個(gè)奇跡。

一個(gè)新的材料從研發(fā)到運(yùn)用可能需要幾十年的時(shí)間,耗費(fèi)幾代人的汗水與心血,特別是如油井水泥這類國家基礎(chǔ)建設(shè)的重點(diǎn)材料。以國家重大工程建設(shè)需求為導(dǎo)向,以引領(lǐng)水泥新材料的質(zhì)量發(fā)展為目標(biāo),中國建材總院穩(wěn)扎穩(wěn)打,與國家油井事業(yè)并肩作戰(zhàn),不斷開拓油井水泥的無限可能。