中国油气工程领域“卡脖子”技术分析及建议

　　2018 年，我国石油和天然气进口量分别达4.4×108t和1254×108m3， 对外依存度分别攀升至69.8% 和45.3%。为此，国家提出要大力提升国内油气勘探开发力度，保障国家能源安全。油气工程是决定油气勘探发现、提高产量、实现经济开发重要的决定条件。通过阐述我国油气工程技术在油气勘探开发中的作用，分析我国油气工程领域存在的“卡脖子”技术瓶颈，结合内外部环境变化对油气工程“卡脖子”技术的需求，提出我国油气工程“卡脖子”技术发展对策建议，对于提高我国油气勘探开发效益、保障国家能源安全具有重要意义。

　　油气工程投资约占据上游投资的60%，油气工程技术及装备的水平决定了可开采资源量及开采的经济性，其在增储上产、降本增效、推进油气勘探开发转型升级方面正扮演着举足轻重的作用。

　　随着深水钻井、超深井钻井、水力压裂等油气工程技术的快速发展，拓宽了油气勘探开发领域，实现了深水、深层、非常规等油气资源的经济有效开发。全球海洋钻井作业水深、超深井钻探深度纪录不断刷新，2011 年Transocean 公司在印度海域创造了3107m的世界海洋钻井作业纪录。2019 年，中国石油天然气集团有限公司在塔里木盆地钻探的轮探1 井完钻井深达到8882m，刷新了亚洲陆上最深井纪录。水力压裂技术也由简单的低液量、低排量压裂增产方法发展成为常规开采技术。据EIA 统计，美国水力压裂井生产的天然气占天然气总量的2/3 左右，生产的原油占美国原油总量的1/2 左右。据BP 公司预测，目前全球已发现的油气资源量为55× 1012 bbl 油当量。通过当今的技术可对其中的1/10 进行开采，即4.9×1012bbl 油当量。随着技术不断进步，预计到2050 年，可开采油气资源量将提高30% 以上，达到7.3×1012bbl 油当量，能够满足全球能源消费需求（图1）。

　　随着“一趟钻”钻井技术、水平井超级压裂技术等油气工程技术的不断完善，实现了非常规油气、低渗透—特低渗透油气的经济高效开发。近年来，工程技术进步使美国页岩油气作业效率提高50% ～ 150%，单井钻完井成本降低20% ～ 30%，图2 为北美页岩油气钻完井成本变化情况。页岩油开发盈亏平衡点由2013 年的70 美元/bbl 降低至2018 年的50 美元/bbl，部分优质核心区盈亏平衡点仅为37 美元/bbl。技术进步引发的美国页岩油气，扭转了美国石油和天然气产量下跌的趋势，深刻影响了世界能源格局。2018 年12 月，美国页岩油产量为99.18× 10 4t/d，占美国原油生产总产量的60.9%；美国页岩气产量为18.43× 108m3/d，占美国天然气总产量的60.3%。

　　物联网、大数据、云计算、人工智能、智能材料等高新技术快速发展，催生了新一轮科技及产业。油气工程技术跨界融合不断促进油气工程技术升级换代，加速了油气勘探开发的转型升级 。壳牌石油公司利用高性能计算技术，将海量地震数据生成详细的可视化图像，为更快、更准确地定位地下油气资源提供技术支持，在美国墨西哥湾Deimos 油田复杂构造盐下发现了超过1.5× 108bbl 石油，打破了以往该地区枯竭少油的观念。智能化钻完井技术正在改变现有作业模式，海洋智能钻井全景组成详见图3。①虚拟生态系统：通过数字孪生技术提高设备可靠性、优化设计；②多学科协同工作流：连接传统孤立流程，实现勘探开发一体化协同；③数据中心：建立数据标准，构建钻完井数据分析平台；④钻完井区域作业中心：监控现场作业，为钻完井现场作业提供支持；⑤自动化钻机及配套设备：实现自动化控制；⑥平台机器人：机器人干预的海上操作；⑦井下测传控系统：实时获取井筒相关数据。纳米材料、智能材料等新材料与油气勘探开发工程技术不断融合，纳米钻井液体系、形状记忆聚合物防砂筛管等已经投入现场应用，未来可能会给油气工程技术带来颠覆性变革。

　　经过多年科研攻关，我国油气工程技术取得了重大进步，实现了关键技术装备的国产化，形成了较为完善的技术体系，基本满足了我国油气勘探开发需求。但在精细勘探技术、深海油气工程技术、超高温井下工具、高性能智能导钻技术、油气储层精准改造技术、地质工程一体化决策技术等高端技术方面还存在“卡脖子”技术瓶颈，一定程度上影响了我国油气的高效勘探和效益开发。

　　当前，油气勘探面临的地层环境越来越复杂，对勘探仪器的精度要求越来越高。组件式百万道级地震仪器可以通过组件增减快速实现有线或节点模式采集，满足不同施工环境下的勘探需求，是提高油气藏发现的重要手段。目前，法国地球物理公司地震勘探仪器具备100 万道的采集能力，能满足不同环境作业需求，国内没有相应的产品可替代。光纤地球物理采集系统以光纤为媒质，光为载体，感知传输信号，具有工作频带宽、噪声低、灵敏度高等特点，是高温高压、强电磁强辐射油气勘探的关键技术。目前国外公司只提供技术服务，我国自主研发的系统在背景噪声、灵敏度及去噪能力方面与国外公司还存在一定差距。

　　我国南海油气储量巨大，地质储量约为230× 10 8 ～300× 10 8t，占我国油气总资源量的1/3，其中70% 蕴藏于500m 以上的深水区域。目前，我国建成了海洋石油981、蓝鲸1 号、蓝鲸2 号等钻井平台，但是核心装备、操控系统依赖进口；深水浮式生产储油平台还不具备建造能力；水下油气处理设备处于起步阶段。挪威Equinor 公司的海底工厂水下油气处理设施（图4），可实现海底增压、海底气体压缩、海底分离与产出水回注系统和海底输配电等，提高了油气采收率、减少了对环境产生的影响。

　　我国深层油气资源丰富，陆上39% 的剩余石油资源和57% 的剩余天然气资源分布在深层。另外，深层油气资源的探明率较低，分别仅为12% 和6.3%。随着国内中浅层油气发现难度日益加大，深层、超深层油气资源勘探开发已经成为我国增储上产的重要领域。深层油气勘探开发中，当地层温度超过175℃时，井下工具适用的材料和传统材料不同，从设计原理到制造工艺都需要重新设计。由于我国在抗高温电子元器件、抗高温芯片、抗高温传感器、抗高温橡胶器件等基础材料方面还没有突破，深层油气勘探开发所需要的高温随钻测控工具、井下隔离密封工具和生产系统等主要由国外公司提供服务。表1 为哈里伯顿公司Quasar 200℃井下工具参数，在MWD、PWD 和自然伽马、电阻率、密度、中子等测井工具方面具备抗温200℃能力。截至2019 年2 月，威德服公司200℃井下测井工具共完钻高温高压井71 口，共钻进145579m，井底最高温度达199℃ 。

　　我国非常规油气资源非常丰富，是陆上油气勘探的重大战略接替资源，技术是制约其开发的核心要素。智能导钻技术是以精密随钻地质导向系统为手段，通过新型旋转导向钻井工具，实现“闻着油味”钻井，是非常规油气藏和薄层油气藏勘探开发提高油气产量必不可少的技术，也是实现一趟钻钻井、缩短钻井周期、降低作业成本的有效手段。国外智能导钻技术已经发展成为常规的水平井钻井技术，钻井过程中能够探测井筒径向60m 的地层，可实现井眼轨迹的精准控制。哈里伯顿公司研发的iCruise 智能旋转导向钻井系统，与GeoTech 钻头配合使用，可通过快速钻进、精准导向、精确预测，达到提速、提效、降本的目的。研发的EarthStar 超深电阻率随钻测井技术能够探测到井眼周围60m 范围内的油藏和流体边界。我国智能导钻技术尚未形成体系，其关键组件主要从国外引进或直接由国外提供技术服务。

　　截至2016 年底，全国累计探明石油地质储量和天然气地质储量中，低渗透油气分别占12% 和39%。低渗透油气藏要实现经济高效开发，需要利用精准改造技术对储层进行体积最大化和目标精准化改造，以达到提高单井产量的目的。目前，我国储层改造优化设计软件、压裂裂缝监测技术还主要依赖国外技术。6000 型大功率超长寿命压裂装备已经研制成功，但其核心部件需要国外引进。国外AF Global 公司DuraStim 压裂泵功率为4474.2kW，完全自动化，电气化长冲程泵，专门用于连续水力压裂作业，具有低频率（约20 次循环/min）特点，为传统设备的10%，避免了传统柱塞泵由于高循环频次造成的液力端损坏，大幅延长了设备使用寿命。

　　地质工程一体化决策技术是综合利用物探、测井、钻井、生产数据进行油藏评价与工程设计，实现油气探明储量最大化、提高采收率最大化、油藏生命周期勘探开发综合效益最优化，是非常规油气资源勘探开发的重要手段。目前国外主要油公司构建了地质工程一体化平台，促进多学科组织管理和数据融合，通过多专业协同和数据挖掘不断调整和完善钻井、压裂等工程技术方案。我国地质工程一体化决策技术还处于向国外跟踪学习阶段，基于大数据的钻井优化设计与风险识别、储层改造工程设计与参数优化软件、跨专业协同工作智能钻完井软件等需要从外国引进。康菲石油公司利用大数据分析平台分析地质、油藏、钻井和开发等各个环节的数据，以缩短钻井周期，优化完井设计，提高对地层的认识。在美国Eagle Ford 页岩油气区应用，钻井周期减少50% 以上（图5）。

　　面临油气勘探开发对象日益复杂、油价中低位震荡、安全环保日趋严苛、大国竞争进一步加剧等内外部环境，油气勘探开发面临提高产能、降低成本、保障安全等多重压力，对油气工程“卡脖子”技术提出了迫切需求。

　　随着油气勘探开发向深水、深层、非常规、极地等转变，油气资源品质劣质化和作业环境复杂化进一步加剧。油气勘探面临更深、更小、更薄、更低渗透等复杂地质对象，2016年，全国新增探明石油地质储量9.1× 10 8t，其中低渗透、致密油占67%；新增天然气地质储量6540× 108m3，其中低渗透、致密气占73%。已开发油田整体进入“双高阶段”，从中国陆上已开发油田来看，截至2016 年底，全国油田采出程度为78.13%、含水率为87.7%，大庆、胜利等主力油田已进入特高含水阶段。稳产难度日益加大，成本控制也日趋困难。

　　2014 年以来，在全球油气供给过剩和需求疲软的双重驱动下油价暴跌，由每桶110 美元以上降至2015年40 多美元的低谷，而后在50 ～ 60 美元/bbl 上下波动。业内普遍认为油价中低位震荡将成为“新常态”，2025 年前将维持在80 美元/bbl 以下，油气工程技术的发展不能把希望寄托于高油价。油价波动使石油公司对油气项目的投资更加谨慎，并不断压减油气工程费用，降本增效压力巨大。

　　为了更好地保护和改善环境，国家实施了更加严格的安全生产、生态环境保护与节能减排政策，制定了生态保护红线、排污许可、污染物总量控制等环保制度，油气勘探开发的环保压力和环保支出不断增大，对油气工程技术的升级换代提出新的要求。同时，对于油气工程作业来说，安全永远是第一位，需要不断提高油气工程自动化、智能化、无人化水平，促进转型升级，保证作业安全。

　　中美贸易摩擦升级后，美国以知识产权保护为由，限制对中国高新技术产品出口及外商直接投资技术转让等，以阻断中国“干中学”通道，使得高端油气工程技术采用引进消化吸收再创新的模式不确定性增大。为避免在关键领域被对手卡脖子，要求我国集中力量进行核心技术攻关，形成推进自主创新的强大合力，确保把大国重器牢牢掌握在自己手中。

　　油气工程技术是保障油气勘探开发的核心手段，为了解决我国油气工程领域“卡脖子”瓶颈，保障国家能源安全，建议从战略布局、政府支持、协同攻关等方面发力，促进大国重器发展。

　　围绕国家战略需求和科技发展趋势，研判我国油气工程技术水平，分析与国外先进水平的差距，研究可能形成的技术突破，做好重大科技发展战略布局和规划部署，确定未来油气工程“卡脖子”技术需要重点发展的领域、亟待突破的关键技术、优先发展的技术，确立技术发展路径， 提升油气工程技术能力和水平。同时，加强耐高温橡胶、耐高温电子元器件、耐磨材料、智能芯片、高精度传感器、精密仪器等基础研发，为油气工程“卡脖子”技术的攻克提供战略支撑。

　　油气工程领域的“卡脖子”技术由于其产品和工艺的复杂性，技术研发周期长，成本风险高，需要从国家层面加大对科研攻关力度，制定重大专项研发计划，设立专项攻关基金，针对共性问题开展攻关研究，加强基础研究、应用研究、成果转化的有机衔接，加快“卡脖子”核心技术的研发进程，防范化解油气工程科技领域重大风险。

　　油气工程“卡脖子”技术涉及石油、信息、机械、电子、化学、材料等学科，仅靠一家单位或少数几家单位难以攻克，需要政府部门牵头，建立以石油企业为核心，科研院所、高等院校、信息企业和基础材料企业相配合的科研生产体系。加大不同学科领域机构之间的交流合作，推动产学研合作，加快研发进程，降低研发风险。注重开放式研究和合作研发，利用全球研发资源，进行内外资源相互补充，协同共进，提升基础研究、关键技术突破、创新人才培养等方面的能力。刊登期号：《石油科技论坛》2019年第5期，32-39页。