在近日舉行的2020年度國家科學技術獎勵大會上，中國石油大學（華東）石油工程學院孫寶江教授牽頭的“海洋深水鉆探井控關鍵技術與裝備”項目榮獲國家技術發明二等獎。
眾所周知，井噴是安全高效鉆探的常見風險，與陸地相比，海上鉆探井噴風險更高。全球近30年發生了300多起嚴重的海上井噴事故，損失巨大。
深水鉆探井控安全是行業公認的世界性難題。孫寶江團隊自主研發的這套整體技術攻克了井底氣侵早期識別和井噴風險主動快速處置等技術瓶頸，是深水井控技術裝備的重大突破。
聚焦準確調控的理論瓶頸
20世紀80年代以來，國際上普遍應用的是“氣—液”兩相流井控理論模型。早在15年前，孫寶江團隊也是按照這套理論體系對井控等過程中的水力參數優化設計技術進行研究，但是隨著鉆井深度的不斷增加，特別是海洋深水井筒大溫差、流場復雜情況的出現，其模型壓力預測與現場出現了較大偏差，最高誤差達30%以上。
基于主動井控的思想，孫寶江團隊認為早發現、早預測才能早控制。
2006年，孫寶江參與策劃了國家863計劃重大項目“南海深水油氣勘探開發關鍵技術及裝備”。
孫寶江介紹，在研究過程中遇到了現今備受關注的新能源——天然氣水合物，而在當時天然氣水合物被認為是一種不利因素。因為天然氣水合物在井筒中的形成，可導致氣侵發現的延遲、井筒或防噴器的堵塞，甚至造成油氣井的報廢。
“必須要重視固相（水合物）對于深水井控的影響?！睂O寶江團隊綜合考慮天然氣水合物生成的熱力學、溫度和壓力條件，預測深水鉆井井筒中天然氣水合物生成區域，針對南海深水鉆井的特點，建立了多相流控制方程組、環空和鉆桿內的溫度場方程以及水合物生成的熱力學方程。
團隊針對不同的鉆井工況給出了方程的定解條件、方程離散方法以及求解步驟。自此，傳統的“氣—液”兩相流井控理論模型增加到“氣—液—固（水合物）”三相流深水井控理論模型。
實現井控關鍵裝備研發的源頭創新
2008年，在沈忠厚院士、羅平亞院士等專家的指導下，孫寶江牽頭團隊承擔了國家支撐計劃課題“三高氣井井筒壓力控制技術”，并任課題組長。在研究過程中，團隊發現井筒里面的流體不只有氣、液、固三態的特性，有些時候，井筒內的壓力和溫度會超過天然氣的臨界壓力和臨界溫度，此時天然氣會處于一種超臨界狀態，如何科學表征這種現象是解決井筒壓力預測和控制偏差的關鍵之一。孫寶江團隊對此發現興奮不已，因為這一理論是革新性的，但也正因為如此，這在當時團隊內部和學術界引發了熱議。
實踐是檢驗真理的唯一標準。孫寶江團隊用超臨界的理論很好地解釋和印證了生產實際現象，有針對性地建立了井控多相流動方程，為鉆完井安全過程井控方法與工藝技術進步提供了理論支持。
針對深水鉆探井控面臨的安全鉆井壓力窗口窄等諸多難題，孫寶江團隊圍繞如何提高井筒壓力預測和控制精度，創建了“超臨界—氣—液—固（水合物）”四相流深水井控理論模型。他們利用發明的全尺寸深水井筒流動模擬實驗裝置采集的數據和現場應用數據驗證表明，與國際通用經典“氣—液”兩相流井控模型相比，壓力預測精度提高至90%以上，攻克了井筒壓力預測誤差大導致井筒壓力控制困難的理論難題；發明了“精確計算井筒壓力—早期識別井底氣侵—即時處置井噴風險”主動井控新方法，實現了井控關鍵裝備研發的源頭創新。
為井控裝備配上“眼睛”和“大腦”
如果說“超臨界—氣—液—固（水合物）”四相流深水井控理論是井控裝備的思想，那么孫寶江團隊后期研發的非體積膨脹原理的井下氣侵早期監測方法和多源信息融合的氣侵早期監測裝備就是井控裝備的“眼睛”，深水井控安全設計與控制綜合軟件平臺就是井控裝備的“大腦”。團隊通過井筒環控壓力自動控制的“動態壓井鉆進”井控裝備來實現“邊鉆邊壓”，解決了傳統壓井方法需停鉆關井導致氣侵處置不及時、井噴風險大的難題。
“簡單說就是借助布設在鉆柱等位置的傳感器和綜合錄井信息，實時監測地層、井筒各類特征數據，通過專家系統對大量數據實時分析，及時掌控井底氣侵情況，實現了‘侵入即發現’，避免大量氣體升至海底防噴器以上才發現而容易導致的井涌井噴問題，為壓井作業贏得了寶貴時間。”孫寶江說。
“該項目創建了‘超臨界—氣—液—固’四相流深水油氣鉆探井理論模型，發明了深水動態壓井鉆進關鍵井控技術裝備，解決了深水開路、閉路鉆進缺乏快速井控手段的難題，整體技術達到國際先進水平?！庇稍菏考靶袠I專家組成的鑒定委員會對項目給予高度評價。
孫寶江介紹，項目獲授權發明專利35件，其中美國專利4件，軟件著作權9件，井控企業標準3件，論文127篇，專著1部，省部級一等獎2項、創新團隊獎1項。同時，還培養了一批井控專業領域中青年科技人才，為井控技術人才培養作出了貢獻。
“項目成果自2011年投入市場應用，已全面應用到了國內外多個深水油氣田。項目成果的重要性不僅僅在于經濟效益，更在于它的社會效益，它推動了我國深水鉆探井控技術科技進步，大幅提高了油氣鉆探、開采的安全性，保障了我國深水油氣的自主開發，服務國家能源安全戰略。”孫寶江表示，項目成果突破了南海深水油氣開發的關鍵技術難題，推動了南海油氣資源的開發，助力我國海洋鉆井作業能力邁入超深水行列。
