2022年12月,胜利油田高级专家王涛正带领团队进行一项三次采油技术的化学试验攻关,目的是提高高温高压地层中石油采油量。
三次采油技术是提高原油采收率的重要手段,在石油界,通常把利用油层能量形成自喷采油称为一次采油,而通过将水注入地下把石油挤出来的驱油方式,则被称为二次采油,但是持续数十年,不断地向地下油层注水驱油,往往会使得原油的含水率越来越高,因此,就需要使用化学药剂降低含水率从而获得更多的石油,这就是三次采油。
自2004年以来,王涛已经带领团队攻克了多项三次采油技术的难关,将二十多项科研成果应用于油田生产,创造数亿元的经济效益。2020年,王涛获得了全国劳动模范荣誉称号。“一开始没有这么清晰的认识,因为对油藏那个时候还不太了解,我也以为打一口油井,油就会自喷出来,但是我们国家的油藏条件非常复杂,就是我们要用到更多的化学药剂,可能去注入到地底下,所以我们的成本本身就比国外的要高,所以在这种近(乎)废弃、特高含水的这种采出技术上,三次采油也好,堵水调剖也好,我们就是世界领先的” 王涛这样说。
那么,究竟是什么原因让王涛走上了献身于国家石油事业的奋斗之路,在研发化学驱油技术的过程中,她又经历了哪些难关呢?
1976年,王涛出生于山东威海的一个石油工人家庭,父亲是胜利油田的采油工人。1982年,为了避免父亲两地奔波,王涛全家离开威海搬到胜利油田所在地,从那时起,她也慢慢地接触到了石油的开采工作。
“我跟着我妈妈第一次到这儿的时候,我记得印象中是一片盐碱滩,地都是白的,我们从那么一个富饶的地方来到了一个这么贫瘠的地方,我妈妈告诉我一句话说:‘孩子,人生是这样,首先一家人要在一起,爸爸的事业在这里。’我小时候就记得,我爸老要加班,不在家,然后上井,有的时候就说去“战井喷”了,总之回来的时候浑身脏兮兮的,但是在我的印象中,他从来没有抱怨过,他都觉得很开心,每次一说起来都(是)很开心,从小我们就是听着《我为祖国献石油》长大的,其实这件事情在别人可能觉得辛苦,但是在我们心中为祖国献石油是一件豪情万丈的事情。”
在家人的熏陶下,王涛逐渐对石油产生了浓厚兴趣,1994年,她选择了石油大学北京化学工程专业,开始正式接触采油、炼油等工艺,2001年硕士毕业后她又考取了中国科学院理化技术研究所博士研究生,2004年博士毕业后,王涛面临众多待遇优厚的工作却毅然选择回到山东东营进入胜利油田博士后科研工作站孤岛分站,在当时,胜利油田的大部分油井,都是靠注水驱油技术来采油,也就是在采油过程中通过注水井向油层注水,靠着水的压力将石油顶出来,然而,经过几十年的注水驱油使得注入的水,总是朝着相同方向流动,导致部分油藏常年被水冲刷,而其它部分的油藏却得不到冲刷,采出原油的含水率越来越高,到2004年时 ,胜利油田整装油田,综合含水已经达到了百分之九十六,因此需要王涛等科研人员研制适合的化学药剂去降低含水率。“我们也经过了几十年的开采,地底下有很多的水的 “高速公路”,所以说我们注水的过程中,水它不再去驱油了,它就沿着水的“高速公路”从注水井下去,从油井就采出来了,所以我们当时就想,做的就是如何把这个水堵住,相当于我不让水在地底下去无效地去窜流,那么让它去绕流那些含油的“羊肠小道”,这样的话就是说我的油井的含油就会上升,含水就会下降,举个简单的例子,就是我们每采出一百吨的液量,里面就含有九十多吨的水,所以说,如果说含水率下降一个百分点,就相当于,能够多采出一吨的油,我想让胜利(油田)的含水降低,哪怕让胜利(油田)的一口井或者几口井(降低),那么它的产量有提升,那么这就是我的价值所在。
王涛口中所谓的地下“高速公路”,其实是小到只有几微米的岩石孔道,这些孔道虽小,但却密密麻麻地,分布在注水井与采油井中间几十万立方米的地层中,多到不计其数,想要封堵这些地下孔道,就需要王涛调配出适合的交联聚合物。交联聚合物是由聚合物和交联剂在水中形成的一类化学体系,依靠形成的交联聚合物线团实现对地下孔道的封堵,然而受现场环境影响,驱油所用的水常常混合各种杂质,使得王涛在实验室配出的交联聚合物,往往到了现场就几乎失了灵。
“我们在实验室做任何的实验,烧杯都要刷得干干净净,但是现场配液的池,在那个池壁上有一层厚厚的铁锈,铁锈的东西对聚合物就是降解的东西,所以如果你完全按照实验室的配方做出来的东西现场肯定是没法儿用的,所以当时我就想,能不能我就先让它们提前反应成一个小的交联(聚合物)线团,我再注到地底下去。”
经过周密分析后,王涛决定将交联聚合物改造成聚合物微球,使其在注入地下前就发生反应,如此便可以不受现场环境的干扰,微球注入后体积膨胀,从而达到堵塞地下孔道的效果。2005年王涛和团队在对一口注水井注入55吨聚合物微球后,大孔道的封堵效果取得了明显提高,对应油井的含水率从百分之九十六降低到百分之九十三,采油量增加约三千吨,尽管如此,王涛对结果却并不满意。
“我当时觉得这个技术还是有很多的发展空间的,那只是解决了一个小的问题,它也不是所有的油藏都适用,降低了三个含水百分点,我们想的是能不能再降得多一点,当时觉得还是降得少了点儿,说是不是我们的球设计得有点儿小,能不能再做大一点。”聚合物微球的推广,让胜利油田孤岛采油厂的含水率得到一定程度的下降,但是由于地下孔道大小不一,而聚合物微球的膨胀倍数有限,无法封堵较大的地下孔道,王涛非常笃定地坚信这种技术还有极大的改进提升空间,于是2005年初,王涛和团队开始优化聚合物微球技术,他们需要控制好聚合物微球的膨胀时间,但是,地下岩层的情况复杂又无法探明,王涛团队只能通过物理模拟实验来测试即筛选合适的沙子模拟岩层以此来判断聚合物微球与地层的匹配情。
“我们做了几天实验后,就发现聚合物微球它在封堵地下大孔道的时候存在两个缺点,它从纳米级膨胀到微米级,需要一定的时间,如果膨胀得慢了,它到大孔道的时候还没来得及膨胀就会被冲走,如果是膨胀得很大,这个球就会变得非常地软,所以这样的话它又封不住我们地大孔道。”
此时的王涛面临着一个十分矛盾的局面,物理模拟实验的结果证明想要封堵诸如大孔道,或岩石缝隙,需要把聚合物微球做得更大,可是一旦将微球做大,微球在地层中的通过性也会变差,到不了地层深处就会堵塞。那么如何将聚合物微球做大且还要让它走得更远呢。
“刚开始的时候也是不知道从何处下手,应该就是(正月)十五前后,那会儿煮汤圆,在家里煮,有一个破了,特别是那个馅儿破了以后给我的一个灵感,就觉得我也可以设计出一种东西来。”
这次意外的灵感启发使王涛立刻着手调整设计方案,将聚合物微球设计成“皮包馅儿”的胶囊结构,外层包裹的胶囊能够在聚合物入水后起到一定的保护作用,从而延缓聚合物微球膨胀的时间,带着对聚合物胶囊的期望,王涛和助手展开了一系列全新的实验测试,不仅要测试出聚合物胶囊的有效与否,还有周密计算出它的封堵效果。
“物理模拟实验一天的封堵率多少,五天的封堵率多少,十天的封堵率,十五天?到底是多少天才能膨胀到最大,王涛和助手前后做了数十组物理模拟实验,每次的试验周期都要在一周左右,虽然封堵率能够根据天数有效控制,但新的问题也马上出现,封堵率不是越高越好,到底封堵率是应该百分之九十九更好还是百分之八十更好,还是百分之五十更好,大家是有分歧的,因为它是遇水膨胀的,那里只要没有水,它就不会膨胀,哪里阻力小,它往哪里去走,它先把“高速公路”堵了,去绕“羊肠小道”,“羊肠小道”变成“高速公路”,它又把“羊肠小道”堵了,它就再绕,是周期性地在变化。”
经过热烈地讨论后,王涛和团队最终得出结论,根据地层的渗透率,水流速度,将聚合物胶囊的封堵率控制在百分之七十至百分之八十之间能够达到理想的效果。
“博士后(工作站的)助手是我一部分工作,我们还有其它的工作,所以有时候,她自己就需要筛一些沙子,那天筛完了以后,脸上好多灰土,我进去一看,我说你咋成这个样子了,她说,你不在我着急,我要用,我就去筛,她自己能做绝对就去做,而且反复地去做,我也是从她身上学到了不少东西,所以她的研究成果之所以实用,见效,就是她把握问题把握得比较准,然后改进得比较到位,到最后,现场就取得了比较好的效果。”
2006年底,王涛设计的聚合物胶囊在孤岛采油厂投入使用,有效地封堵了采油井下大量的“高速公路”,最终将含水率下降到百分之九十左右,十几年来,王涛带领团队研发的聚合物微球技术,为胜利油田效益增油超过十五万吨,目前已在国内应用上千井次。
孤岛采油厂的技术推广,让王涛在胜利油田崭露头角,2007年,她在博士后出站后,进入胜利油田石油工程技术研究院,随后的几年间,王涛陆续完成乳液聚合物,延时增粘聚合物等多项技术攻关,但她很快就遇到了更严峻的挑战,解决二氧化碳驱油技术的难题,二氧化碳驱油技术既可以提高原有的采收率,又可以封存二氧化碳,保护大气环境,可谓一举多赢,2009年,胜利油田纯粱采油厂首次现场试验二氧化碳驱油技术,但在连续注入二氧化碳多年后,到2012年,油田频繁发生二氧化碳气窜问题,导致采油效率降低。
“随着长期的注入,二氧化碳也会沿着一个固定的通道去进行窜逸,这里就相当于我要把二氧化碳的窜逸的通道给它堵上,让二氧化碳去驱更多的油,那么当时就想能不能做一个能在二氧化碳中溶解的东西带到地底下去,我们做了一个泡沫剂在地下去发泡,他本来是有这个窜逸通道,我们把这个通道用泡沫给它封堵上,让二氧化碳走其他含油的地方。”
多年来技术攻关的成功给了王涛极大的自信,她和团队根据二氧化碳驱油技术的特点开始研制泡沫剂,用以封堵住油井下的“高速公路”,2015年底,泡沫剂研制成功,然而现实却给了王涛当头一棒。
“由于注入的液态二氧化碳温度低于零下二十摄氏度,导致泡沫剂还没触及地层就被完全冻住,往下注的过程中,整个发生了冰堵,两天之后才自然升温解开,然后就没有办法,我们就撤下来了,回来以后我们就开始改药剂,要耐得住零下二十多(摄氏)度的温度,那个时候实验室的冰箱制冷都没那么好,我们都在家里弄点儿(泡沫剂)看一看放到冰箱零下二十摄氏度能不能冻住,如果不能冻住的话,那这个配方才是可以。”
2016年3月,王涛和团队又一次信心满满地到达现场展开测试,就在大家对成功翘首以盼时,却不料改良的泡沫剂又一次被冻住。
“在室内做的,它不冰堵,到了现场的条件可能是更加恶劣的所以还是冰堵了,液态(二氧化碳)它要变成气态,瞬间吸收大量的热量,就会发生冰堵,所以我们只好又灰溜溜地回来了,后来的时候,我们工艺也改进了一下,就是说我们工艺可以做成段塞式的,就是一段我打泡沫剂,一段我再打二氧化碳。”
2016年九月,在历时一千多个日夜的艰苦攻关后,王涛和团队终于成功研制出具有国际领先水平的二氧化碳气溶性泡沫剂,并在胜利油田推广开来,为绿色低碳新技术在全国推广应用提供了有力的技术支撑。
“在成长过程中,不断接到一些有趣的挑战,我觉得这些事情都很有意义,实现了这种二氧化碳气溶性或者可溶性的在地下的封窜技术,所以说最后做成了以后,还是特别有成就感的。” 在解决了二氧化碳气窜问题后,近年来,胜利油田将二氧化碳注入地下驱油,促进碳中和,覆盖地质储油量约2500万吨,可以实现百万吨,年注入二氧化碳的能力,相当于植树近900万棵的降碳量,进入胜利油田近二十年来,王涛主持参与二十余项国家级,省部级科技攻关项目,创造数亿元的经济效益,为油田效益开发提供了有力支撑。
“来胜利油田十八年了,其实也就做了这一件事情,可能其中有很多小的技术或者是什么,但是我觉得相比于胜利油田的这个大舞台给予我的,其实我觉得我做得还远远不够,“我为祖国献石油”的这个初心一直在这里,我做的所有事情都是想让油井的产量来提升,给国家献更多的石油,父辈们当时也是非常难,他们是从无到有创下了一个大的油田,那么我们接手的时候是一个高含水的油田,我们就要沿着这个脚步去走下去,就是说如何让高含水油田去焕发新的青春,希望未来有更多的这种低成本的提高采收率的技术让我们地下的原油,能够更多地被开采出来。