□王敏生 光新军 闫 娜

在油气勘探开发对象日益复杂、能源变革深刻演进、“双碳”目标压茬落实、大国竞争进一步加剧的大背景下，油气勘探开发面临提速增产、降本减碳、绿色安全等多重压力，石油工程技术创新越来越体现出价值驱动、一体化和跨界融合赋能等特征，跨学科融合应用研究导向突出，技术创新竞争焦点趋同。

新材料技术、信息技术、机械电子光学技术等高新技术快速发展和向石油工程深入渗透融合，正不断推动油气产业转型升级和工程技术换代更迭。未来的石油工程技术创新，应坚持使命导向和问题导向，面向未来场景和能源转型的领先市场，立足广跨界、深融合、建生态，超前布局技术经济制高点。

新材料技术

以智能材料、纳米材料、复合材料、仿生材料等为代表的先进材料，对石油工程技术创新有着重要的推动作用。先进材料已经在自愈合水泥、可膨胀聚合物、梯度材料焊接、耐磨及耐腐蚀工具表面处理等领域成功应用。

自愈合聚合材料是一类能够进行自我修复的新材料，有助于提高井下工具、设备材料的寿命和安全性。其原理是一旦包含某种自愈合聚合材料微粒的物质出现了破损，这些微容器便会破裂，释放出愈合剂，愈合剂一般是相应的未经硫化的聚合物。愈合剂会渗入破损处，发挥聚合作用，从而修复破损区域。这一过程模仿的是生物组织的自愈功能，生物组织对破损的反应通常是分泌愈合液。目前，自愈合材料已开始在油田应用，斯伦贝谢公司研发了可自动愈合水泥环中微小裂缝的水泥体系（FUTUR）。该体系的泵入和充填方式与普通水泥相同，体系中的一些成分在接触油气之前一直处于休眠状态，与油气接触后会激活这些自愈合成分，水泥环在数小时内不经人工干预便会自动愈合。这一特性会在水泥固化后避免许多不利情况，如套管外层间流体的窜流、持续的井口套压、表层套管泄漏及交叉流动等。

可膨胀聚合物被用于膨胀式封隔器，用来进行层间封隔和井筒控水。在层间封隔应用中，将一系列未经膨胀的油敏型封隔器下入井中。这些封隔器在遇到油后便会膨胀，从而封隔住地层，形成相互隔离的层段。控水应用时，要在井内下入一个未经膨胀的水敏型聚合物封隔器。当水侵入井筒时，封隔器便会发生膨胀，封住井筒，从而减少涌入的水量，提高油气产量。膨胀式封隔器一般成本较低，没有活动的部件，并且不需要机械或液压传动装置，因此与常规的封隔器相比具有明显优势。

由道达尔、壳牌、斯伦贝谢、贝克休斯等主要国际石油公司和油田服务公司组成的先进能源财团（AEC）专门致力于开展纳米技术在石油工程中的应用研究，研发地下微传感器和纳米传感器，在三维空间感知油藏及其所含流体，以更好地表征油藏，助力有效开发油气资源。

全球主要的石油公司、油田服务公司和油气科研联盟都在进行纳米材料技术的研究，极大促进了井筒及注入流体、纳米材料反应剂、井下工具及管材表面处理技术的发展，但目前仍处于应用的早期阶段，主要困难在于井下恶劣的作业环境，包括高温、高压及各种腐蚀性流体。

数字化技术

进入工业4.0时代，以数字化技术为代表的新一轮油气革命拉开了序幕，数字化正与有形资产和系统相融合，形成一个一体化的“网络+现实空间”——“物联网”。种类繁多、功能强大的智能软件的应用，可对“物联网”加以监测和控制。

油气行业数字化的构成要素包括各类传感器。它们收集数据流，通过监测诸如石油钻机、油藏储层等系统，为其提供数字化表达。利用大数据技术对传感器网络生成的海量数据进行迅速处理和分析，使人们能够在作业前和作业期间进行模拟，从而实现结果优化。机器智能的潜力是难以估量的，有人甚至预言，在某个所谓的技术“奇点”，计算机在某些方面将比人类更聪明。例如，人们应用机器学习算法建模，可以对系统行为加以描述和预估。这些模型可分析、比较来自传感器的数据集，进而完成各式各样的任务，例如发现潜在的油气储量、预测设备维护时间等。数字化技术正在促进石油工程产业向技术密集、资本密集方向发展，助推钻完井技术增储上产、降本增效。

数字技术推动石油工程产业转型升级。石油公司着力构建基于人工智能的数字业务模式和流程，将其应用于生产服务、装备制造等油气上游价值链，提高生产效率和管理水平，促进企业转型升级。据埃森哲预测，未来3～5年，人工智能、机器人和可穿戴技术是油气上游数字化技术中关注度增长最快的技术领域，大数据分析、物联网、移动设备、云计算是油气上游数字化技术中投入最多的技术领域。

人工智能助力石油工程技术实现增储上产。利用人工智能技术将静态模型与地球物理解释、油气生产数据紧密结合，形成高精度预测模型，能提高地下油气资源和储层的认识，优化油田生产，提高单井产量。2017年11月，IEA（国际能源署）发布《数字化与能源》表明，数字化技术可使全球技术可采储量在现有1.4万亿吨油当量基础上，增加750亿吨（增幅5.4%），相当于当前全球年油气消费量的10倍。壳牌公司利用高性能计算技术用海量地震数据生成详细的可视化图像，更快、更准确地定位地下油气资源，在美国墨西哥湾Deimos油田复杂构造盐下发现了超过1.5亿桶石油，打破了以往该地区枯竭少油的观念。

智能装备赋能油气降本增效。2018年，bp公司发布技术展望显示，随着人工智能、数据分析、传感器、超级计算等数字工具应用，可以降低油气开采成本20%以上。在数据采集、传输技术发展的协同下，人工智能技术可以在钻井设计、钻井实时优化、井筒完整性监控、风险识别、程序决策、预测性维护等方面发挥积极作用，实现降本增效。

智能钻井技术正在改变现有作业模式。智能钻井以自动化钻井为基础，基于新一代信息通信技术与先进钻井技术深度融合，智能化贯穿设计、作业、管理等钻井活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能，代表钻井技术发展的最高形态。

机械电子光学技术

工业机器人、新型远程控制、微机电和光学等技术的快速发展，正在带动石油工程技术整体创新。

工业机器人在智能工厂、家庭、医疗、航空航天和军事等领域广泛应用，正在替代人类在肮脏、枯燥和危险环境下的作业。2021年，内伯斯公司推出了陆地全自动钻机PACE-R801，采用了Canrig机器人钻井系统，实现了无人钻台，并在位于美国二叠纪盆地一口水平井中完成了测深6055米的钻井作业测试，相对于该区域水平井平均钻井天数减少了4天。随着石油公司开始在深水、超深水区进行勘探，钻井水深极限范围被限定在人为干预的最大深度。在采用专业潜水设备的情况下，这一范围约为300米。载人潜艇是另外一个可行的选择，但也仅能到达约600米的深度。超过这一深度时，只有选择水下机器人（ROV）实现人为干预。因此，当前在用的所有浮式钻井装置都至少配备一台ROV。即使当钻井水深在人为干预的范围内，ROV也能替代人类进行水下作业。

新型远程控制技术将在井下狭小空间发挥巨大作用，实现井下工具的远程控制。沙特阿美已经应用最大储层接触技术（MRC）在智能多分支井，可以在主井眼中钻总长5千米与储层接触的多分支水平井，扩大油藏泄油面积，提高油气产能。该技术在致密、非均质储层应用效果显著。沙特阿美Haradh-Ⅲ油田有32口MRC井，每日产油量高达42857吨。然而，由于MRC 井的每个分支需要安装机械控制管线至井口，以实现地面对井下分支的控制，导致每口井的分支数量受到限制。未来，极大储层接触技术（ERC）将采用无线控制技术，减少机械控制管线，增加井下分支数量，理论上分支井数量不受限制，在分支井中可安装无限数量的控制阀。

在航空航天领域，微机电技术（MEMS）已经被用来监测关键元器件的结构疲劳情况，其在石油工程中的应用也具有很大潜力。沙特阿美开发的压裂机器人FracBots是一种微型无线传感器和网络系统，可用于实时绘制水力压裂图并监控关键储层状况。该网络基于磁感应（MI）的无线传感特点，可在地下油藏（非导电的介质）中进行可靠、高效的无线通信。目前，沙特阿美已完成FracBots硬件部分的设计和制造，下一步主要工作包括完善固件，研究其在高导电性多孔介质中的联通程度，进一步微型化，提升无线通信和组网能力等。

微波技术已广泛应用于食品、通信、军事等领域，国内外针对微波钻井正在进行理论分析和室内试验。麻省理工学院研制出频率为28赫兹、功率为10千瓦的微波发生装置，进行了室内微波破岩实验来验证全微波破岩在干热岩钻井中应用的可行性；麦吉尔大学建立了微波辅助破岩系统，设计了带有微波天线的PDC钻头（聚晶金刚石复合片钻头）；斯伦贝谢公司提出一套微波辅助破岩方法，微波照射岩石后再利用钻头破岩；斯伦贝谢公司还提出在钻井液中加入特定化学试剂，利用微波辐射使其在泥饼上发挥聚合、交联作用，使井壁更加稳定。

（作者单位：中国石化石油工程技术研究院）

钻井及压裂数字孪生系统优化现场施工管控

本报讯 截至目前，由胜利石油工程公司钻井工艺研究院研发的“钻井及压裂数字孪生系统”已在牛页和樊页区块连续运行9个月，在虚实同步、故障预警、远程巡检、员工培训等方面发挥了重要作用，有助于进一步提高运行效率、实现安全生产。

数字孪生是指充分利用物理模型、传感器更新、运行历史数据，在虚拟空间中孪生物理世界实体装备的全生命周期过程，通过虚拟世界仿真分析和预测，帮助人们以最优结果驱动物理世界运行。目前，我国数字孪生技术正悄然走进产品设计制造、医学分析、工程建设等领域，但在石油工程领域才刚刚起步。

2021年，胜利石油工程公司立项“钻井及压裂作业工艺工况孪生系统研发”科研课题，成功研制出国内首套基于实时数据驱动的钻井及压裂数字孪生系统。该系统可用数字信息孪生场景映射出施工现场实时施工动态，现场人员及装备情况一览无余。远程用户可操作计算机以第一视角身临其境，进行施工全过程现场设备巡检和人员安全管控。

“下一步，研发团队将着手实施数据深度挖掘应用，攻关搬迁安及钻井参数优化、井下三维地质工程一体化等一系列应用，助力石化油服‘四提’‘五化’再上新台阶、实现新提升。”胜利石油工程公司信息中心经理何洪涛介绍。（王 宁 高 杨）

数字随钻测控助力高效勘探开发

本报讯 随着油气勘探开发向非常规、深水、深层、极地等资源进一步拓展，要解决复杂钻井环境下“看得清、找得准、打得快”的核心问题，建设数字化大闭环智能随钻测控方法和架构体系，成为油气勘探开发持续提质降本增效的必由之路。

经纬公司在对大量地球物理测井和钻井工程数据精心分析的基础上，通过对井下数据测量、传输和控制系统等核心技术进行攻关，研发了数字化随钻测控系统。该系统主要架构由数据测量系统、信息传输系统、自动控制系统、智能决策分析系统、人机交互、标准体系等组成，实现了井下钻具组合选型、钻前模拟、实时导向、钻后分析等全过程数字化整合。利用该系统，可对钻井参数、实钻摩阻扭矩、随钻振动数据、ECD（当量循环密度）数据等进行实时分析，精确控制井眼轨迹，预警井下故障并及时处理，能有效提高钻井效率，减少钻井事故。同时，该系统建立了地层模型智能反演算法和钻进参数智能决策算法，能快速准确预测储层物性参数、机械钻速和识别地层岩性，可最大程度提高储层钻遇率，助力高质量勘探、效益开发。

（杨 震 王玉庆）

应用光纤实现井下井上信息互联

本报讯 随着非常规油气勘探开发技术深入发展，智能油田建设急需从单一的地面数字化拓展到井下井筒数字化，这也对井下参数监测的可靠性、准确性、实时性提出了更高要求。凭借比头发丝还细的玻璃纤维——光纤，江汉石油工程公司科研人员不仅能清晰观测到数千米井下的真实情况，而且能清楚“听到”一口井每一个层段的产量情况。

如何才能保证细如蛛丝的光纤在150摄氏度以下的井筒内不断地传输数据？针对这个难题，科研人员围绕非常规油气井筒光纤智能建设需求，为光纤设计了一款耐高温高压的专用“冲锋衣”——聚酯涂层和聚酰亚胺涂层，保证了光纤长期在-65摄氏度~150摄氏度的井筒内能正常使用。不仅如此，他们还配套研发了系列油气井专用高性能分布式光纤测温和分布式光纤声波监测设备、光缆水平井下入安装工艺系列、阵列式光电产剖仪器等核心技术产品，最终通过一根光纤实现了全井段温度和声波等参数测量，让井下井上信息互联互通。

截至目前，该公司累计完成光纤测试100余井次，通过开展固井、压裂改造、生产、衰减、排采等全阶段、全生命周期的光纤测试服务，有效提升了光纤下入、数据采集和分析解释的一体化服务能力。

（吴丽萍 李 澎 孙文常）

多种新材料加入钻井助剂大家族

本报讯 近年来，中原石油工程公司钻井工程技术研究院坚持“单体—处理剂—体系”的研发思路，从源头“功能性单体”入手，共研发出32种新型钻完井液处理剂，并在顺北、西南等多个现场广泛应用，收到良好效果。

在水基钻井液方面，该公司研发的聚胺抑制剂、生物质合成树脂降滤失剂等系列助剂，解决了水基钻井液井壁失稳、高温稳定性差等问题。针对泥岩易坍塌地层研发的胺基抑制剂，可有效抑制黏土矿物水化膨胀，起到抑制防塌的作用，现场应用260余口井；针对超深高温地层研发的超支化乳液聚合物，具有抗温性好、抗盐性能突出等特点，现场应用100余口井；针对环境敏感区域研发的抗高温树脂类降滤失剂，具有抗高温、环保优势显著等特点，现场应用300余口井，最高应用温度205摄氏度，最高应用密度2.35克/立方厘米。

在油基钻井液助剂方面，他们研发出了高温高密度乳化剂、球状凝胶防漏剂、亲油腐殖酸降滤失剂等系列助剂，适用于白油基、柴油基等各种油基钻井液体系。针对深层高压页岩气钻探需求研发的高温高密度乳化剂，现场应用100余口井，具有加量低、乳化稳定性好等特点，最高应用密度2.45克/立方厘米，最大应用井深8874.4米，助力顺北53-2H井刷新了亚洲最深定向井纪录；为降低油基钻井液井漏损耗量研发的抗高温球状凝胶防漏剂，具有封堵防塌防漏性能突出、配伍性好等特点，现场应用100余口井，大幅降低了因井漏而损失的钻井成本，经济性显著。（张 鑫）