环境
采油井
钻井示意图
2012年,我国进口原油27109万吨,对外依存度达到56.4%,已超过国际石油安全警戒线。目前,我国尚未开采的油气资源中,处于深部地层的占40%左右。而我国近年发现的特大型油气田,均处于超过4500米的深部地层。因此,发展深井钻探技术,加快深层油气勘探开发,已成为保障我国能源安全的重大需求。
撰文/李根生、田守嶒、迟焕鹏
石油,也叫原油,顾名思义,这是一种从地下石头里产出来的油,一般是黑色的黏稠液体。石油中含有超过10万种化合物,从只有1个碳原子的甲烷,到含有85个碳原子的复杂化合物。在炼油厂,石油的主要馏分包括最初的"轻馏分",如丙烷和丁烷;以及"直馏"汽油,主要是5~6个碳原子组成的烷烃;在更高的沸点可以分馏出石脑油、煤油、柴油、润滑油,还有一些不能蒸馏的残余物。无论是作为发动机的燃料,还是以它为原料制成的各种石油化工产品,石油已经无孔不入地渗透到我们人类社会的各个领域。所以,石油被喻为"工业的血液"。
石油是如何形成的?
那么,石油是怎么形成的呢?
现在关于石油形成原因有很多种学说,主流观点是生物成因。早在38亿年以前,地球上就出现了生命。随着生命的不断发展演化,地球上出现了种类繁多、数量巨大的动植物。当大量生物死亡后,它们的遗骸沉到海底或地势低洼的地方,被泥沙覆盖。在这种缺氧的条件下,遗骸被分解成了脂肪类、蛋白质、碳水化合物和木质素等有机物质,这些物质是石油产生的基础或原料。
经过漫长的年代,随着地壳岩石的运动(比如大陆板块运动),这些有机物质被裹挟在泥沙等碎屑中慢慢地沉积,逐渐压实成岩,这样的岩石称作沉积岩。一般情况下,在地下的深度每增加100米,温度就会上升3~5℃。由于有上覆的地层压着,越往深处,压力也越高。埋藏在地下的有机物在热和压力的作用下,彼此结合,逐渐变成更为复杂的化合物。这些化合物被称为"油母质"。如果埋藏得更深,温度更高,油母质就会被分解为碳氢化合物,同时还生成水和二氧化碳。
经过催化降解和裂解等漫长而复杂的化学反应之后,最终就形成了石油。
由于石油的形成过程极其复杂漫长,至少需要几百万年的时间,因此,石油一般被看作是不可再生资源。
当看到石油从地下不断地流出来的时候,有人会认为地下一定存在着"油海"、"油河"或者"油湖"等。其实不然,石油藏在地下岩石颗粒之间的孔隙、裂缝和洞中,就跟水充满在海绵里一样。石油和水、岩石颗粒混杂在一起。即便如此比喻,在含油地层里,大部分这样的孔隙都是用肉眼看不到的。
石油刚刚形成之后,是零散地分布在生油层中的。在沉积岩逐渐被压实的过程中,石油会被挤出来,并聚集在一处。由于石油的密度比水轻,所以石油开始向上迁移。幸运的话,可以在岩石裂隙中自由穿行的石油,最终会遭遇一层致密的岩石,比如页岩、泥岩、盐岩等。这些岩石的孔隙、裂缝较少,拒绝给石油发"通行证",于是,石油只好停留在致密岩层的下方,逐渐富集,形成了储集层。而那些拒绝让石油通过的致密岩石地层,叫做盖层。如果没有盖层的话,石油形成以后,会不断向上迁移,直到地表,最终会消失在地球历史的尘烟中,也就无法成为可供我们人类开发利用的石油矿藏了。
油井是如何钻成的?
多分支井
石油是怎么被开采出来的呢?
石油和天然气储存在地下的岩层中,要想开采并不容易。由于地下岩石的分布情况复杂,地壳运动频繁,无法简单地预知到地下蕴藏石油的情况。因此,需要人们通过一定的手段和工具发现油气资源,寻找可能的油气储集层。这个寻找和发现油气的过程就叫做"油气勘探"。
石油形成之后,在地层中迁移和富集,所以会在地下不同的深度、不同的位置形成多个油气储集区,通常在地下几百米到几千米的岩石中。由于有盖层的阻挡,石油不可能自己流到地面上来。为了开采石油和天然气,需要在地下挖掘出一个通道或井眼,使油气流到井中,这样油气才能开采到地面,这个形成油气流动通道的过程就叫做钻井。钻井是石油工业中的一个重要工序,是勘探开发石油和天然气必不可少的手段。
油井是如何钻成的?
钻井前,首先根据地质勘探资料,在地面上确定好钻井的位置(即钻井井位),然后,在井位处打好基础并安装好钻井用的机械设备,即井架和钻机。钻井过程中,依靠钻机提供的动力带动钻杆和钻头转动。钻头接触岩石,逐次向下破碎岩石,形成一个井眼,井眼的直径基本等于钻头的直径。钻杆的直径小于钻头的直径,因此,钻杆和钻井之间会有一点空隙。钻头在破碎岩石的同时,通过空心的钻杆,向井底注入一种固体和液体的混合物(即钻井液),它可以将钻头破碎后的岩石碎屑从钻杆和钻井之间的狭小空间中携带至地面。因此,钻井的过程,就是钻头破碎岩石,钻井液通过循环流动不断向地面携带出岩石碎屑,最终形成井眼的过程。
在钻头钻达目的地之后,需要在井眼内下入专用的仪器测量,确定井眼的规则程度,以及井下各个石油、天然气和水的位置,这个过程叫做测井。测井作业完成之后,需要向井眼中放置小于井眼直径的套管(无缝钢管);并在套管与井眼的环状空间内注入水泥,将套管固定在井壁上。这样做的目的,是防止地层中的石油、天然气或水窜入环形空隙,冲向地面,造成危险。
钻井的最后一道工序,是在含有石油和天然气的层位,将套管、套管外的水泥和地层用炮弹或者别的方式打开,人为形成一个井下油气流入套管内的孔道。由于液体都会从压力高的地方流向压力低的地方,当地层压力较高时,石油可以自行流向地面,这种井叫做"自喷井"。
相对于油井来说,我们更熟悉水井。水井的深度一般只有几十米,而石油钻井的深度一般超过1000米,甚至上万米。
大部分人也许会觉得,油井跟水井一样,就是竖直地进行钻井,最终达到油气储集层就算完成了钻井过程。实际上,由于地下岩石情况复杂多样、油气的分布情况不规律,地面环境的多样,使我们常常无法在石油储集层的正上方实施钻井作业。假如油气勘探表明,在一个湖底的地层中,蕴藏有一个油气藏,我们想把下面的石油采出,但是不方便在湖面上安装笨重的钻井设备,这时该怎么办呢?为了解决这样的问题,科学家发明了"定向钻井技术"。只要在湖边的陆地上开始钻井,在地下朝着湖底下的油气藏改变钻井的方向,建立起一个倾斜的通道,这样就可以开采出我们想要的石油了。
另外,假如在原定的钻井通道上遇到了坚硬的岩石,钻头钻不动,此时就要采取别的路线打井到达油气储集层。这就跟我们走路一样,这条路不好走,还可以选择另一条好走的路到达目的地。所以我们在钻井中需要钻不同轨迹的井,其中比较常见的就是定向井和水平井。
定向井就是在某一个位置按照一定方向所钻的井,这个方向不是垂直的,而是与铅垂线呈一定角度。可是,钻杆都是直的钢管,这样倾斜的井是怎么钻出来的呢?我们首先需要钻出一定长度的垂直井眼(称作主井眼),然后在这一段井眼的最底端,通过专门的工具(造斜器)改变方向,由竖直方向偏斜一定的角度,然后沿这条倾斜的直线向前钻进一定距离,到达油气藏。当偏斜的角度较大,达到90°时,即方向由竖直转向水平时,这样的定向井就叫做水平井。如果在主井眼中钻出多个定向井眼或水平井眼,那么这口井就叫多分支井。
多分支井
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