劉金海:打磨萬米深井中的“繡花針”

2024-09-09 15:18:12 來源: 科技日報 點擊數(shù):

科技日報記者 陳曦 通訊員 王起津

臨近中秋節(jié)小長假,塔克拉瑪干沙漠又將迎來一批游客。他們或許不知道,在沙漠腹地,中國石油塔里木油田深地塔科1井正在書寫“中國深度”。今年3月4日,這座深地科探井突破萬米大關(guān),成為世界陸上第二、亞洲第一垂深井。

深地塔科1井使用的部分石油套管,由天津鋼管制造有限公司(以下簡稱天津鋼管)研制,屬于該公司超深復(fù)雜井用高端套管系列產(chǎn)品。相關(guān)產(chǎn)品還被用在全球地質(zhì)條件最復(fù)雜、鉆井難度最高的萬米深地科探井——深地川科1井上。

依靠自主創(chuàng)新,天津鋼管總工程師劉金海帶領(lǐng)團隊成員從零起步,潛心研制并迭代超深復(fù)雜井用高端套管系列產(chǎn)品。

近日,劉金海接受科技日報記者采訪,講述了攻堅克難的創(chuàng)新歷程。

“一個細節(jié)沒處理好,就可能報廢一口井”

記者:什么是石油套管?

劉金海:在鉆井過程中,石油套管是連接井上和井下的通道,所有油氣作業(yè)都要借助這一通道完成。同時,井壁也要靠這些套管支撐起來。

除了支撐井壁,石油套管還能隔離不同地層,防止地層間流體相互滲透,提高井眼密封性,防止井噴、油氣泄漏等事故發(fā)生。

由于所處位置特殊,石油套管如果出問題,維修難度極大。即使被及時修復(fù),套管也難以達到使用要求。有時,一個細節(jié)沒處理好,就可能報廢一口井。

記者:石油套管在地層的工作環(huán)境是怎樣的?

劉金海:與國外相比,我國大部分油氣資源分布在盆地深層,埋藏深度普遍較深。許多油氣田的儲層深度超過3000米,有的甚至超過6000米。在業(yè)內(nèi),深度在6000米到9000米的井被稱為超深井,超過9000米的井被稱為特深井。

超深井、特深井鉆探通常在高溫、高壓、腐蝕性環(huán)境中進行。每向地下鉆進100米,環(huán)境溫度就會升高約2攝氏度。鉆到約萬米深度時,井下溫度可能超過200攝氏度,此時巖層壓力或超200兆帕,石油套管相當(dāng)于被2300公斤的重物擠壓。

因此,我國油田開采使用的石油套管需滿足高強度、高韌性、抗腐蝕、抗擠毀等性能要求,才能保證復(fù)雜環(huán)境中石油開采的安全性。

記者:天津鋼管為什么要研制超深復(fù)雜井用高端套管?

劉金海:油氣被稱為“工業(yè)血液”,是國家重要的戰(zhàn)略資源。近年來,我國深地工程加快開展,油氣勘探向地球深部進發(fā),需要大量能夠在深地高溫、高壓、強腐蝕環(huán)境下工作的設(shè)備。為助力深地油氣勘探開發(fā),我?guī)ьI(lǐng)團隊成員研制了適應(yīng)特殊環(huán)境的石油套管產(chǎn)品——超深復(fù)雜井用高端套管。

“沒有任何借鑒,只能摸著石頭過河”

記者:研制超深復(fù)雜井用高端套管難在哪里?

劉金海:石油套管屬于無縫鋼管。無縫鋼管是一種具有中空截面、周邊沒有接縫的長條鋼材,被廣泛應(yīng)用于工程機械、石油勘探等行業(yè)。

由于個頭小,石油套管被稱為無縫鋼管中的“繡花針”。研制“繡花針”,首先難在材料上。

國外超深井較少,石油套管通常由中等強度等級的125千磅力/平方英寸(ksi)鋼級材料制成。我國超深井較多,故大批量使用強度等級較高的140ksi、155ksi鋼級材料。

除了強度,材料韌性也要達標(biāo)。在施工過程中,石油套管常會遭受巖石碾壓,稍微摔碰就可能破損,故其制造材料需具有強韌性。但鋼鐵材料的性能規(guī)律是強度越高,韌性越低。研發(fā)“雙高”鋼鐵材料,屬于世界難題。

記者:您和團隊成員如何解決“雙高”材料難題?

劉金海:首先,我和團隊成員使用了很多新材料。我們在鋼鐵材料中加入適量的合金材料,顯著提高了鋼管的強度和韌性。

其次,我和團隊成員嘗試了多種新技術(shù)。我們利用純凈鋼冶煉、控制軋制等技術(shù),使材料具有良好的低溫沖擊韌性和優(yōu)良的高溫力學(xué)性能,保證其可以在苛刻條件下安全使用。

同時,在公司多位特級技師的幫助下,我們大幅優(yōu)化了制造工藝。我和團隊成員冒著高溫全程跟蹤材料制造過程,比如熔煉、鑄造、熱軋等,確保成品質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性。

經(jīng)過兩年多的攻關(guān),我們開發(fā)出從125ksi到165ksi系列高鋼級材料。

記者:研發(fā)過程順利嗎?

劉金海:我們走的每一步都異常艱難。此前,世界范圍內(nèi)沒有企業(yè)制造出165ksi高鋼級材料,我們沒有任何借鑒,只能摸著石頭過河。

例如,165ksi高鋼級材料的核心組成成分超過10種,但這10種成分所占比例是多少,我們一無所知,只能邊做實驗邊調(diào)整。在實驗中,我和團隊成員需要把煉好的鋼材分成30厘米長的小段,對其進行淬火、回火等熱處理。之后,我們會在不同溫度下,檢測它們的拉伸沖擊性能、鋼級性能等,并將相關(guān)數(shù)據(jù)記錄下來。

這個過程非??简?zāi)托?,一次實驗就要花費很長時間。我已經(jīng)記不清做了多少次實驗,更記不清失敗的次數(shù)。功夫不負有心人,我們最終啃下了這塊“硬骨頭”。我們研制的165ksi高鋼級材料不僅硬度高,而且綜合性能達到預(yù)期目標(biāo)。

記者:除了材料,還有什么難題需要攻克?

劉金海:接下來,我們要解決接頭制造工藝難題。在超深井、特深井中,鋼管之間需要用螺紋接頭連接。一般來說,螺紋接頭是管體比較薄弱的部分。在萬米深的油氣井中,每10米就需要1根管子,大概需要約1000個螺紋接頭。螺紋接頭質(zhì)量不過關(guān),很可能導(dǎo)致油氣泄漏等安全事故。為保障施工安全,螺紋接頭的抗壓縮等方面的性能要求極高。

公司車間的一位老師傅曾說,加工螺紋接頭猶如“在大米上刻字”,加工難度可見一斑。一根直徑11.43厘米、長10米的管子,一般重量在0.5噸左右。但其接口螺紋的齒高只有1.4毫米,齒寬5毫米,齒厚2.5毫米。需要極其精密的制造工藝,才能“繡”出這樣螺紋。

記者:您和團隊成員是如何提升制造工藝的?

劉金海:根據(jù)不同工況,我們改進了螺紋接頭的制造工藝。當(dāng)井深超過6000米,重力會變得非常小,但摩阻增大。此時,工作人員要用旋轉(zhuǎn)方式下放鋼管。這種下放方式會大幅增加螺紋接頭的扭矩壓力。如果接頭扭矩壓力超過標(biāo)準(zhǔn)值,其完整性就會被破壞,無法滿足施工要求。

針對這一情況,我和團隊成員調(diào)整了螺紋的齒形狀,將其變?yōu)楣葱锡X,又改進了梯形螺紋的形態(tài),使螺紋接頭不容易滑脫,還可彎曲拉伸。

除此之外,我們還不斷提升接口性能,增加接口扭矩,讓接頭不再是鋼管的“薄弱部分”。

記者:超深復(fù)雜井用高端套管的研制成功,給行業(yè)帶來哪些改變?

劉金海:此前很長一段時間,我們只能從國外進口相關(guān)產(chǎn)品。超深復(fù)雜井用高端套管問世后,我國深井、超深井使用的石油套管90%以上實現(xiàn)國產(chǎn)化。

“沉下心,認(rèn)準(zhǔn)一個目標(biāo)持之以恒地努力”

記者:能否介紹一下您的團隊?

劉金海:在我們團隊中,像我這樣50歲以上的人員大概只占5%,大部分都是“80后”“90后”。這些年輕人基本來自“雙一流”高校,擁有碩士以上學(xué)位、博士學(xué)位的約占一半??梢哉f,這是一支既有青春活力又有科研素養(yǎng)的隊伍。

記者:年輕人如何在團隊中成長?

劉金海:一方面,我們團隊中的資深專家會提醒年輕人及時發(fā)現(xiàn)問題、正確認(rèn)識問題、積極解決問題,做到“授人以漁”。另一方面,我們團隊有良好的學(xué)習(xí)氛圍,定期組織學(xué)術(shù)討論會、青年人沙龍。在這些活動中,年輕人可以暢所欲言,就學(xué)術(shù)問題展開激烈討論。

同時,我非常注重培養(yǎng)年輕人的實踐能力,鼓勵年輕人下工廠、參與工程項目。一般來說,新進人員工作不超過5年,就可以成長為業(yè)務(wù)骨干。

記者:您認(rèn)為,企業(yè)科研人員進行創(chuàng)新可能面臨哪些困難?

劉金海:比如,企業(yè)科研人員可能只考慮技術(shù)層面的問題,沒有做到面向市場,導(dǎo)致產(chǎn)品指標(biāo)沒有達到用戶要求。此外,有時科研人員的想法可能難以實現(xiàn),導(dǎo)致產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)能力不匹配。我認(rèn)為造成這些問題的原因主要在于,企業(yè)科研人員能力不足以及試驗研究裝備欠缺。

記者:結(jié)合過往工作經(jīng)歷,請您給企業(yè)青年科研人員一些建議。

劉金海:我認(rèn)為年輕人做科研,首先要堅持“兩個面向”:一是面向市場,致力于為用戶解決“痛點”問題;二是面向生產(chǎn),圍繞產(chǎn)品提質(zhì)增效做文章。其次,青年科研人員要沉下心,認(rèn)準(zhǔn)一個目標(biāo)持之以恒地努力。

延伸閱讀

“干我們這行,用產(chǎn)品說話”

和鋼管打了30多年交道的劉金海,說起產(chǎn)品研發(fā),滔滔不絕?!案晌覀冞@行,用產(chǎn)品說話。我們必須要對產(chǎn)品方方面面了如指掌?!彼f。

研制石油套管,劉金?!氨镏豢跉狻??!坝卸螘r間,我國石油套管90%以上依賴進口。這種受制于人的狀況,嚴(yán)重制約了我國石油工業(yè)的快速發(fā)展?!彼f,進口石油套管不僅價格昂貴,而且交貨周期較長。

“要想改變現(xiàn)狀,別無他法,只能迎難而上?!眲⒔鸷Uf,他帶著一支幾十人的隊伍,開始了艱難探索。

他們的嘗試伴隨著質(zhì)疑?!巴鈬鴮<艺f,中國團隊不可能在短時間內(nèi)造出符合標(biāo)準(zhǔn)的石油套管,你們的深井、超深井只能用國外產(chǎn)品。”劉金?;貞洠八麄冊绞沁@樣說,我越要造出來給所有人看?!?/p>

團隊開足馬力,駛上了研發(fā)快車道。在他們的帶動下,天津鋼管上下幾千名員工全力以赴,鉚足一股勁填補國內(nèi)空白,趕超國外無縫鋼管企業(yè)。如今,天津鋼管石油套管產(chǎn)銷量躋身世界前列,綜合實力躋身世界鋼管行業(yè)前三強,成為“鋼管巨人”。

此后,技術(shù)創(chuàng)新融入天津鋼管的血液。“光有產(chǎn)量不行,還要有核心技術(shù),不斷實現(xiàn)自主突破。”劉金海說,哪怕是前些年,行業(yè)大環(huán)境變化,部分企業(yè)艱難維持時,公司憑借領(lǐng)先技術(shù),依然訂單不斷。近幾年,企業(yè)更是不斷提升研發(fā)投入力度。2023年,研發(fā)支出占公司營業(yè)收入的3.2%,遠高于鋼鐵行業(yè)企業(yè)平均研發(fā)投入比例。

采訪最后,劉金海對記者說:“我們堅持產(chǎn)品研發(fā)‘三個一代’原則,即開發(fā)一代、儲備一代、研究一代,通過長遠布局規(guī)劃,持續(xù)穩(wěn)固市場領(lǐng)先地位。天津鋼管人相信,只有不斷探索和突破,才能在激烈的競爭中立于不敗之地?!?/p>

責(zé)任編輯:聶慧敏

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