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(tuán)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(xì)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(dá)到使用要求。有時，一個細(xì)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(jìn)行。每向地下鉆進(jìn)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(qiáng)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(jìn)發(fā)，需要大量能夠在深地高溫、高壓、強(qiáng)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(tuán)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)度等級較高的140ksi、155ksi鋼級材料。
除了強(qiáng)度，材料韌性也要達(dá)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(qiáng)韌性。但鋼鐵材料的性能規(guī)律是強(qiáng)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(tuán)隊成員如何解決“雙高”材料難題？
劉金海：首先，我和團(tuán)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(qiáng)度和韌性。
其次，我和團(tuán)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(tuán)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(shí)驗(yàn)邊調(diào)整。在實(shí)驗(yàn)中，我和團(tuán)隊成員需要把煉好的鋼材分成30厘米長的小段，對其進(jìn)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。
這個過程非常考驗(yàn)?zāi)托模淮螌?shí)驗(yàn)就要花費(fèi)很長時間。我已經(jīng)記不清做了多少次實(shí)驗(yàn)，更記不清失敗的次數(shù)。功夫不負(fù)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(dá)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(tuán)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(jìn)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(tuán)隊成員調(diào)整了螺紋的齒形狀，將其變?yōu)楣葱锡X，又改進(jìn)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(jìn)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(shí)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(tuán)隊？
劉金海：在我們團(tuán)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。可以說，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(tuán)隊中成長？
劉金海：一方面，我們團(tuán)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(tuán)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(shí)踐能力，鼓勵年輕人下工廠、參與工程項目。一般來說，新進(jìn)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(jìn)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(dá)到用戶要求。此外，有時科研人員的想法可能難以實(shí)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(yàn)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(diǎn)”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。“干我們這行，用產(chǎn)品說話。我們必須要對產(chǎn)品方方面面了如指掌。”他說。
研制石油套管，劉金海“憋著一口氣”。“有段時間，我國石油套管90%以上依賴進(jìn)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。”他說，進(jìn)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。”劉金海說，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。“外國專家說，中國團(tuán)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。”劉金海回憶，“他們越是這樣說，我越要造出來給所有人看。”
團(tuán)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(bǔ)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(shí)力躋身世界鋼管行業(yè)前三強(qiáng)，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(shí)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(yuǎn)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(yuǎn)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。”
