在近日举行的2020年度国家科学技术奖励大会上，中国石油大学（华东）石油工程学院孙宝江教授牵头的“海洋深水钻探井控关键技术与装备”项目荣获国家技术发明二等奖。
众所周知，井喷是安全高效钻探的常见风险，与陆地相比，海上钻探井喷风险更高。全球近30年发生了300多起严重的海上井喷事故，损失巨大。
深水钻探井控安全是行业公认的世界性难题。孙宝江团队自主研发的这套整体技术攻克了井底气侵早期识别和井喷风险主动快速处置等技术瓶颈，是深水井控技术装备的重大突破。
聚焦准确调控的理论瓶颈
20世纪80年代以来，国际上普遍应用的是“气—液”两相流井控理论模型。早在15年前，孙宝江团队也是按照这套理论体系对井控等过程中的水力参数优化设计技术进行研究，但是随着钻井深度的不断增加，特别是海洋深水井筒大温差、流场复杂情况的出现，其模型压力预测与现场出现了较大偏差，最高误差达30%以上。
基于主动井控的思想，孙宝江团队认为早发现、早预测才能早控制。
2006年，孙宝江参与策划了国家863计划重大项目“南海深水油气勘探开发关键技术及装备”。
孙宝江介绍，在研究过程中遇到了现今备受关注的新能源——天然气水合物，而在当时天然气水合物被认为是一种不利因素。因为天然气水合物在井筒中的形成，可导致气侵发现的延迟、井筒或防喷器的堵塞，甚至造成油气井的报废。
“必须要重视固相（水合物）对于深水井控的影响。”孙宝江团队综合考虑天然气水合物生成的热力学、温度和压力条件，预测深水钻井井筒中天然气水合物生成区域，针对南海深水钻井的特点，建立了多相流控制方程组、环空和钻杆内的温度场方程以及水合物生成的热力学方程。
团队针对不同的钻井工况给出了方程的定解条件、方程离散方法以及求解步骤。自此，传统的“气—液”两相流井控理论模型增加到“气—液—固（水合物）”三相流深水井控理论模型。
实现井控关键装备研发的源头创新
2008年，在沈忠厚院士、罗平亚院士等专家的指导下，孙宝江牵头团队承担了国家支撑计划课题“三高气井井筒压力控制技术”，并任课题组长。在研究过程中，团队发现井筒里面的流体不只有气、液、固三态的特性，有些时候，井筒内的压力和温度会超过天然气的临界压力和临界温度，此时天然气会处于一种超临界状态，如何科学表征这种现象是解决井筒压力预测和控制偏差的关键之一。孙宝江团队对此发现兴奋不已，因为这一理论是革新性的，但也正因为如此，这在当时团队内部和学术界引发了热议。
实践是检验真理的唯一标准。孙宝江团队用超临界的理论很好地解释和印证了生产实际现象，有针对性地建立了井控多相流动方程，为钻完井安全过程井控方法与工艺技术进步提供了理论支持。
针对深水钻探井控面临的安全钻井压力窗口窄等诸多难题，孙宝江团队围绕如何提高井筒压力预测和控制精度，创建了“超临界—气—液—固（水合物）”四相流深水井控理论模型。他们利用发明的全尺寸深水井筒流动模拟实验装置采集的数据和现场应用数据验证表明，与国际通用经典“气—液”两相流井控模型相比，压力预测精度提高至90%以上，攻克了井筒压力预测误差大导致井筒压力控制困难的理论难题；发明了“精确计算井筒压力—早期识别井底气侵—即时处置井喷风险”主动井控新方法，实现了井控关键装备研发的源头创新。
为井控装备配上“眼睛”和“大脑”
如果说“超临界—气—液—固（水合物）”四相流深水井控理论是井控装备的思想，那么孙宝江团队后期研发的非体积膨胀原理的井下气侵早期监测方法和多源信息融合的气侵早期监测装备就是井控装备的“眼睛”，深水井控安全设计与控制综合软件平台就是井控装备的“大脑”。团队通过井筒环控压力自动控制的“动态压井钻进”井控装备来实现“边钻边压”，解决了传统压井方法需停钻关井导致气侵处置不及时、井喷风险大的难题。
“简单说就是借助布设在钻柱等位置的传感器和综合录井信息，实时监测地层、井筒各类特征数据，通过专家系统对大量数据实时分析，及时掌控井底气侵情况，实现了‘侵入即发现’，避免大量气体升至海底防喷器以上才发现而容易导致的井涌井喷问题，为压井作业赢得了宝贵时间。”孙宝江说。
“该项目创建了‘超临界—气—液—固’四相流深水油气钻探井理论模型，发明了深水动态压井钻进关键井控技术装备，解决了深水开路、闭路钻进缺乏快速井控手段的难题，整体技术达到国际先进水平。”由院士及行业专家组成的鉴定委员会对项目给予高度评价。
孙宝江介绍，项目获授权发明专利35件，其中美国专利4件，软件著作权9件，井控企业标准3件，论文127篇，专著1部，省部级一等奖2项、创新团队奖1项。同时，还培养了一批井控专业领域中青年科技人才，为井控技术人才培养作出了贡献。
“项目成果自2011年投入市场应用，已全面应用到了国内外多个深水油气田。项目成果的重要性不仅仅在于经济效益，更在于它的社会效益，它推动了我国深水钻探井控技术科技进步，大幅提高了油气钻探、开采的安全性，保障了我国深水油气的自主开发，服务国家能源安全战略。”孙宝江表示，项目成果突破了南海深水油气开发的关键技术难题，推动了南海油气资源的开发，助力我国海洋钻井作业能力迈入超深水行列。
