中国掌握"贪吃蛇"钻井技术 高难度定向井作业撒手锏

    定向钻井和随钻测量/随钻测井示意图（资料图）

    打破垄断的“贪吃蛇”怎样地下找油

    5月3日清晨5时，中国海油渤海九号钻井平台。经过63小时的连续作业，中国海油旗下中海油服自主研发的旋转导向系统Welleader、随钻测井系统Drilog联袂初演，在成功命中位于地下一两千米的三处油藏靶点后，顺利返回海面。我国就此打破跨国公司在这一当今世界钻井、测井顶尖技术上的垄断，继美国之后成为全球第二个同时拥有这两项技术的国家。

    用最短时间，尽量少钻井多打油，对海洋石油意味着什么？

    被誉为“可以引导钻头像‘3D版贪吃蛇’一样在地下几千米的坚硬岩石里自由穿行并准确命中油气藏目标”的这两项技术，由中海油服油田技术事业部主导研发。该部总工程师郭云在接受记者采访时介绍，一直以来，油气田开发都像是在做一道时效与成本的“计算题”，即如何在已知地下油气储层位置的情况下，用最小的成本和最快的速度完成钻井服务？换言之，若想开采“物美价廉”的油气资源，就必须用最少的井位完成最大范围的储量开采，并以最少的起钻次数实现最短钻井周期。

    用最短时间，尽量少钻井，打出尽量多的油，对海洋石油意味着什么？郭云披露的这样一组数据道出原委——目前的钻井设备日租金，陆上在人民币20万元以内；海上则通常不低于50万美元，而像“海洋石油981”这样的顶级设备，日费更高达百万美元。海上钻井成本普遍高出陆上十几倍，倒逼出海上钻井设备的高可靠性和高效率。

    定向钻在地层中任意方向钻进，目标瞄准难动用储层

    面对时效与成本的难题，全球范围内的油气公司不约而同地选择了定向钻井技术。

    郭云介绍，与传统的直井不同，定向钻是能够在地层中三维任意方向行进的钻井技术。它并非让钻头“直”达目的层，而是要求钻头能够在地层深处按照设计好的斜度钻进，直至命中深达几千米的地下油气藏“靶心”；主要适用于常规油气藏开发殆尽之后，原本难以动用的薄、差储层。

    他解释说，普通的定向钻，是传统钻具加上一套“螺杆马达”，即在靠近钻头位置有一弯角，可以根据井眼轨迹调整钻进方向。成本低是这种螺杆钻具的最大优点，因此而在当今的定向钻作业中占近60%。其缺点是钻进斜度大了，工作效率低；而且井眼不够规矩，造成后期完井困难。

    高难度定向井作业的“撒手锏”

    “海上大斜度、水平井居多，旋转导向系统就派上了用场。”郭云表示，旋转导向系统的优势在于，能够实时控制井下钻进方向，实现类似于“3D版贪吃蛇”的钻具运行轨迹调整，从而一趟钻贯穿目标储层——甚至可以让直径0.2米的钻头在0.7米的薄油层中横向或斜向稳定穿行，实现一趟钻“横向”移动1000米的长距离作业。这种精准制导本身成本高于螺杆钻具，但能降低综合开发成本，最终实现油气田资源开发价值最大化。目前，全球超过40%的定向井采用该系统钻成。

    旋转导向系统能够在地下几千米完成作业，离不开随钻测井系统的“导航指路”。郭云形容，随钻测井系统等于为井下设备加装了“千里眼”，能够随时将钻进“沿途”的地质数据反馈至地面，由测井工程师完成即时的信息处理和指令传达。两套系统并肩作战，能够实现全井段定向旋转钻进，实时调整井眼轨迹，并测量井下环境参数；可极大提升作业效率，降低工程风险。是进行超深水、水平井、大位移井等高难度定向井作业的“撒手锏”。

    事实上，它也是跨国公司在国际市场呼风唤雨的“撒手锏”：由于研发难度大，多年来这两项技术一直被美国三大油田技术服务公司视为竞争核心，高度垄断。根据全球范围作业量统计，2014年这两项技术至少为相关公司带来约200亿美元收入。

    旋转导向系统、随钻测井系统究竟难在哪？

    “旋转导向系统、随钻测井系统究竟难在哪，以至跨国公司拥其自重？”

    在回答这一问题时，郭云表示，所有钻井仪器设备因其工作环境极度恶劣（高温、高压、大振动等），总体上都比普通设备要求高得多的可靠性。

    具体到技术层面，他解释，旋转导向系统的难点在于，需根据地下情况随时实现地面控制，涉及大振动状态下的姿态测量（调整下一步动作的前提）、执行机构的控制精度（靠三套独立液压系统完成）、井下电源提供（泵送钻井泥浆同时推动发电机发电）、地面与井下数据实时传输（没有电缆，靠钻井泥浆循环压力变化获取）等，均属国内空白。随钻测井系统难点在于，“几乎用到所有已知的探测法，并需系统集成”，包括电磁波、声波、核磁共振及通用传感等，以及相关的数据处理。

    为此，中海油服在国家863计划支持下，2008年以来，历经艰辛攻关，仅基础检验设施就投资2亿多元，终于突破技术瓶颈，形成了具备自主知识产权的商标、系统技术和装备体系。

    此次渤海作业中，两套系统一趟钻完成813米定向井段作业，成功命中1613.8米、2023.28米和2179.33米三处靶点，最大井斜49.8°，最小靶心距2.1米，充分证明两套系统具备了海上作业能力。