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| 鉆井“巡航制導”20年攻關的背后 |
| 來源：中國科學報 作者：李泰豫 時間：2020/1/22 |
如何把石油鉆井的井斜精度控制到0.1度之內，確保鉆頭在一米厚的油層中完成作業?為了實現鉆井的“巡航制導”，油氣田開發過程中所使用的旋轉導向系統就好像是給“鉆地龍”裝上“方向盤”的關鍵技術，也曾是國外對我國設限封鎖的領域。
2019年12月19日，中國石化勝利石油工程公司經過20年的攻關，終于研制成功國產旋轉導向系統——連續工作141小時，進尺857米，最大造斜率每30米6.6度，順利完成第4次現場試驗。
“這組數據標志著中國石化成功解決了鉆井的‘卡脖子’技術難題，這將為油氣田勘探開發提質、提速、提產、提效，用適度技術保障穩油增氣降本增添重量級砝碼。”鉆井技術知名專家劉汝山認為。
向世界最先進的系統進軍
油氣田開發需要在地下油氣儲層中用最小成本和最快速度完成鉆井，許多石油企業都優先選擇能夠在油氣儲層中穿行的水平井鉆井技術。水平井作業與普通鉆井作業不同，要求鉆頭能夠在地層深處按照設計好的軌道鉆進，直至命中目標“靶點”。
旋轉導向系統就滿足了這種要求，它能夠實時控制井下鉆進的方向，從而高效、精準地實現一趟鉆貫穿目標地層，因此被認為是20世紀90年代以來水平鉆井技術的重大變革。
早在上世紀90年代初，少數幾家國際知名油服公司就研制出了旋轉導向工具，而國內許多石油工程專家對它的了解程度幾乎是“零”。中國石化勝利石油工程公司副總經理韓來聚回憶說：“我們當時對旋轉導向工具原理的了解相當于‘文盲’水平。”
上世紀90年代，韓來聚等人第一次接觸旋轉導向工具與隨鉆測量儀，是因為開發復雜油氣藏的需要，特別是打水平井能增加滲油面積、大幅度提高產量，而當時國內技術達不到，不得不請外國人出馬。
“有了它們，石油鉆井的井斜精度就能控制到0.1度之內，可以開采僅有一米厚的油層，就像給鉆頭裝上了‘千里眼’和‘方向盤’。”韓來聚說，人們談論這一新生事物，像是在聊科幻電影。同樣夢幻的是外國人的要價，日費五六萬美元，只租不賣，禁止參觀。
“不搞自主研發，將永遠無法擺脫‘卡脖子’的困境!”韓來聚他們認識到，自主研發旋轉導向工具，是必然之選。
作為當時國內石油鉆探領域最大的鉆井研究院所，勝利鉆井院將目光瞄準了當時最先進的“動態推靠式”旋轉導向工具。1999年，勝利鉆井院與西安石油大學聯合立項的旋轉導向技術前瞻性研究被列入國家“863”計劃，邁出旋轉導向工具研發的第一步。經過5年的攻關，終于研究出原理樣機。不過，樣機尚未達到現場應用水平。
2005年，他們又與美國一家公司合作研制出了動態推靠式旋轉導向系統工程樣機，并驗證了其功能性。但是，由于該樣機在動態測量精度等方面還存在難以突破的技術瓶頸，影響了產業化應用。
盡管沒有成功現場應用，但兩次聯合研發過程拓寬了科研人員的思路，提升了科研團隊的專業能力，積累了大量寶貴的試驗數據，為后期旋轉導向技術的突破奠定了基礎。
“寒冬”期的努力
2014年下半年，隨著國際油價斷崖式下跌，油服行業量價齊跌，石油工程公司進入市場“寒冬”。即便如此，中國石化勝利石油工程公司依然通過子項目立項等方式撥發研發經費，確保旋轉導向研究持續進行。
“勝利鉆井院攻克的技術難題數不勝數，最長的項目研發時間也不過10年，但誰都沒想到在第15個年頭依然沒有攻克旋轉導向。”韓來聚說。
2015年5月4日，中海油服宣布由其自主研發的旋轉導向系統在渤海之濱完成鉆井作業。這一消息讓韓來聚等人倍感壓力。
此時，四川巴山深處涪陵頁巖氣勘探開發更讓韓來聚等人坐立不安。由于頁巖氣勘探開發需要1000米以上的長水平段鉆井，且地質條件復雜，地層橫向變化大，常規鉆井技術工具不僅效率低、難度大，而且控制井眼軌跡的效果不盡人意，需要借助旋轉導向工具。只有向外國公司求助，哪怕每日高達20多萬元的服務費用也只能被迫接受。
技術被國外處處封鎖、國內同行研發進展迅猛，如何突圍?
為加快旋轉導向工具研發，中國石化勝利石油工程公司整合內部科技資源，抽調鉆井工藝研究院、測井公司及鉆井工程技術公司的相關研發人員，成立了隨鉆測控技術中心，以研發井筒隨鉆測控技術為目標，瞄準前沿技術，開啟了邁向自主創新的高端化、國際化道路。
為縮短攻關研發周期，快速提升公司高端裝備研發水平和技術成果轉化能力，中國石化勝利石油工程公司與外國公司開展技術合作，經過1年多的技術攻關，逐步完成了SINOMACS隨鉆測控平臺的升級，實現了結構優化、電氣連接、測量系統精確控制、井下數據通信可靠傳輸，以及實時、高效的井下與地面系統的雙向通訊，最終建成SINOMACS ATS III型旋轉導向系統。
2019年3月27日，SINOMACS ATS III型旋轉導向系統下井試驗。在勝利油區營6—更斜51井，技術人員通過地面系統下傳控制指令，成功控制井下工具完成軌跡調整動作，旋轉導向工具累計工作時間114小時，進尺927米，軌跡控制精度高，實鉆軌跡與設計軌跡吻合，獲得了甲方的高度認可。
雖然現場試驗成功了，但隨鉆測控技術中心主任李閃并不滿足，因為最核心的技術他們還沒有攻克。
攻克最核心技術
“只有自主研發，才能真正擺脫‘卡脖子’的困境。”韓來聚的話讓李閃記憶猶新。他和同事們又開始攻關旋轉導向最核心部件——導向頭。
旋轉導向頭是旋轉導向系統的核心單元，是集測量、控制、信號傳輸和能量傳輸技術于一體的復雜系統。導向頭上的各類傳感器實時采集重力加速度、電壓、電流與轉速等信號，通過軟件算法的處理，完成對液壓系統中的電機、泵、閥等部件的精確控制，再通過非接觸能量傳輸模塊傳輸無線信號。這涉及電子信息、自動化控制、機械、液壓等各領域專業知識，為系統的設計和實現帶來巨大挑戰。
2018年12月，中國石化終于自主研發出第一臺靜態推靠式旋轉導向系統樣機——SINOMACS ATS Ⅰ型旋轉導向系統。
2019年12月13日凌晨，韓來聚組織在勝利油區埕913—斜80井進行試驗。在此后的6天5夜里，李閃等人沒睡過一晚安穩覺。12月19日凌晨，當得知順利完鉆時，他們并沒有想象中的那么激動，只想“睡到自然醒”。
當被問及今后打算時，李閃笑著回答：“當然，眼下要加快提升Ⅰ型旋轉導向工具的可靠性，盡快研發出適用于頁巖氣開發的Ⅱ型工具，讓在四川施工的鉆井隊早日用上我們自主研發的旋轉導向系統。”
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