中國(guó)石化勝利石油工程公司自主研發(fā)的SINOMACS ATSⅠ型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在埕913—斜80井實(shí)驗(yàn)成功。王福攝

如何把石油鉆井的井斜精度控制到0.1度之內(nèi)，確保鉆頭在一米厚的油層中完成作業(yè)?為了實(shí)現(xiàn)鉆井的“巡航制導(dǎo)”，油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中所使用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)就好像是給“鉆地龍”裝上“方向盤(pán)”的關(guān)鍵技術(shù)，也曾是國(guó)外對(duì)我國(guó)設(shè)限封鎖的領(lǐng)域。

2019年12月19日，中國(guó)石化勝利石油工程公司經(jīng)過(guò)20年的攻關(guān)，終于研制成功國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)——連續(xù)工作141小時(shí)，進(jìn)尺857米，最大造斜率每30米6.6度，順利完成第4次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

“這組數(shù)據(jù)標(biāo)志著中國(guó)石化成功解決了鉆井的‘卡脖子’技術(shù)難題，這將為油氣田勘探開(kāi)發(fā)提質(zhì)、提速、提產(chǎn)、提效，用適度技術(shù)保障穩(wěn)油增氣降本增添重量級(jí)砝碼。”鉆井技術(shù)知名專家劉汝山認(rèn)為。

向世界最先進(jìn)的系統(tǒng)進(jìn)軍

油氣田開(kāi)發(fā)需要在地下油氣儲(chǔ)層中用最小成本和最快速度完成鉆井，許多石油企業(yè)都優(yōu)先選擇能夠在油氣儲(chǔ)層中穿行的水平井鉆井技術(shù)。水平井作業(yè)與普通鉆井作業(yè)不同，要求鉆頭能夠在地層深處按照設(shè)計(jì)好的軌道鉆進(jìn)，直至命中目標(biāo)“靶點(diǎn)”。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)就滿足了這種要求，它能夠?qū)崟r(shí)控制井下鉆進(jìn)的方向，從而高效、精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)一趟鉆貫穿目標(biāo)地層，因此被認(rèn)為是20世紀(jì)90年代以來(lái)水平鉆井技術(shù)的重大變革。

早在上世紀(jì)90年代初，少數(shù)幾家國(guó)際知名油服公司就研制出了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，而國(guó)內(nèi)許多石油工程專家對(duì)它的了解程度幾乎是“零”。中國(guó)石化勝利石油工程公司副總經(jīng)理韓來(lái)聚回憶說(shuō)：“我們當(dāng)時(shí)對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具原理的了解相當(dāng)于‘文盲’水平。”

上世紀(jì)90年代，韓來(lái)聚等人第一次接觸旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具與隨鉆測(cè)量?jī)x，是因?yàn)殚_(kāi)發(fā)復(fù)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(chǎn)量，而當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)技術(shù)達(dá)不到，不得不請(qǐng)外國(guó)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(nèi)，可以開(kāi)采僅有一米厚的油層，就像給鉆頭裝上了‘千里眼’和‘方向盤(pán)’。”韓來(lái)聚說(shuō)，人們談?wù)撨@一新生事物，像是在聊科幻電影。同樣夢(mèng)幻的是外國(guó)人的要價(jià)，日費(fèi)五六萬(wàn)美元，只租不賣，禁止參觀。

“不搞自主研發(fā)，將永遠(yuǎn)無(wú)法擺脫‘卡脖子’的困境!”韓來(lái)聚他們認(rèn)識(shí)到，自主研發(fā)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，是必然之選。

作為當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)石油鉆探領(lǐng)域最大的鉆井研究院所，勝利鉆井院將目光瞄準(zhǔn)了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的“動(dòng)態(tài)推靠式”旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。1999年，勝利鉆井院與西安石油大學(xué)聯(lián)合立項(xiàng)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)前瞻性研究被列入國(guó)家“863”計(jì)劃，邁出旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具研發(fā)的第一步。經(jīng)過(guò)5年的攻關(guān)，終于研究出原理樣機(jī)。不過(guò)，樣機(jī)尚未達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用水平。

2005年，他們又與美國(guó)一家公司合作研制出了動(dòng)態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)工程樣機(jī)，并驗(yàn)證了其功能性。但是，由于該樣機(jī)在動(dòng)態(tài)測(cè)量精度等方面還存在難以突破的技術(shù)瓶頸，影響了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

盡管沒(méi)有成功現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，但兩次聯(lián)合研發(fā)過(guò)程拓寬了科研人員的思路，提升了科研團(tuán)隊(duì)的專業(yè)能力，積累了大量寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為后期旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的突破奠定了基礎(chǔ)。

“寒冬”期的努力

2014年下半年，隨著國(guó)際油價(jià)斷崖式下跌，油服行業(yè)量?jī)r(jià)齊跌，石油工程公司進(jìn)入市場(chǎng)“寒冬”。即便如此，中國(guó)石化勝利石油工程公司依然通過(guò)子項(xiàng)目立項(xiàng)等方式撥發(fā)研發(fā)經(jīng)費(fèi)，確保旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向研究持續(xù)進(jìn)行。

“勝利鉆井院攻克的技術(shù)難題數(shù)不勝數(shù)，最長(zhǎng)的項(xiàng)目研發(fā)時(shí)間也不過(guò)10年，但誰(shuí)都沒(méi)想到在第15個(gè)年頭依然沒(méi)有攻克旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向。”韓來(lái)聚說(shuō)。

2015年5月4日，中海油服宣布由其自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在渤海之濱完成鉆井作業(yè)。這一消息讓韓來(lái)聚等人倍感壓力。

此時(shí)，四川巴山深處涪陵頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)更讓韓來(lái)聚等人坐立不安。由于頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)需要1000米以上的長(zhǎng)水平段鉆井，且地質(zhì)條件復(fù)雜，地層橫向變化大，常規(guī)鉆井技術(shù)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(zhuǎn)導(dǎo)向工具。只有向外國(guó)公司求助，哪怕每日高達(dá)20多萬(wàn)元的服務(wù)費(fèi)用也只能被迫接受。

技術(shù)被國(guó)外處處封鎖、國(guó)內(nèi)同行研發(fā)進(jìn)展迅猛，如何突圍?

為加快旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具研發(fā)，中國(guó)石化勝利石油工程公司整合內(nèi)部科技資源，抽調(diào)鉆井工藝研究院、測(cè)井公司及鉆井工程技術(shù)公司的相關(guān)研發(fā)人員，成立了隨鉆測(cè)控技術(shù)中心，以研發(fā)井筒隨鉆測(cè)控技術(shù)為目標(biāo)，瞄準(zhǔn)前沿技術(shù)，開(kāi)啟了邁向自主創(chuàng)新的高端化、國(guó)際化道路。

為縮短攻關(guān)研發(fā)周期，快速提升公司高端裝備研發(fā)水平和技術(shù)成果轉(zhuǎn)化能力，中國(guó)石化勝利石油工程公司與外國(guó)公司開(kāi)展技術(shù)合作，經(jīng)過(guò)1年多的技術(shù)攻關(guān)，逐步完成了SINOMACS隨鉆測(cè)控平臺(tái)的升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電氣連接、測(cè)量系統(tǒng)精確控制、井下數(shù)據(jù)通信可靠傳輸，以及實(shí)時(shí)、高效的井下與地面系統(tǒng)的雙向通訊，最終建成SINOMACS ATS III型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。

2019年3月27日，SINOMACS ATS III型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)下井試驗(yàn)。在勝利油區(qū)營(yíng)6—更斜51井，技術(shù)人員通過(guò)地面系統(tǒng)下傳控制指令，成功控制井下工具完成軌跡調(diào)整動(dòng)作，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具累計(jì)工作時(shí)間114小時(shí)，進(jìn)尺927米，軌跡控制精度高，實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡吻合，獲得了甲方的高度認(rèn)可。

雖然現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成功了，但隨鉆測(cè)控技術(shù)中心主任李閃并不滿足，因?yàn)樽詈诵牡募夹g(shù)他們還沒(méi)有攻克。

攻克最核心技術(shù)

“只有自主研發(fā)，才能真正擺脫‘卡脖子’的困境。”韓來(lái)聚的話讓李閃記憶猶新。他和同事們又開(kāi)始攻關(guān)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向最核心部件——導(dǎo)向頭。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的核心單元，是集測(cè)量、控制、信號(hào)傳輸和能量傳輸技術(shù)于一體的復(fù)雜系統(tǒng)。導(dǎo)向頭上的各類傳感器實(shí)時(shí)采集重力加速度、電壓、電流與轉(zhuǎn)速等信號(hào)，通過(guò)軟件算法的處理，完成對(duì)液壓系統(tǒng)中的電機(jī)、泵、閥等部件的精確控制，再通過(guò)非接觸能量傳輸模塊傳輸無(wú)線信號(hào)。這涉及電子信息、自動(dòng)化控制、機(jī)械、液壓等各領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

2018年12月，中國(guó)石化終于自主研發(fā)出第一臺(tái)靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)樣機(jī)——SINOMACS ATS Ⅰ型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。

2019年12月13日凌晨，韓來(lái)聚組織在勝利油區(qū)埕913—斜80井進(jìn)行試驗(yàn)。在此后的6天5夜里，李閃等人沒(méi)睡過(guò)一晚安穩(wěn)覺(jué)。12月19日凌晨，當(dāng)?shù)弥樌赉@時(shí)，他們并沒(méi)有想象中的那么激動(dòng)，只想“睡到自然醒”。

當(dāng)被問(wèn)及今后打算時(shí)，李閃笑著回答：“當(dāng)然，眼下要加快提升Ⅰ型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的可靠性，盡快研發(fā)出適用于頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的Ⅱ型工具，讓在四川施工的鉆井隊(duì)早日用上我們自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。”