中國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井實驗成功。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)?為了實現(xiàn)鉆井的“巡航制導(dǎo)”，油氣田開發(fā)過程中所使用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)就好像是給“鉆地龍”裝上“方向盤”的關(guān)鍵技術(shù)，也曾是國外對我國設(shè)限封鎖的領(lǐng)域。

2019年12月19日，中國石化勝利石油工程公司經(jīng)過20年的攻關(guān)，終于研制成功國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)——連續(xù)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(xiàn)場試驗。

“這組數(shù)據(jù)標(biāo)志著中國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砝碼。”鉆井技術(shù)知名專家劉汝山認為。

向世界最先進的系統(tǒng)進軍

油氣田開發(fā)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(yè)都優(yōu)先選擇能夠在油氣儲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)計好的軌道鉆進，直至命中目標(biāo)“靶點”。

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

早在上世紀(jì)90年代初，少數(shù)幾家國際知名油服公司就研制出了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，而國內(nèi)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(jīng)理韓來聚回憶說：“我們當(dāng)時對旋轉(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，韓來聚等人第一次接觸旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具與隨鉆測量儀，是因為開發(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)時國內(nèi)技術(shù)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(nèi)，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?wù)撨@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(fā)，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(fā)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，是必然之選。

作為當(dāng)時國內(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)時最先進的“動態(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)合立項的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)前瞻性研究被列入國家“863”計劃，邁出旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具研發(fā)的第一步。經(jīng)過5年的攻關(guān)，終于研究出原理樣機。不過，樣機尚未達到現(xiàn)場應(yīng)用水平。

2005年，他們又與美國一家公司合作研制出了動態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)工程樣機，并驗證了其功能性。但是，由于該樣機在動態(tài)測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。

盡管沒有成功現(xiàn)場應(yīng)用，但兩次聯(lián)合研發(fā)過程拓寬了科研人員的思路，提升了科研團隊的專業(yè)能力，積累了大量寶貴的試驗數(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，隨著國際油價斷崖式下跌，油服行業(yè)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(fā)研發(fā)經(jīng)費，確保旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向研究持續(xù)進行。

“勝利鉆井院攻克的技術(shù)難題數(shù)不勝數(shù)，最長的項目研發(fā)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(zhuǎn)導(dǎo)向。”韓來聚說。

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)。這一消息讓韓來聚等人倍感壓力。

此時，四川巴山深處涪陵頁巖氣勘探開發(fā)更讓韓來聚等人坐立不安。由于頁巖氣勘探開發(fā)需要1000米以上的長水平段鉆井，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。只有向外國公司求助，哪怕每日高達20多萬元的服務(wù)費用也只能被迫接受。

技術(shù)被國外處處封鎖、國內(nèi)同行研發(fā)進展迅猛，如何突圍?

為加快旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具研發(fā)，中國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，成立了隨鉆測控技術(shù)中心，以研發(fā)井筒隨鉆測控技術(shù)為目標(biāo)，瞄準(zhǔn)前沿技術(shù)，開啟了邁向自主創(chuàng)新的高端化、國際化道路。

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，中國石化勝利石油工程公司與外國公司開展技術(shù)合作，經(jīng)過1年多的技術(shù)攻關(guān)，逐步完成了SINOMACS隨鉆測控平臺的升級，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電氣連接、測量系統(tǒng)精確控制、井下數(shù)據(jù)通信可靠傳輸，以及實時、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。在勝利油區(qū)營6—更斜51井，技術(shù)人員通過地面系統(tǒng)下傳控制指令，成功控制井下工具完成軌跡調(diào)整動作，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)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(shè)計軌跡吻合，獲得了甲方的高度認可。

雖然現(xiàn)場試驗成功了，但隨鉆測控技術(shù)中心主任李閃并不滿足，因為最核心的技術(shù)他們還沒有攻克。

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。”韓來聚的話讓李閃記憶猶新。他和同事們又開始攻關(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，是集測量、控制、信號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時采集重力加速度、電壓、電流與轉(zhuǎn)速等信號，通過軟件算法的處理，完成對液壓系統(tǒng)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(lǐng)域?qū)I(yè)知識，為系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)帶來巨大挑戰(zhàn)。

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

2019年12月13日凌晨，韓來聚組織在勝利油區(qū)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(wěn)覺。12月19日凌晨，當(dāng)?shù)弥樌赉@時，他們并沒有想象中的那么激動，只想“睡到自然醒”。

當(dāng)被問及今后打算時，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)出適用于頁巖氣開發(fā)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(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。”