钻井“巡航制导”20年攻关的背后

来源：中国科学报 　 作者： 李泰豫

中国石化胜利石油工程公司自主研发的SINOMACS ATSⅠ型旋转导向系统在埕913—斜80井实验成功。王福摄

如何把石油钻井的井斜精度控制到0.1度之内，确保钻头在一米厚的油层中完成作业?为了实现钻井的“巡航制导”，油气田开发过程中所使用的旋转导向系统就好像是给“钻地龙”装上“方向盘”的关键技术，也曾是国外对我国设限封锁的领域。

2019年12月19日，中国石化胜利石油工程公司经过20年的攻关，终于研制成功国产旋转导向系统——连续工作141小时，进尺857米，最大造斜率每30米6.6度，顺利完成第4次现场试验。

“这组数据标志着中国石化成功解决了钻井的‘卡脖子’技术难题，这将为油气田勘探开发提质、提速、提产、提效，用适度技术保障稳油增气降本增添重量级砝码。”钻井技术知名专家刘汝山认为。

向世界最先进的系统进军

油气田开发需要在地下油气储层中用最小成本和最快速度完成钻井，许多石油企业都优先选择能够在油气储层中穿行的水平井钻井技术。水平井作业与普通钻井作业不同，要求钻头能够在地层深处按照设计好的轨道钻进，直至命中目标“靶点”。

旋转导向系统就满足了这种要求，它能够实时控制井下钻进的方向，从而高效、精准地实现一趟钻贯穿目标地层，因此被认为是20世纪90年代以来水平钻井技术的重大变革。

早在上世纪90年代初，少数几家国际知名油服公司就研制出了旋转导向工具，而国内许多石油工程专家对它的了解程度几乎是“零”。中国石化胜利石油工程公司副总经理韩来聚回忆说：“我们当时对旋转导向工具原理的了解相当于‘文盲’水平。”

上世纪90年代，韩来聚等人第一次接触旋转导向工具与随钻测量仪，是因为开发复杂油气藏的需要，特别是打水平井能增加渗油面积、大幅度提高产量，而当时国内技术达不到，不得不请外国人出马。

“有了它们，石油钻井的井斜精度就能控制到0.1度之内，可以开采仅有一米厚的油层，就像给钻头装上了‘千里眼’和‘方向盘’。”韩来聚说，人们谈论这一新生事物，像是在聊科幻电影。同样梦幻的是外国人的要价，日费五六万美元，只租不卖，禁止参观。

“不搞自主研发，将永远无法摆脱‘卡脖子’的困境!”韩来聚他们认识到，自主研发旋转导向工具，是必然之选。

作为当时国内石油钻探领域最大的钻井研究院所，胜利钻井院将目光瞄准了当时最先进的“动态推靠式”旋转导向工具。1999年，胜利钻井院与西安石油大学联合立项的旋转导向技术前瞻性研究被列入国家“863”计划，迈出旋转导向工具研发的第一步。经过5年的攻关，终于研究出原理样机。不过，样机尚未达到现场应用水平。

2005年，他们又与美国一家公司合作研制出了动态推靠式旋转导向系统工程样机，并验证了其功能性。但是，由于该样机在动态测量精度等方面还存在难以突破的技术瓶颈，影响了产业化应用。

尽管没有成功现场应用，但两次联合研发过程拓宽了科研人员的思路，提升了科研团队的专业能力，积累了大量宝贵的试验数据，为后期旋转导向技术的突破奠定了基础。

“寒冬”期的努力

2014年下半年，随着国际油价断崖式下跌，油服行业量价齐跌，石油工程公司进入市场“寒冬”。即便如此，中国石化胜利石油工程公司依然通过子项目立项等方式拨发研发经费，确保旋转导向研究持续进行。

“胜利钻井院攻克的技术难题数不胜数，最长的项目研发时间也不过10年，但谁都没想到在第15个年头依然没有攻克旋转导向。”韩来聚说。

2015年5月4日，中海油服宣布由其自主研发的旋转导向系统在渤海之滨完成钻井作业。这一消息让韩来聚等人倍感压力。

此时，四川巴山深处涪陵页岩气勘探开发更让韩来聚等人坐立不安。由于页岩气勘探开发需要1000米以上的长水平段钻井，且地质条件复杂，地层横向变化大，常规钻井技术工具不仅效率低、难度大，而且控制井眼轨迹的效果不尽人意，需要借助旋转导向工具。只有向外国公司求助，哪怕每日高达20多万元的服务费用也只能被迫接受。

技术被国外处处封锁、国内同行研发进展迅猛，如何突围?

为加快旋转导向工具研发，中国石化胜利石油工程公司整合内部科技资源，抽调钻井工艺研究院、测井公司及钻井工程技术公司的相关研发人员，成立了随钻测控技术中心，以研发井筒随钻测控技术为目标，瞄准前沿技术，开启了迈向自主创新的高端化、国际化道路。

为缩短攻关研发周期，快速提升公司高端装备研发水平和技术成果转化能力，中国石化胜利石油工程公司与外国公司开展技术合作，经过1年多的技术攻关，逐步完成了SINOMACS随钻测控平台的升级，实现了结构优化、电气连接、测量系统精确控制、井下数据通信可靠传输，以及实时、高效的井下与地面系统的双向通讯，最终建成SINOMACS ATS III型旋转导向系统。

2019年3月27日，SINOMACS ATS III型旋转导向系统下井试验。在胜利油区营6—更斜51井，技术人员通过地面系统下传控制指令，成功控制井下工具完成轨迹调整动作，旋转导向工具累计工作时间114小时，进尺927米，轨迹控制精度高，实钻轨迹与设计轨迹吻合，获得了甲方的高度认可。

虽然现场试验成功了，但随钻测控技术中心主任李闪并不满足，因为最核心的技术他们还没有攻克。

攻克最核心技术

“只有自主研发，才能真正摆脱‘卡脖子’的困境。”韩来聚的话让李闪记忆犹新。他和同事们又开始攻关旋转导向最核心部件——导向头。

旋转导向头是旋转导向系统的核心单元，是集测量、控制、信号传输和能量传输技术于一体的复杂系统。导向头上的各类传感器实时采集重力加速度、电压、电流与转速等信号，通过软件算法的处理，完成对液压系统中的电机、泵、阀等部件的精确控制，再通过非接触能量传输模块传输无线信号。这涉及电子信息、自动化控制、机械、液压等各领域专业知识，为系统的设计和实现带来巨大挑战。

2018年12月，中国石化终于自主研发出第一台静态推靠式旋转导向系统样机——SINOMACS ATS Ⅰ型旋转导向系统。

2019年12月13日凌晨，韩来聚组织在胜利油区埕913—斜80井进行试验。在此后的6天5夜里，李闪等人没睡过一晚安稳觉。12月19日凌晨，当得知顺利完钻时，他们并没有想象中的那么激动，只想“睡到自然醒”。

当被问及今后打算时，李闪笑着回答：“当然，眼下要加快提升Ⅰ型旋转导向工具的可靠性，尽快研发出适用于页岩气开发的Ⅱ型工具，让在四川施工的钻井队早日用上我们自主研发的旋转导向系统。”

责任编辑： 李颖