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國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)邁向“自主”之路

來(lái)源：中國(guó)能源新聞網(wǎng) 時(shí)間：2023-08-11 17:18

“鉆地游龍”顯神威　十年磨鉆必鋒芒

——國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)邁向“自主”之路

趙悅婧

　　“我們十年就干了這一件事。”“一伙人憋足氣只想把這事兒干成，不再受制于人。”

　　中國(guó)石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院科研工程師馮思恒口中的這件“事”，就是記者眼前的這座長(zhǎng)10.5米、高近四層樓的CG　STEER旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)”)。

　　“隱秘”于“十里崎嶇半里平，一峰才送一峰迎”的四川省綿陽(yáng)市三臺(tái)縣景福鎮(zhèn)，CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)的外觀并不顯眼，其背后十年磨一“鉆”的奮斗歷程，卻造就出“中國(guó)制造”的全新樣板——

　　作為頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)必備的關(guān)鍵裝備，CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)的自主研發(fā)運(yùn)用，一舉打破了國(guó)際油服公司三十多年形成的市場(chǎng)壟斷，填補(bǔ)了我國(guó)陸上非常規(guī)油氣國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的空白。當(dāng)前，CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)工業(yè)應(yīng)用180余口井，作業(yè)區(qū)域基本覆蓋陸上非常規(guī)油氣區(qū)，對(duì)油氣勘探開(kāi)發(fā)提質(zhì)增效作用巨大。

　　近日，CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)即將開(kāi)展井下抗175攝氏度高溫試驗(yàn)，標(biāo)志著我國(guó)自主研發(fā)油氣勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵核心裝備正向著型譜系列化、系統(tǒng)智能化方向闊步前進(jìn)。

屢敗屢戰(zhàn)

打破國(guó)外壟斷，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白

　　油氣資源是我國(guó)當(dāng)前及未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間需要筑牢的能源安全底線。其中，深入推進(jìn)頁(yè)巖革命，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣二次跨越發(fā)展被寄予厚望。

　　據(jù)國(guó)家能源局公布的數(shù)據(jù)顯示，2022年國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣產(chǎn)量達(dá)到240億立方米，按可采儲(chǔ)量計(jì)算為世界第一，具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景。

　　旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的、代表當(dāng)今世界鉆井技術(shù)發(fā)展最高水平的自動(dòng)化技術(shù)裝備，既是水平井、大位移井的核心利器，又是非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)的“敲門磚”。

　　區(qū)別于傳統(tǒng)定向鉆井技術(shù)，它革新了導(dǎo)向方式，能夠引導(dǎo)鉆頭按照設(shè)計(jì)好的軌跡向優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層段鉆進(jìn)，打破水平段延伸極限，顯著減少非生產(chǎn)時(shí)效，成倍提高水平井鉆井速度、油氣采收率和單井產(chǎn)量。

　　上世紀(jì)90年代起，斯倫貝謝、貝克休斯、哈里伯頓三大國(guó)際油服公司開(kāi)始研制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，發(fā)展出推靠式、指向式、混合型三種技術(shù)思路，經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，分別形成自己的商業(yè)化產(chǎn)品，并形成市場(chǎng)壟斷。

　　中國(guó)石油川慶鉆探工程公司科技處副處長(zhǎng)謝意回憶道：“那是2006年的廣安，我們第一次用國(guó)外引進(jìn)的旋導(dǎo)工具打長(zhǎng)水平井，打了2000多米，它的優(yōu)勢(shì)展現(xiàn)得淋漓盡致。同樣一口井，用國(guó)外設(shè)備打井的時(shí)間要比國(guó)產(chǎn)設(shè)備快一倍。但是他們只租不賣，且租用成本十分高昂。”

　　為了打破這一局面，經(jīng)過(guò)幾年的醞釀，國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的研制征程正式開(kāi)啟。

　　從2010年成立攻關(guān)團(tuán)隊(duì)到2013年第一套原理樣機(jī)推出，雖然多次地面試驗(yàn)證明產(chǎn)品性能良好，具備井下試驗(yàn)條件，但意想不到的事情發(fā)生了。

　　“樣機(jī)剛下井打了幾米，就沒(méi)有信號(hào)了。等把樣機(jī)拿上來(lái)才知道是密封有問(wèn)題，從頭到尾灌滿了泥漿，連基本的試驗(yàn)?zāi)康亩紵o(wú)法達(dá)到。三年多的心血，數(shù)百萬(wàn)投資，隨著一次失敗的試驗(yàn)，一次歸零。”

　　遇到問(wèn)題，就去解決。“永遠(yuǎn)不邁出這一步，就永遠(yuǎn)都解決不了。”謝意表示，科研團(tuán)隊(duì)前后梳理出380余項(xiàng)需要改進(jìn)之處，逐一攻破，逐一試驗(yàn)。

　　屢戰(zhàn)屢敗，屢敗再戰(zhàn)。信號(hào)的難題剛解決，系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題接踵而至。如若實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)需要在井下穩(wěn)定作業(yè)200小時(shí)才算及格，可當(dāng)時(shí)的平均工作壽命不足20個(gè)小時(shí)。面對(duì)不同井各異的地質(zhì)情況、工程難度，研究經(jīng)費(fèi)寅吃卯糧，如果技術(shù)再?zèng)]有顯著突破，項(xiàng)目將面臨下馬風(fēng)險(xiǎn)。

　　2015年，國(guó)家“十三五”科技重大專項(xiàng)讓CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)絕處逢生：通過(guò)公開(kāi)競(jìng)標(biāo)，獲得油氣專項(xiàng)項(xiàng)目《非常規(guī)油氣鉆井關(guān)鍵技術(shù)與裝備》的巨大支持。

　　“第一個(gè)支持是政策上的，立項(xiàng)代表著你們可以繼續(xù)干了。第二個(gè)支持是經(jīng)費(fèi)上的。第三個(gè)支持是管理?xiàng)l件上的，中國(guó)石油集團(tuán)總部統(tǒng)籌資源，使我們有了更好的試驗(yàn)場(chǎng)地，具備了更好的驗(yàn)證條件，還有大量專家為項(xiàng)目‘把脈’。”謝意說(shuō)，參照幾位院士提出的建議進(jìn)行更改后，系統(tǒng)的可靠性大幅提高，高溫和造斜率等卡點(diǎn)問(wèn)題也得到現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。

　　柳暗花明又一村。被傾注了大量心血和智慧的CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)終于形成了獨(dú)立自主的全過(guò)程生產(chǎn)保障體系，國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到95%，授權(quán)發(fā)明專利四十余項(xiàng)，關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控，填補(bǔ)了我國(guó)陸上非常規(guī)油氣國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的空白。

　　2021年6月18日，CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)最終以綜合績(jī)效93.89分通過(guò)國(guó)家能源局委托、大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)專項(xiàng)實(shí)施管理辦公室組織的“十三五”項(xiàng)目綜合績(jī)效評(píng)價(jià)驗(yàn)收，獲得專家組高度評(píng)價(jià)。

產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動(dòng)

突破四項(xiàng)技術(shù)瓶頸，具備五大性能優(yōu)勢(shì)

　　“我們的鉆井就好比探月工程，沒(méi)有尖端的裝備，沒(méi)有先進(jìn)的技術(shù)，它是無(wú)法開(kāi)展的。強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以說(shuō)是CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)這項(xiàng)尖端裝備得以成功研發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵因素。”中國(guó)石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院副院長(zhǎng)、總工程師張德軍表示，CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)的攻關(guān)之路離不開(kāi)產(chǎn)學(xué)研的高效、深度融合。

　　據(jù)張德軍介紹，之所以說(shuō)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向代表鉆井的最高水平，其一是因?yàn)樾D(zhuǎn)導(dǎo)向可以實(shí)現(xiàn)井下智能控制和多參數(shù)的地層測(cè)量，即通過(guò)參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)井下地質(zhì)情況和油氣分布情況；其二是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)具有良好的操控性，即在井下工作期間仍可根據(jù)地面工程師所發(fā)出的指令，及時(shí)更改空間軌跡，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，在地層中任意方向自主行進(jìn)。

　　如此“高精尖”的裝備，光靠單一學(xué)科、單一團(tuán)隊(duì)是無(wú)法研制成功的。集機(jī)、電、液、測(cè)、控為一體的CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)，涉及鉆井工程、力學(xué)、數(shù)學(xué)、自動(dòng)化、電子電路、姿態(tài)控制、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料學(xué)、軟件、地質(zhì)力學(xué)、泥漿、機(jī)械等十多個(gè)高精尖專業(yè)，技術(shù)集成難度大，不借助外力寸步難行。

　　2009年，中國(guó)石油川慶鉆探工程公司（以下簡(jiǎn)稱“川慶鉆探”）首次與航天科工慣性科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“航天科工三院”）建立聯(lián)系，了解到對(duì)方在國(guó)內(nèi)慣性控制行業(yè)處于領(lǐng)先地位，能為研制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)提供工具姿態(tài)控制、井下工具電路設(shè)計(jì)與制造、電能/信號(hào)傳輸?shù)阮I(lǐng)域的專業(yè)幫助，而川慶鉆探在動(dòng)態(tài)鉆柱力學(xué)、工程適應(yīng)性設(shè)計(jì)與制造方面具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，雙方一拍即合，于2010年起，走上跨地域、跨行業(yè)聯(lián)合研發(fā)之路。

　　2015年，國(guó)家“十三五”科技重大專項(xiàng)立項(xiàng)后，在中國(guó)石油科技管理部的統(tǒng)籌聯(lián)絡(luò)下，中國(guó)石油大學(xué)（華東）加入課題組，為項(xiàng)目研發(fā)注入強(qiáng)大理論支撐。

　　中國(guó)石油川慶鉆探、航天科工三院、中國(guó)石油大學(xué)（華東）以成果共享、產(chǎn)業(yè)報(bào)國(guó)為共同出發(fā)點(diǎn)，逐步建立起理論研究--設(shè)計(jì)思路提出--實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的全閉環(huán)研發(fā)流程，三股力量互為作用，推動(dòng)CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)在閉環(huán)中精益求精。

　　從2016到2019年，課題組對(duì)CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)的各子系統(tǒng)進(jìn)行瓶頸和短板攻關(guān)，大到如何在2毫米左右厚的非旋轉(zhuǎn)套上集中各種功能模塊，如何去除信息儲(chǔ)存器中的雜波，小到一顆螺絲放在哪里、如何固定，27組數(shù)據(jù)如何通過(guò)一根線來(lái)傳遞……據(jù)中國(guó)石油川慶鉆探工程技術(shù)研究院高級(jí)工程師張繼川回憶，“光是上交的故障報(bào)告就有243份。我們不怕試驗(yàn)，怕的是試驗(yàn)結(jié)束后的未知數(shù)據(jù)。”

　　群里劃船船更快，眾星拱月月更明。2019年4月23日，寧216H6-1井的完鉆終結(jié)了CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)持續(xù)近十年徘徊在4到6度低造斜率的處境。在地層提前、井下信號(hào)不穩(wěn)定、鉆進(jìn)狀態(tài)下無(wú)法正常傳輸和解讀數(shù)據(jù)的多方壓力下，CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)勇往直前，最終以11.5度/30米的最大造斜率順利著陸，拉開(kāi)了CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)工業(yè)化應(yīng)用的序幕。

　　寧216H6-1井一次性打成造斜段和水平段的突破，證明了CG　STEER旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的改進(jìn)方向。

　　如今，最新一代的CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)多輪重大改進(jìn)，已突破高造斜、液壓控制、能量/信號(hào)傳輸等多項(xiàng)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。

　　同時(shí)，通過(guò)技術(shù)迭代升級(jí)，CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)已具備五大性能優(yōu)勢(shì)：獨(dú)創(chuàng)了平衡趨勢(shì)造斜率預(yù)測(cè)模型，井眼造斜能力達(dá)到15度/30米；近鉆頭測(cè)量性能優(yōu)越，可精準(zhǔn)地質(zhì)導(dǎo)向，已鉆井儲(chǔ)層鉆遇率98%以上；系統(tǒng)功能完備，輔助工作時(shí)間縮短21.65%；高轉(zhuǎn)速精確測(cè)控，機(jī)械鉆速顯著提升；模塊化設(shè)計(jì)，滿足多樣化需求。

　　可以說(shuō)，今天的CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)已不是簡(jiǎn)單的鉆井工具，而是“鉆地游龍”“井下機(jī)器人”。它能精確調(diào)整空間軌跡，能適時(shí)傳輸鉆井參數(shù)，能接收地面指令進(jìn)行作業(yè)，還能在高溫高壓的井下反應(yīng)敏捷、頭腦清晰，兼具功能性、穩(wěn)定性與可靠性，已達(dá)到國(guó)外同類先進(jìn)產(chǎn)品的技術(shù)水平。

走出國(guó)門

向型譜系列化、系統(tǒng)智能化進(jìn)發(fā)

　　自2019年至今，CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)刷新的一項(xiàng)項(xiàng)應(yīng)用指標(biāo)振奮人心——

　　單趟鉆最長(zhǎng)循環(huán)時(shí)間為390小時(shí)；

　　單趟鉆最長(zhǎng)進(jìn)尺3570米；

　　最高日進(jìn)尺1030米；

　　最高作業(yè)溫度150攝氏度；

　　實(shí)鉆最高造斜率15.3度/30米；

　　最大完鉆井深5900米……

　　到2023年7月，CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)已在川渝、長(zhǎng)慶、遼河、新疆吉木薩爾等國(guó)內(nèi)油氣區(qū)完成全井作業(yè)180余口，累計(jì)進(jìn)尺超33萬(wàn)米。

　　CGSTEER旋導(dǎo)系統(tǒng)除了對(duì)我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)起到革命性作用，同時(shí)也對(duì)致密氣的推廣應(yīng)用起到推波助瀾之效。

　　“川渝的致密氣成就了CGSTEER，CGSTEER也成就了川渝的致密氣開(kāi)發(fā)。”中國(guó)石油川慶鉆探工程技術(shù)研究院副院長(zhǎng)白璟形象描述道。

　　白璟向記者介紹，2021年之后，CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)在四川致密氣推廣應(yīng)用120口井，實(shí)現(xiàn)了從“水平段一趟鉆”　到“造斜段+水平段一趟鉆”再到“二開(kāi)一趟鉆”，績(jī)效穩(wěn)步提升。單井鉆井周期從30天降到15天以內(nèi)，產(chǎn)能建設(shè)提速一倍以上。32口井經(jīng)加砂壓裂后，測(cè)試無(wú)阻流量超百萬(wàn)方，儲(chǔ)層鉆遇率顯著提升，已成為西南油氣田天然氣產(chǎn)量的新增長(zhǎng)點(diǎn)。“截至2022年4月，川渝致密氣已對(duì)外輸氣4億方，為我國(guó)能源穩(wěn)產(chǎn)保供增添底氣。”

　　正是因?yàn)?/span>CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)亮眼的“成績(jī)單”與可靠、高效、高產(chǎn)的作業(yè)能力，截至2023年7月，CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)已在國(guó)外成功完成5口水平井的導(dǎo)向技術(shù)服務(wù)，其中三口井一趟鉆完鉆（造斜段+水平段），作業(yè)績(jī)效比肩貝克休斯在同區(qū)域作業(yè)最高水平，業(yè)主方對(duì)于系統(tǒng)性能十分滿意，打破了西方公司在此領(lǐng)域的壟斷地位。

　　“順應(yīng)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略和發(fā)展方向后，項(xiàng)目會(huì)以意想不到的速度前進(jìn)。”張繼川頗有感慨。

　　在國(guó)家“十三五”科技重大專項(xiàng)圓滿結(jié)題后，2020年5月，CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)同樣得到國(guó)資委關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目的青睞。按照項(xiàng)目的總體安排和要求，CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)的可靠工作溫度需在2021年12月31日之前達(dá)到150攝氏度，在2024年12月31日之前達(dá)到175攝氏度。

　　機(jī)會(huì)總是留給做好準(zhǔn)備的人。CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)研制團(tuán)隊(duì)合理布局電氣系統(tǒng)，通過(guò)熱場(chǎng)分析、液壓控制系統(tǒng)在高溫高壓環(huán)境下的溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，于2022年上半年成功通過(guò)了國(guó)資委對(duì)項(xiàng)目一期的參數(shù)核查。

　　近日，CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)即將開(kāi)展井下抗175攝氏度高溫試驗(yàn)，“如果成功，標(biāo)志著3500米以深的頁(yè)巖氣基本具備用國(guó)產(chǎn)工具開(kāi)采的條件。”張繼川向記者介紹，“這將是我們新的起點(diǎn)，CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)將向更耐高溫、更深地層發(fā)力。”

　　CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)穩(wěn)健的成績(jī)單，與國(guó)資委的高度重視密不可分。同時(shí)，也與國(guó)家能源局的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、科技指引密切相關(guān)。

　　近年來(lái)，在國(guó)家能源局補(bǔ)強(qiáng)能源短板專項(xiàng)計(jì)劃的整體推進(jìn)下，能源行業(yè)著力化解能源發(fā)展不平衡不充分的突出矛盾，打牢穩(wěn)的基礎(chǔ)，積蓄進(jìn)的動(dòng)能。可以說(shuō)，CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)技術(shù)推動(dòng)的背后，既反映出我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、我國(guó)非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)的技術(shù)儲(chǔ)備日益豐厚，也證明了國(guó)家能源局理清推動(dòng)能源高質(zhì)量發(fā)展的思路和舉措對(duì)油氣產(chǎn)量、儲(chǔ)量實(shí)現(xiàn)“雙升”的效果顯著。

　　在談及CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)未來(lái)的攻關(guān)方向時(shí)，白璟透露，CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)將向型譜系列化、系統(tǒng)智能化發(fā)展。“我們要在CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)上裝很多眼和很多手，告別靠經(jīng)驗(yàn)打井，要以問(wèn)題為導(dǎo)向，以夢(mèng)想為方向，科學(xué)打井、智慧打井。”

　　鞍馬猶未歇，戰(zhàn)鼓又催征。“我們對(duì)CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)怯胸?zé)任的。我們希望CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)的技術(shù)路線能夠給其他單位的技術(shù)研發(fā)帶來(lái)參考，CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)的核心部件可以掛接在其他工具上。中國(guó)技術(shù)要為中國(guó)服務(wù)，中國(guó)技術(shù)要一起往前走。”白璟的一番話激蕩在沃野的天府之國(guó)……

　　蜀道雖難不足懼！CG　STEER旋導(dǎo)系統(tǒng)一直在攻關(guān)之路上奮力奔跑?。▓D片由中國(guó)石油川慶鉆探工程公司張玥、許曉天、張繼川提供）

責(zé)任編輯：于彤彤