“聞”味鉆油的海底“璇璣”

揭秘石油鉆井技術(shù)“皇冠上的明珠”

波翻浪涌，潮漲潮落……我國(guó)大陸東部北端，渤海如同一個(gè)傾斜的葫蘆，為陸地所環(huán)抱。

作為我國(guó)唯一的內(nèi)海，這里不僅擁有豐富優(yōu)質(zhì)的漁業(yè)、海鹽、航運(yùn)等資源，還有著豐富的油氣資源。

經(jīng)過(guò)50多年的勘探開(kāi)發(fā)，如今的渤海油田已是我國(guó)最大的海上油田，也是我國(guó)第一大原油生產(chǎn)基地。數(shù)據(jù)顯示，近十年來(lái)，我國(guó)發(fā)現(xiàn)的億噸級(jí)大油田中，逾四成在渤海海域。這里儼然一個(gè)巨大的“油盆”，為保障國(guó)家能源安全作出重要貢獻(xiàn)。

渤海油田當(dāng)前原油日產(chǎn)已歷史性突破9萬(wàn)噸大關(guān)，相當(dāng)于全國(guó)原油日產(chǎn)的六分之一，是渤海油田有史以來(lái)的最好日產(chǎn)水平。從最初的日產(chǎn)30余噸，到如今突破9萬(wàn)噸，得益于海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷創(chuàng)新。被稱為“璇璣”的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井與隨鉆測(cè)井技術(shù)就是其中之一。

記者近日來(lái)到渤海油田，探尋海底“璇璣”的秘密。

海底“金剛鉆”，打開(kāi)復(fù)雜油氣藏的“密鑰”

突破1000口井作業(yè)，鉆井總進(jìn)尺超100萬(wàn)米

近日，隨著渤海油田一口定向井鉆井作業(yè)的順利完成，中國(guó)海油自主研發(fā)的“璇璣”技術(shù)成功突破1000口井作業(yè)、100萬(wàn)米鉆井總進(jìn)尺，標(biāo)志著我國(guó)高端油氣鉆井技術(shù)實(shí)現(xiàn)里程碑跨越，綜合技術(shù)能力正式邁入世界一流行列。

“璇璣”，即旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井與隨鉆測(cè)井技術(shù)。這是我國(guó)油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性、顛覆性技術(shù)突破，代表著當(dāng)今世界鉆井技術(shù)發(fā)展的最高水平，被譽(yù)為石油鉆井技術(shù)“皇冠上的明珠”。

“它可以精準(zhǔn)控制地下幾千米巖層中的鉆頭‘瞄著’油氣去，‘看著’邊界鉆，甚至能做到在僅1米厚的薄油層中精準(zhǔn)穿行數(shù)千米，從而把油氣寶藏‘吃干榨凈’。”作為這一技術(shù)的“使用者”，中國(guó)海油天津分公司工程技術(shù)作業(yè)中心秦皇島/渤中區(qū)域鉆完井項(xiàng)目經(jīng)理王允海感觸頗深。

據(jù)他介紹，油氣資源從勘探開(kāi)發(fā)到送達(dá)用戶，環(huán)節(jié)眾多，而鉆井堪稱是整個(gè)鏈條的“咽喉”環(huán)節(jié)。

記者了解到，油氣勘探開(kāi)發(fā)的第一步是“勘探”。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是找到油氣資源。地質(zhì)學(xué)家、勘探學(xué)家借助專(zhuān)業(yè)設(shè)備，給地層做“核磁共振”，從而確定油氣存在的大概區(qū)域。

接下來(lái)就是鉆井環(huán)節(jié)。“若想讓油氣資源真正‘為我所用’，這個(gè)環(huán)節(jié)十分關(guān)鍵。”王允海告訴記者，鉆井就是通過(guò)一個(gè)堅(jiān)硬無(wú)比的鉆頭鉆透巖層到達(dá)油藏所在地，“通俗地說(shuō)，就是修一條從油氣層到地表的隧道，從而讓油氣藏通過(guò)這個(gè)隧道被開(kāi)采出來(lái)。”

不過(guò)，這條隧道修起來(lái)并非易事。

“你要有一個(gè)‘金剛鉆’，這個(gè)鉆既要保證能打得到油氣層，還要保證能打得準(zhǔn)、打得成，否則就會(huì)影響后續(xù)諸多作業(yè)環(huán)節(jié)。”王允海說(shuō)，鉆井環(huán)節(jié)的任何一個(gè)失敗，都會(huì)讓全部努力歸零，尤其是在海上。

與我們想象中不同，豐富的油氣資源并非安靜地聚集在海底大“油盆”中，而是分散在海底不同地層的孔隙中，極難開(kāi)采。這一特點(diǎn)在渤海油田體現(xiàn)得尤為突出。

業(yè)內(nèi)人士常常用“摔碎的瓷盤(pán)”來(lái)形容渤海油田的油氣資源分布情況。“渤海灣盆地的構(gòu)造細(xì)碎，就像瓷盤(pán)摔碎了，又被踩了好幾腳，幾乎沒(méi)有完整的地方。”王允海告訴記者，隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，渤海越來(lái)越多亟待開(kāi)發(fā)的油氣藏面臨“邊、小、細(xì)、碎”的局面，厚度越來(lái)越薄，開(kāi)發(fā)難度越來(lái)越大。

與此同時(shí)，受限于海上平臺(tái)不可靈活移動(dòng)的技術(shù)特征和經(jīng)濟(jì)性要求，通常半個(gè)足球場(chǎng)大小的海上采油平臺(tái)需要覆蓋其周邊比本身面積高出上萬(wàn)倍、數(shù)千米深的海底油藏區(qū)域。有時(shí)，甚至需要在一個(gè)采油平臺(tái)上打近百口井，也就是常說(shuō)的叢式井，各井眼軌跡縱橫交錯(cuò)，猶如植被龐大的根系，自上而下不斷擴(kuò)展，每個(gè)分支的底端都要精準(zhǔn)扎進(jìn)油氣藏，以便將油氣源源不斷地輸送至平臺(tái)井口。

這意味著，這個(gè)隧道可不是直上直下的，它可能是傾斜的、水平的，甚至是迂回繞彎的。

這個(gè)彎彎怎么繞?就需要一種技術(shù)，這種技術(shù)既要有“手腳”一樣的方向調(diào)整功能，又有“眼睛”“鼻子”一樣的環(huán)境感知功能，帶著數(shù)千米鉆桿，避讓鄰井套管，鉆穿堅(jiān)硬巖石，以優(yōu)美的身姿扎進(jìn)油層之中，如同一條“貪吃蛇”，穿來(lái)穿去將油氣藏串起來(lái)，“吃干榨凈”。

“璇璣”就是這樣一種技術(shù)。

瞄得準(zhǔn)油氣，自如控制井眼軌跡

單井采收率可提高2至3倍，節(jié)省近一半作業(yè)時(shí)間

3月14日早上5時(shí)許，黎明前的暗夜里，渤中海域的一個(gè)鉆井平臺(tái)上燈火通明——

渤中29-6油田首批開(kāi)發(fā)井按照預(yù)先設(shè)計(jì)的方向和軌跡鉆達(dá)目的層，“璇璣”又一次成功完成水平井鉆井任務(wù)。負(fù)責(zé)此次鉆井任務(wù)的中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部塘沽作業(yè)公司(以下簡(jiǎn)稱中海油服油技塘沽)高級(jí)定向井工程師田慶樸幾乎一夜未眠，就為了等待這一刻。

與此同時(shí)，在距離海上鉆井平臺(tái)約200公里開(kāi)外的天津?yàn)I海新區(qū)，中海油服油技塘沽高級(jí)定向井工程師白雪龍，也收到了海上作業(yè)平臺(tái)發(fā)來(lái)的完鉆消息。

“后續(xù)完井作業(yè)完成后，海底近3000米的油氣資源將通過(guò)‘璇璣’打通的通道，源源不斷地被開(kāi)采出來(lái)。”白雪龍告訴記者，渤中29-6油田項(xiàng)目規(guī)模化應(yīng)用中海油服自主研發(fā)的“璇璣”技術(shù)，鉆具使用成本大大降低。

據(jù)了解，該項(xiàng)目面臨定向井井眼軌跡復(fù)雜、大型叢式井淺層防碰風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)峻、提速提效任務(wù)艱巨、區(qū)塊無(wú)開(kāi)發(fā)井史資料等一系列難點(diǎn)。剛剛完鉆的這口開(kāi)發(fā)井是口水平井，鉆井難度極大。如果使用傳統(tǒng)導(dǎo)向鉆具，完成同等難度的鉆井作業(yè)需要3天，而使用“璇璣”技術(shù)，只需要2天，鉆井時(shí)間節(jié)省了一天。

白雪龍介紹，用于油氣資源開(kāi)發(fā)的作業(yè)井通常分為兩大類(lèi)。一類(lèi)是直井，即直上直下的豎井。另一類(lèi)則為定向井，井身可沿著預(yù)先設(shè)計(jì)的方向和軌跡鉆達(dá)目的層，一般指斜向鉆井和水平鉆井，即鉆井軌跡并非直上直下的，而是與垂直方向存在一定的夾角，當(dāng)這個(gè)夾角小于55度時(shí)，被稱為常規(guī)定向井;當(dāng)夾角在55度和86度之間時(shí)，被稱為大斜度定向井;當(dāng)這個(gè)夾角大于86度，甚至達(dá)到90度沿水平方向鉆進(jìn)，則被稱為水平井。

“水平井、大斜度井等高難度井鉆井一直是業(yè)界難題，‘璇璣’正是解決這些難題的法寶。”“璇璣”技術(shù)帶頭人、中海油服總工程師尚捷說(shuō)。

這其中的關(guān)鍵在于“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向”，即便是在鉆頭高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，依然能夠準(zhǔn)確控制鉆進(jìn)方向。

“如果把傳統(tǒng)導(dǎo)向鉆具比作一輛‘老爺車(chē)’，那旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向就相當(dāng)于‘超跑’。”中海油服油技塘沽副經(jīng)理白克宗告訴記者，“老爺車(chē)”時(shí)代沒(méi)有“導(dǎo)航”、沒(méi)有“自動(dòng)駕駛”，雖然可以滿足大部分出行需求，但當(dāng)走上蜿蜒復(fù)雜的“賽道”時(shí)，還是需要行駛速度更快、“轉(zhuǎn)彎”能力更強(qiáng)、“轉(zhuǎn)彎”精度更高、也更加智能的“超跑”。它邊看邊跑、邊跑邊看，找到了油藏，就往油藏那鉆，找到這一個(gè)再去找下一個(gè)，從而串起盡可能多的油氣藏。

自20世紀(jì)90年代誕生以來(lái)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)因其橫跨20多個(gè)學(xué)科、涉及1000多道高端工藝，多達(dá)幾百萬(wàn)行控制代碼，被國(guó)際油田服務(wù)公司壟斷達(dá)20余年。面對(duì)每年10億元人民幣的高昂服務(wù)費(fèi)用、完全加密的技術(shù)封鎖和只租不售的產(chǎn)品壟斷，中海油服經(jīng)過(guò)7年的技術(shù)攻關(guān)，于2014年成功研發(fā)“璇璣”鉆井、測(cè)井系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)海上作業(yè)，使我國(guó)成為世界上第二個(gè)擁有該項(xiàng)技術(shù)的國(guó)家。這項(xiàng)技術(shù)可以增加平臺(tái)可控油氣藏范圍4-5倍，提高單井采收率2-3倍，節(jié)省作業(yè)時(shí)間30%—50%。

“自2014年首次商業(yè)應(yīng)用以來(lái)，‘璇璣’技術(shù)經(jīng)歷了上萬(wàn)次的可靠性驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和迭代升級(jí)過(guò)程，破解了上百個(gè)技術(shù)難題。截至目前，已獲得近百項(xiàng)國(guó)家級(jí)專(zhuān)利，關(guān)鍵作業(yè)指標(biāo)——一次入井成功率已達(dá)到92.1%，達(dá)到世界一流水平。”尚捷介紹。

“‘璇璣’擁有超過(guò)60°/100m的最大造斜能力，可實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜井眼軌跡的自如、精準(zhǔn)控制。”白雪龍告訴記者，也就是說(shuō)，每鉆進(jìn)100米，可導(dǎo)向60度。如此一來(lái)，在水平開(kāi)發(fā)井作業(yè)中，可將造斜井段長(zhǎng)度縮短過(guò)半，貢獻(xiàn)更長(zhǎng)的儲(chǔ)層井段。在鉆遇復(fù)雜地層時(shí)，可以更快速調(diào)整鉆井軌跡，提高儲(chǔ)層鉆遇率，保證作業(yè)安全，同時(shí)實(shí)現(xiàn)最小成本和最快速度完成鉆井。

看得清邊界，實(shí)時(shí)獲取地層信息

可全井周反演地質(zhì)構(gòu)造，擁有“5G”級(jí)別傳輸速率

在距離渤中29-6項(xiàng)目不遠(yuǎn)的另一個(gè)海上作業(yè)平臺(tái)，“璇璣”正在海底進(jìn)行鉆井作業(yè)。與此同時(shí)，平臺(tái)上的工作人員通過(guò)地面系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)獲取了海底的地層信息。

“這是隨鉆測(cè)井系統(tǒng)在發(fā)揮作用。”中海油服油技塘沽高級(jí)隨鉆測(cè)井工程師馬春彬告訴記者，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)方向的精準(zhǔn)判斷和控制，有一個(gè)重要前提，就是要十分了解地下地質(zhì)構(gòu)造情況。尤其是復(fù)雜的叢式井中，各井眼軌跡縱橫交錯(cuò)，猶如植被龐大的根系，相鄰井初始間距甚至不足兩米，鉆井過(guò)程中，一旦發(fā)生“碰撞”，極有可能出現(xiàn)井噴事故，造成數(shù)以十億計(jì)的直接財(cái)產(chǎn)損失和無(wú)法估量的環(huán)境污染。

“璇璣”就有這樣一雙“眼睛”，可以“看清”周?chē)h(huán)境。據(jù)介紹，其探測(cè)能力最大徑向深度可達(dá)6.8米，支持全井周360°實(shí)時(shí)反演地質(zhì)構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)可視化地質(zhì)導(dǎo)向鉆井。“也就是說(shuō)，它在鉆井的同時(shí)，可以看清周?chē)?.8米范圍內(nèi)的情況，比如周邊地質(zhì)構(gòu)造情況、有沒(méi)有油氣資源或其他井眼等。”白克宗告訴記者，這種電磁波“雷達(dá)透視”能力，可以將完鉆井眼鎖定在儲(chǔ)層最佳位置，大幅度提高油氣井上限產(chǎn)能和穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間。

傳統(tǒng)測(cè)井工具只能測(cè)井斜和方位兩個(gè)參數(shù)，無(wú)法獲得更多可供分析的參數(shù)。“形象地說(shuō)，就像我們開(kāi)車(chē)的時(shí)候沒(méi)有導(dǎo)航，在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間，只能按照一開(kāi)始確定的固定線路行駛，既無(wú)法提前獲知前方是否存在堵車(chē)、修路等特殊情況，也無(wú)法及時(shí)作出相應(yīng)調(diào)整。”王允海說(shuō)。

而“璇璣”則擁有完整的聲電核隨鉆測(cè)井功能，可實(shí)現(xiàn)自然伽馬、電阻率、中子孔隙度、巖性密度“四條線”的隨鉆測(cè)量，以及四極子聲波、地層測(cè)壓等高端技術(shù)，可以更全面地感知周邊信息，廣泛滿足從復(fù)雜地質(zhì)導(dǎo)向到隨鉆地層評(píng)價(jià)等多種任務(wù)對(duì)隨鉆測(cè)井能力的要求。

不過(guò)，在幾千米的井下，它看到了什么、下一步往哪兒行進(jìn)，并不會(huì)乖乖告訴你。“這就需要我們平臺(tái)作業(yè)人員和‘璇璣’都帶上‘對(duì)講機(jī)’，它看到了什么，實(shí)時(shí)告訴我們;我們進(jìn)行分析、判斷后，想讓它往哪兒走，也及時(shí)發(fā)出相應(yīng)指令。”白克宗解釋道，他們通過(guò)泥漿脈沖和地面分流，建立地面人員與“璇璣”的雙向通訊，“一旦發(fā)現(xiàn)特殊情況，便可及時(shí)反饋給作業(yè)人員，從而走出一條最優(yōu)化、最省時(shí)、最順暢的路線。”

其泥漿遙傳速率最高為20bps，能支持100米/小時(shí)高鉆速條件下30條測(cè)量曲線的實(shí)時(shí)上傳。這種業(yè)內(nèi)“5G”級(jí)別的傳輸速率，可以為復(fù)雜地質(zhì)情況實(shí)時(shí)識(shí)別提供更多的測(cè)量信息，進(jìn)而有利于正確快速地做出鉆井作業(yè)決策。

“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是比常規(guī)測(cè)井方式速度更快、效果更優(yōu)。”尚捷說(shuō)，憑借“璇璣”可靠的性能和廣泛的實(shí)用性，只需一次下井就能精確識(shí)別和評(píng)價(jià)油氣藏，大幅降低勘探開(kāi)發(fā)成本。

記者了解到，除了渤海油田外，“璇璣”技術(shù)還在我國(guó)東海、南海、黃海、新疆、遼寧、山西等主要油田，以及印尼、伊拉克等“一帶一路”沿線國(guó)家得到廣泛應(yīng)用，為世界油氣勘探開(kāi)發(fā)貢獻(xiàn)了中國(guó)智慧和中國(guó)方案。