“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……我國大陸東部北端，渤海如同一個傾斜的葫蘆，為陸地所環(huán)抱。

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

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

渤海油田當前原油日產(chǎn)已歷史性突破9萬噸大關(guān)，相當于全國原油日產(chǎn)的六分之一，是渤海油田有史以來的最好日產(chǎn)水平。從最初的日產(chǎn)30余噸，到如今突破9萬噸，得益于海洋油氣勘探開發(fā)技術(shù)的不斷創(chuàng)新。被稱為“璇璣”的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井與隨鉆測井技術(shù)就是其中之一。

記者近日來到渤海油田，探尋海底“璇璣”的秘密。

海底“金剛鉆”，打開復(fù)雜油氣藏的“密鑰”

突破1000口井作業(yè)，鉆井總進尺超100萬米

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)、100萬米鉆井總進尺，標志著我國高端油氣鉆井技術(shù)實現(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)向鉆井與隨鉆測井技術(shù)。這是我國油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的一項革命性、顛覆性技術(shù)突破，代表著當今世界鉆井技術(shù)發(fā)展的最高水平，被譽為石油鉆井技術(shù)“皇冠上的明珠”。

“它可以精準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)域鉆完井項目經(jīng)理王允海感觸頗深。

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

記者了解到，油氣勘探開發(fā)的第一步是“勘探”。簡單來說，就是找到油氣資源。地質(zhì)學(xué)家、勘探學(xué)家借助專業(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。

接下來就是鉆井環(huán)節(jié)。“若想讓油氣資源真正‘為我所用’，這個環(huán)節(jié)十分關(guān)鍵。”王允海告訴記者，鉆井就是通過一個堅硬無比的鉆頭鉆透巖層到達油藏所在地，“通俗地說，就是修一條從油氣層到地表的隧道，從而讓油氣藏通過這個隧道被開采出來。”

不過，這條隧道修起來并非易事。

“你要有一個‘金剛鉆’，這個鉆既要保證能打得到油氣層，還要保證能打得準、打得成，否則就會影響后續(xù)諸多作業(yè)環(huán)節(jié)。”王允海說，鉆井環(huán)節(jié)的任何一個失敗，都會讓全部努力歸零，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，極難開采。這一特點在渤海油田體現(xiàn)得尤為突出。

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

與此同時，受限于海上平臺不可靈活移動的技術(shù)特征和經(jīng)濟性要求，通常半個足球場大小的海上采油平臺需要覆蓋其周邊比本身面積高出上萬倍、數(shù)千米深的海底油藏區(qū)域。有時，甚至需要在一個采油平臺上打近百口井，也就是常說的叢式井，各井眼軌跡縱橫交錯，猶如植被龐大的根系，自上而下不斷擴展，每個分支的底端都要精準扎進油氣藏，以便將油氣源源不斷地輸送至平臺井口。

這意味著，這個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，鉆穿堅硬巖石，以優(yōu)美的身姿扎進油層之中，如同一條“貪吃蛇”，穿來穿去將油氣藏串起來，“吃干榨凈”。

“璇璣”就是這樣一種技術(shù)。

瞄得準油氣，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)時間

3月14日早上5時許，黎明前的暗夜里，渤中海域的一個鉆井平臺上燈火通明——

渤中29-6油田首批開發(fā)井按照預(yù)先設(shè)計的方向和軌跡鉆達目的層，“璇璣”又一次成功完成水平井鉆井任務(wù)。負責(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(以下簡稱中海油服油技塘沽)高級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，在距離海上鉆井平臺約200公里開外的天津濱海新區(qū)，中海油服油技塘沽高級定向井工程師白雪龍，也收到了海上作業(yè)平臺發(fā)來的完鉆消息。

“后續(xù)完井作業(yè)完成后，海底近3000米的油氣資源將通過‘璇璣’打通的通道，源源不斷地被開采出來。”白雪龍告訴記者，渤中29-6油田項目規(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)險嚴峻、提速提效任務(wù)艱巨、區(qū)塊無開發(fā)井史資料等一系列難點。剛剛完鉆的這口開發(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，鉆井時間節(jié)省了一天。

白雪龍介紹，用于油氣資源開發(fā)的作業(yè)井通常分為兩大類。一類是直井，即直上直下的豎井。另一類則為定向井，井身可沿著預(yù)先設(shè)計的方向和軌跡鉆達目的層，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，當這個夾角小于55度時，被稱為常規(guī)定向井;當夾角在55度和86度之間時，被稱為大斜度定向井;當這個夾角大于86度，甚至達到90度沿水平方向鉆進，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。

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，依然能夠準確控制鉆進方向。

“如果把傳統(tǒng)導(dǎo)向鉆具比作一輛‘老爺車’，那旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向就相當于‘超跑’。”中海油服油技塘沽副經(jīng)理白克宗告訴記者，“老爺車”時代沒有“導(dǎo)航”、沒有“自動駕駛”，雖然可以滿足大部分出行需求，但當走上蜿蜒復(fù)雜的“賽道”時，還是需要行駛速度更快、“轉(zhuǎn)彎”能力更強、“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，找到這一個再去找下一個，從而串起盡可能多的油氣藏。

自20世紀90年代誕生以來，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)因其橫跨20多個學(xué)科、涉及1000多道高端工藝，多達幾百萬行控制代碼，被國際油田服務(wù)公司壟斷達20余年。面對每年10億元人民幣的高昂服務(wù)費用、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7年的技術(shù)攻關(guān)，于2014年成功研發(fā)“璇璣”鉆井、測井系統(tǒng)并實現(xiàn)海上作業(yè)，使我國成為世界上第二個擁有該項技術(shù)的國家。這項技術(shù)可以增加平臺可控油氣藏范圍4-5倍，提高單井采收率2-3倍，節(jié)省作業(yè)時間30%—50%。

“自2014年首次商業(yè)應(yīng)用以來，‘璇璣’技術(shù)經(jīng)歷了上萬次的可靠性驗證、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和迭代升級過程，破解了上百個技術(shù)難題。截至目前，已獲得近百項國家級專利，關(guān)鍵作業(yè)指標——一次入井成功率已達到92.1%，達到世界一流水平。”尚捷介紹。

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

看得清邊界，實時獲取地層信息

可全井周反演地質(zhì)構(gòu)造，擁有“5G”級別傳輸速率

在距離渤中29-6項目不遠的另一個海上作業(yè)平臺，“璇璣”正在海底進行鉆井作業(yè)。與此同時，平臺上的工作人員通過地面系統(tǒng)軟件實時獲取了海底的地層信息。

“這是隨鉆測井系統(tǒng)在發(fā)揮作用。”中海油服油技塘沽高級隨鉆測井工程師馬春彬告訴記者，實現(xiàn)鉆進方向的精準判斷和控制，有一個重要前提，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，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)以十億計的直接財產(chǎn)損失和無法估量的環(huán)境污染。

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

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

而“璇璣”則擁有完整的聲電核隨鉆測井功能，可實現(xiàn)自然伽馬、電阻率、中子孔隙度、巖性密度“四條線”的隨鉆測量，以及四極子聲波、地層測壓等高端技術(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)向到隨鉆地層評價等多種任務(wù)對隨鉆測井能力的要求。

不過，在幾千米的井下，它看到了什么、下一步往哪兒行進，并不會乖乖告訴你。“這就需要我們平臺作業(yè)人員和‘璇璣’都帶上‘對講機’，它看到了什么，實時告訴我們;我們進行分析、判斷后，想讓它往哪兒走，也及時發(fā)出相應(yīng)指令。”白克宗解釋道，他們通過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，便可及時反饋給作業(yè)人員，從而走出一條最優(yōu)化、最省時、最順暢的路線。”

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

“簡單來說，就是比常規(guī)測井方式速度更快、效果更優(yōu)。”尚捷說，憑借“璇璣”可靠的性能和廣泛的實用性，只需一次下井就能精確識別和評價油氣藏，大幅降低勘探開發(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”沿線國家得到廣泛應(yīng)用，為世界油氣勘探開發(fā)貢獻了中國智慧和中國方案。