揭秘石油钻井技术“皇冠上的明珠”
波翻浪涌，潮涨潮落……我国大陆东部北端，渤海如同一个倾斜的葫芦，为陆地所环抱。
作为我国唯一的内海，这里不仅拥有丰富优质的渔业、海盐、航运等资源，还有着丰富的油气资源。
经过50多年的勘探开发，如今的渤海油田已是我国最大的海上油田，也是我国第一大原油生产基地。数据显示，近十年来，我国发现的亿吨级大油田中，逾四成在渤海海域。这里俨然一个巨大的“油盆”，为保障国家能源安全作出重要贡献。
记者了解到，渤海油田当前原油日产已历史性突破9万吨大关，相当于全国原油日产的六分之一，是渤海油田有史以来的最好日产水平。从最初的日产30余吨，到如今突破9万吨，得益于海洋油气勘探开发技术的不断创新。被称为“璇玑”的旋转导向钻井与随钻测井技术就是其中之一。
记者近日来到渤海油田，探寻海底“璇玑”的秘密。
海底“金刚钻”，打开复杂油气藏的“密钥”
突破1000口井作业，钻井总进尺超100万米
近日，随着渤海油田一口定向井钻井作业的顺利完成，中国海油自主研发的“璇玑”技术成功突破1000口井作业、100万米钻井总进尺，标志着我国高端油气钻井技术实现里程碑跨越，综合技术能力正式迈入世界一流行列。
“璇玑”，即旋转导向钻井与随钻测井技术。这是我国油气勘探开发领域的一项革命性、颠覆性技术突破，代表着当今世界钻井技术发展的最高水平，被誉为石油钻井技术“皇冠上的明珠”。
“它可以精准控制地下几千米岩层中的钻头‘瞄着’油气去，‘看着’边界钻，甚至能做到在仅1米厚的薄油层中精准穿行数千米，从而把油气宝藏‘吃干榨净’。”作为这一技术的“使用者”，中国海油天津分公司工程技术作业中心秦皇岛/渤中区域钻完井项目经理王允海感触颇深。
据他介绍，油气资源从勘探开发到送达用户，环节众多，而钻井堪称是整个链条的“咽喉”环节。
记者了解到，油气勘探开发的第一步是“勘探”。简单来说，就是找到油气资源。地质学家、勘探学家借助专业设备，给地层做“核磁共振”，从而确定油气存在的大概区域。
接下来就是钻井环节。“若想让油气资源真正‘为我所用’，这个环节十分关键。”王允海告诉记者，钻井就是通过一个坚硬无比的钻头钻透岩层到达油藏所在地，“通俗地说，就是修一条从油气层到地表的隧道，从而让油气藏通过这个隧道被开采出来。”
不过，这条隧道修起来并非易事。
“你要有一个‘金刚钻’，这个钻既要保证能打得到油气层，还要保证能打得准、打得成，否则就会影响后续诸多作业环节。”王允海说，钻井环节的任何一个失败，都会让全部努力归零，尤其是在海上。
与我们想象中不同，丰富的油气资源并非安静地聚集在海底大“油盆”中，而是分散在海底不同地层的孔隙中，极难开采。这一特点在渤海油田体现得尤为突出。
业内人士常常用“摔碎的瓷盘”来形容渤海油田的油气资源分布情况。“渤海湾盆地的构造细碎，就像瓷盘摔碎了，又被踩了好几脚，几乎没有完整的地方。”王允海告诉记者，随着油气勘探开发的不断深入，渤海越来越多亟待开发的油气藏面临“边、小、细、碎”的局面，厚度越来越薄，开发难度越来越大。
与此同时，受限于海上平台不可灵活移动的技术特征和经济性要求，通常半个足球场大小的海上采油平台需要覆盖其周边比本身面积高出上万倍、数千米深的海底油藏区域。有时，甚至需要在一个采油平台上打近百口井，也就是常说的丛式井，各井眼轨迹纵横交错，犹如植被庞大的根系，自上而下不断扩展，每个分支的底端都要精准扎进油气藏，以便将油气源源不断地输送至平台井口。
这意味着，这个隧道可不是直上直下的，它可能是倾斜的、水平的，甚至是迂回绕弯的。
这个弯弯怎么绕？就需要一种技术，这种技术既要有“手脚”一样的方向调整功能，又有“眼睛”“鼻子”一样的环境感知功能，带着数千米钻杆，避让邻井套管，钻穿坚硬岩石，以优美的身姿扎进油层之中，如同一条“贪吃蛇”，穿来穿去将油气藏串起来，“吃干榨净”。
“璇玑”就是这样一种技术。
瞄得准油气，自如控制井眼轨迹
单井采收率可提高2至3倍，节省近一半作业时间
3月14日早上5时许，黎明前的暗夜里，渤中海域的一个钻井平台上灯火通明——
渤中29-6油田首批开发井按照预先设计的方向和轨迹钻达目的层，“璇玑”又一次成功完成水平井钻井任务。负责此次钻井任务的中海油田服务股份有限公司油田技术事业部塘沽作业公司(以下简称中海油服油技塘沽)高级定向井工程师田庆朴几乎一夜未眠，就为了等待这一刻。
与此同时，在距离海上钻井平台约200公里开外的天津滨海新区，中海油服油技塘沽高级定向井工程师白雪龙，也收到了海上作业平台发来的完钻消息。
“后续完井作业完成后，海底近3000米的油气资源将通过‘璇玑’打通的通道，源源不断地被开采出来。”白雪龙告诉记者，渤中29-6油田项目规模化应用中海油服自主研发的“璇玑”技术，钻具使用成本大大降低。
据了解，该项目面临定向井井眼轨迹复杂、大型丛式井浅层防碰风险严峻、提速提效任务艰巨、区块无开发井史资料等一系列难点。刚刚完钻的这口开发井是口水平井，钻井难度极大。如果使用传统导向钻具，完成同等难度的钻井作业需要3天，而使用“璇玑”技术，只需要2天，钻井时间节省了一天。
白雪龙介绍，用于油气资源开发的作业井通常分为两大类。一类是直井，即直上直下的竖井。另一类则为定向井，井身可沿着预先设计的方向和轨迹钻达目的层，一般指斜向钻井和水平钻井，即钻井轨迹并非直上直下的，而是与垂直方向存在一定的夹角，当这个夹角小于55度时，被称为常规定向井；当夹角在55度和86度之间时，被称为大斜度定向井；当这个夹角大于86度，甚至达到90度沿水平方向钻进，则被称为水平井。
“水平井、大斜度井等高难度井钻井一直是业界难题，‘璇玑’正是解决这些难题的法宝。”“璇玑”技术带头人、中海油服总工程师尚捷说。
这其中的关键在于“旋转导向”，即便是在钻头高速旋转时，依然能够准确控制钻进方向。
“如果把传统导向钻具比作一辆‘老爷车’，那旋转导向就相当于‘超跑’。”中海油服油技塘沽副经理白克宗告诉记者，“老爷车”时代没有“导航”、没有“自动驾驶”，虽然可以满足大部分出行需求，但当走上蜿蜒复杂的“赛道”时，还是需要行驶速度更快、“转弯”能力更强、“转弯”精度更高、也更加智能的“超跑”。它边看边跑、边跑边看，找到了油藏，就往油藏那钻，找到这一个再去找下一个，从而串起尽可能多的油气藏。
自20世纪90年代诞生以来，旋转导向钻井技术因其横跨20多个学科、涉及1000多道高端工艺，多达几百万行控制代码，被国际油田服务公司垄断达20余年。面对每年10亿元人民币的高昂服务费用、完全加密的技术封锁和只租不售的产品垄断，中海油服经过7年的技术攻关，于2014年成功研发“璇玑”钻井、测井系统并实现海上作业，使我国成为世界上第二个拥有该项技术的国家。这项技术可以增加平台可控油气藏范围4-5倍，提高单井采收率2-3倍，节省作业时间30%—50%。
“自2014年首次商业应用以来，‘璇玑’技术经历了上万次的可靠性验证、结构优化和迭代升级过程，破解了上百个技术难题。截至目前，已获得近百项国家级专利，关键作业指标——一次入井成功率已达到92.1%，达到世界一流水平。”尚捷介绍。
“‘璇玑’拥有超过60°/100m的最大造斜能力，可实现三维复杂井眼轨迹的自如、精准控制。”白雪龙告诉记者，也就是说，每钻进100米，可导向60度。如此一来，在水平开发井作业中，可将造斜井段长度缩短过半，贡献更长的储层井段。在钻遇复杂地层时，可以更快速调整钻井轨迹，提高储层钻遇率，保证作业安全，同时实现最小成本和最快速度完成钻井。
看得清边界，实时获取地层信息
可全井周反演地质构造，拥有“5G”级别传输速率
在距离渤中29-6项目不远的另一个海上作业平台，“璇玑”正在海底进行钻井作业。与此同时，平台上的工作人员通过地面系统软件实时获取了海底的地层信息。
“这是随钻测井系统在发挥作用。”中海油服油技塘沽高级随钻测井工程师马春彬告诉记者，实现钻进方向的精准判断和控制，有一个重要前提，就是要十分了解地下地质构造情况。尤其是复杂的丛式井中，各井眼轨迹纵横交错，犹如植被庞大的根系，相邻井初始间距甚至不足两米，钻井过程中，一旦发生“碰撞”，极有可能出现井喷事故，造成数以十亿计的直接财产损失和无法估量的环境污染。
“璇玑”就有这样一双“眼睛”，可以“看清”周围环境。据介绍，其探测能力最大径向深度可达6.8米，支持全井周360°实时反演地质构造，实现可视化地质导向钻井。“也就是说，它在钻井的同时，可以看清周围6.8米范围内的情况，比如周边地质构造情况、有没有油气资源或其他井眼等。”白克宗告诉记者，这种电磁波“雷达透视”能力，可以将完钻井眼锁定在储层最佳位置，大幅度提高油气井上限产能和稳产时间。
传统测井工具只能测井斜和方位两个参数，无法获得更多可供分析的参数。“形象地说，就像我们开车的时候没有导航，在起点和终点之间，只能按照一开始确定的固定线路行驶，既无法提前获知前方是否存在堵车、修路等特殊情况，也无法及时作出相应调整。”王允海说。
而“璇玑”则拥有完整的声电核随钻测井功能，可实现自然伽马、电阻率、中子孔隙度、岩性密度“四条线”的随钻测量，以及四极子声波、地层测压等高端技术，可以更全面地感知周边信息，广泛满足从复杂地质导向到随钻地层评价等多种任务对随钻测井能力的要求。
不过，在几千米的井下，它看到了什么、下一步往哪儿行进，并不会乖乖告诉你。“这就需要我们平台作业人员和‘璇玑’都带上‘对讲机’，它看到了什么，实时告诉我们；我们进行分析、判断后，想让它往哪儿走，也及时发出相应指令。”白克宗解释道，他们通过泥浆脉冲和地面分流，建立地面人员与“璇玑”的双向通讯，“一旦发现特殊情况，便可及时反馈给作业人员，从而走出一条最优化、最省时、最顺畅的路线。”
其泥浆遥传速率最高为20bps，能支持100米/小时高钻速条件下30条测量曲线的实时上传。这种业内“5G”级别的传输速率，可以为复杂地质情况实时识别提供更多的测量信息，进而有利于正确快速地做出钻井作业决策。
“简单来说，就是比常规测井方式速度更快、效果更优。”尚捷说，凭借“璇玑”可靠的性能和广泛的实用性，只需一次下井就能精确识别和评价油气藏，大幅降低勘探开发成本。
记者了解到，除了渤海油田外，“璇玑”技术还在我国东海、南海、黄海、新疆、辽宁、山西等主要油田，以及印尼、伊拉克等“一带一路”沿线国家得到广泛应用，为世界油气勘探开发贡献了中国智慧和中国方案。
