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2006 年誕生的中國首臺 CGDS-I近鉆頭地質導向鉆井系統，被喻為“給鉆頭裝上眼睛和鼻子，讓鉆頭聞著油味兒走”。如今，該系統在中國遼河、四川、冀東、大慶、吉林、江漢、江蘇和浙江等油田的推廣應用中取得了良好效果，并已走出國門。我國地質導向鉆井技術的下一步發展方向是什么，未來鉆井技術如何從井下工具、鉆頭技術上突破與創新？就此問題，本刊特別專訪了“CGDS-I”鉆井系統研究項目的項目長、中國工程院院士蘇義腦教授。

 

給鉆頭裝上“顯微鏡”和“望遠鏡”

 

 

石油與裝備：蘇院士，您主持研制的“CGDS-I”鉆井系統被稱為“嗅著油味兒的“航地導彈”，近兩年推廣應用情況如何？與同類產品相比，它有哪些特點？

 

蘇義腦院士：2011 年至 2013 年，“CGDS-I”鉆井系統在大慶、吉林油田被重點應用。據統計，截止 2013 年10 月初，總共應用了 32 口井（大慶23 口、吉林 9 口），均取得很好的效果。應用的井都是“最難啃”的井，油層很薄，鉆井難度很大，但應用中這個系統總體表現出色。2011 年 11 月份，“CGDS-I”鉆井系統在大慶油田第一口井的應用情況是：自 2011 年 11 月 25 日晚上 22:00入井，至 12 月 9 日凌晨 23:00 完鉆，系統一次入井完成了著陸和水平段鉆進任務，歷時 14 天，總計 337 小時，純鉆進時間 91.5 小時，完鉆井深 2,364 米，水平段累計進尺 799 米，尋找并鉆遇油層 166 米，油層最薄僅有 0.47 米，最厚處不足 1 米，油層鉆遇率 100%。所謂“鉆遇率”，其概念是：在儲層鉆進中，實際鉆遇儲層的進尺與含油（氣）井段長度的百分比。假如 100米的油層，你鉆到了 80 米，找到了 80米油層，就是 80%，你找到 100 米，就是 100%。目前業內在鉆遇率的說法還有出入，主要是理解不同，其中一種算法是，實際鉆遇儲層的進尺與井段長度的百分比。這就暗含了一個前提，即肯定所鉆井段必然都是油氣儲層，其實往往不是這樣，因為在復雜地質條件下，油氣儲層可能會間斷，真正的儲層可能并不連續。作為對比，油田方提供了同屬外圍區塊的另一口水平井——肇 41- 平 20井的情況是：采用國外的 LWD 儀器服務，在 400 多米的水平段僅鉆遇油層不足 3 米，對比結果表明了 CGDS 系統的技術優勢和可靠性。增產效果的統計顯示，應用國產地質導向鉆井系統所鉆的水平井，產液量是用常規 LWD 所鉆井的 2.66 倍，產油量是后者的 2 倍，增產效益明顯。 兩者間為何有這么大差距？國外的隨鉆測井系統其測量儀器距離鉆頭有十幾米，打井的過程中有可能鉆穿油層，而由于該因素將導致信息滯后，若鉆出油層短時內難以糾正；而國產的鉆井系統測量儀器就在鉆頭上方 1 米多處，所以能及時、有效地識別鉆遇層，所鉆的最薄油層約為 0.2 ～ 0.3 米，性能上有大幅提升。目前“CGDS-I”鉆井系統也已被國外某公司應用。

 

石油與裝備：國產地質導向鉆井系統的下一步怎樣發展？今后，世界地質導向鉆井技術的發展方向是什么？

 

蘇義腦院士：下一步的發展方向大致有三方面：一是小型化，將目前的 8寸半井眼、172 毫米外徑工具，要發展到 6 寸井眼、120 毫米外徑工具；二是提高信號傳輸速率，即單位時間內傳得更快，數據量更多；三是增加一些參數，如多深度電阻率、中子孔隙度等，并提升抗溫級別以適應更高井溫。鉆井系統的首要功能是“給鉆頭裝上顯微鏡”，我國地質導向技術未來將增加鉆進的前探功能。目前世界上只有兩家公司掌握這項技術，即斯倫貝謝與中石油。我們增加了鉆頭電阻率，目前能做到鉆頭前感知 0.5 ～ 0.7 米，從技術發展的角度看能力還不夠，下一步目標是將該功能再提高到幾米乃至十幾米。還有另一項技術——隨鉆地震技術，簡稱 SWD，通俗地說是“給鉆頭裝上望遠鏡”，國外號稱能達到前探 3,000 米，但精度如何尚是另一回事。真正能實現，能達到工程應用水平的，別說上千米，幾十米就已經很好了。這是未來的技術發展方向。

 

 井下工具發展要提高控制能力

 

 

石油與裝備：我國地面勘探開發裝備技術發展很快，相比較，井下工具卻是一大短板，并長期困擾著我們。您認為，怎樣才能快速改變這種現狀？民企的參與程度高嗎？

 

蘇義腦院士：工作環境不一樣，井下工具本身比地面裝備難度更大。這是由于井下的特殊環境和條件所決定的，解決要靠多學科配合。要提高設計研發制造水平，給它加上自動控制能力，這就是我二十多年來所做的事情。  我在 1988 年，最早提出了井下控制工程學這一研究的新領域，地質導向技術 CGDS 鉆井系統是其中的個案，現在，它已經成為我們研究生培養的一個新二級學科方向。我曾用七個“以”字，概況這個領域的基本特點，后來作為組建研究團隊選人的標準，即“以井下為對象，以控制為目標，以力學為基礎，以機械為主體，以流體為介質，以計算機為手段，以試驗為依托”。我現有的研究團隊中，包括鉆井、機械、力學、計算機、儀器儀表、放射性和核物理、流體、電子學等人才，體現了學科交叉的特點。不像地面裝備，井下工具做小了難，做大了容易。目前電子元器件一般都是從軍品里選取，造價很高。井下工具的研究牽涉到很多問題和經驗，大的難點包括：一是鉆井井眼口徑太小，比如用 26 寸鉆頭開表層，剛開始是直徑60 多厘米的井眼，從大到小往下逐級增小。徑向尺寸要求苛刻，縱向上深度可達數千米，需要進行遙控或自動控制。二是井下工況復雜，這就要求要解決工具在重載下的強度問題；電子元器件須能承載強振動及強沖擊；須解決耐腐蝕問題；要承受高溫、高壓，需要從電子元器件及材料和設計等多方面攻關。中國的民企與國外企業現狀還不一樣，不賺錢的情況下，很難保持長期持續的投入。科研攻關主體還得靠國企、央企這樣的單位。但民企在技術推廣上具有很大作用，比如 1980 年，我參加了中國第一套螺桿鉆具的攻關研制，目前國內螺桿鉆具的制造廠家有幾十家，總產值每年達到 20 億元以上，大多數廠家是民企。我對這樣的技術推廣效果很滿意。

 

石油與裝備：常聽到一句話：鉆井的第一要務是破巖。鉆頭的重要性不言而喻。您是鉆井領域的權威專家，對鉆頭上的技術攻關有哪些理解？我國鉆頭發展上需要做哪些努力？

 

蘇義腦院士：權威專家不敢當。老一輩人常說：“鉆頭不到，油氣不冒。”在鉆井過程和技術鏈中，鉆頭永遠處于前沿和核心的位置。鉆井的本質就是破巖，其它所有的技術方面，如信息、控制、泥漿等，都在為破巖而服務，首推鉆頭，不是說要降低其它方面的重要性。只有將所有的技術組成一個整體，發揮作用才是關鍵。要想搞好鉆頭：一是須對破巖機理進行理論上的探討研究與發展創新，比如牙輪鉆頭主要是沖擊，PDC 鉆頭主要是刮削，現在有把牙輪鉆頭與 PDC鉆頭組合起來形成一種新鉆頭。在破巖機理和方式上，應該研究哪一種更適合具體的地層。二是要在鉆頭結構上做文章，包括個性化鉆頭研發。三是材料研究與攻關上要支持。四是工藝參數上要科學配合。對鉆頭的研究永遠是鉆井的主題。在塔里木，一個牙輪加 PDC 的復合鉆頭，單個鉆頭價格高達 180 萬元，盡管貴但節省了 20% 的鉆井成本費用，且耐用、不用起下鉆等，提高了鉆探效率，減少了事故。最近，我們組織討論評選“2013年國外石油科技十大科技進展”。其中，就將鉆頭材料列為鉆井專業的第二大重要選項。目前我國在這個領域還差得較遠。比如在超硬材料領域，國外廣泛應用脫鈷技術，大幅度提高了脫鈷凈度和脫鈷深度，脫鈷深度已達到 0.5 ~0.6毫米，而國內技術只能到 0.1 毫米。應該說，我國鉆頭研制取得了重大進步，但與世界先進水平相比，還有一定差距，目前我們仍然主要在走仿制和跟蹤的路子，自主創新特別是原創性的技術少。另外，鉆頭研制與國家在材料科學技術的基礎研究水平密切相關。 中石油鉆井工程重點實驗室在東北石油大學成立了一個新的重點研究室，定位為高效破巖技術。成立時我送給他們十個字：“究破巖機理，做鉆井尖兵”。理論研究工作是技術創新的源頭，若不做原創性研究，就永遠無法趕上國外，更談不上超越。

 

石油與裝備：對井下工具來說，控制技術的應用很重要。相對于“上天”技術，您怎樣看待“入地”技術？

 

蘇義腦院士：控制技術進入鉆井領域，是一項大的技術進步。過去，鉆井比較被動，基本沒有現代意義上的控制技術。今天發展到主動控制，與航天科技理念一樣，目標是形成閉環控制。我一直提倡用手段去解決問題，而不單是靠所謂理論。如航天器的運行，一點不偏離設計是不可能的，發生偏離很正常，偏離了就用控制手段及時糾正過來，體現了工程的根本。控制并不神秘，存在于世界上任何一個地方，包括日常生活，只不過人們沒有主動去意識。過去對“機器”的定義有三要素：動力機、工作機、傳動機，到了上世紀五十年代以后，有所變化，增加了控制機。走路時，眼睛就是人體上進行測量的傳感器。沒有閉環，談不上真正意義的控制。如今，我們在鉆井工具上加上這個功能，讓它更好的工作。這是技術發展的必然。系統論、信息論加上控制論，一起構成工程技術的組成部分。我不同意“上天容易入地難”的說法，準確的說法應是，“上天入地都不易”。航天技術在高溫材料、高速度、重量上要求苛刻。相比之下，航天技術比入地技術有一些優勢，一是高空空間大，二是可以應用 GPS 定位技術、無線電磁波技術，而這些技術目前直接用于地下還不行，還要開發相應的特殊專用技術。兩者都有自身特點，我們不能說哪個更難。