文/李泰豫 郭 卉 張 玉 張曉林
中國(guó)石化20 年攻關(guān)鉆井“卡脖子”難題,自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)取得突破性進(jìn)展。
●20年披肝瀝膽,終磨成驚天一劍。攝影/王 福
1 月8 日,一場(chǎng)冬雪降臨山東東營(yíng)。寒風(fēng)雖冷,李閃的內(nèi)心卻如火般熾熱:因?yàn)槌晒タ诵D(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)工具,他將代表研發(fā)團(tuán)隊(duì)上臺(tái)領(lǐng)獎(jiǎng)。“集體一等功”的獎(jiǎng)牌雖輕,卻寓意深厚——它凝結(jié)著研發(fā)團(tuán)隊(duì)20 年的心血,標(biāo)志著中國(guó)石化自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)已取得突破性進(jìn)展。
如何把石油鉆井的井斜精度控制到0.1 度之內(nèi),確保鉆頭在1 米厚的油層中完成作業(yè)?這項(xiàng)好似給“鉆地龍”裝上“方向盤”的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù),曾是國(guó)外對(duì)我國(guó)設(shè)限封鎖的領(lǐng)域之一。外國(guó)油服公司將其視為“秘密武器”,只租不賣,且按小時(shí)收取高昂的服務(wù)費(fèi)用。
中國(guó)石化石油工程的科研工作者們?yōu)橥黄破款i,義無反顧地踏上了自主研發(fā)之路。以自主創(chuàng)新、為國(guó)爭(zhēng)氣的初心,在一次次挫折與失敗中更加堅(jiān)毅自信,在不斷追求與探索中變得更加堅(jiān)定無悔。
不忘初心,方得始終。20 年披肝瀝膽,終磨成驚天一劍——2019 年12月19日,旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)連續(xù)工作141 小時(shí),進(jìn)尺857 米,最大造斜率每30 米6.6 度,順利完成第4 次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。
“這組數(shù)據(jù)標(biāo)志著中國(guó)石化成功解決了鉆井的‘卡脖子’技術(shù)難題,將為油氣田勘探開發(fā)提質(zhì)提速提產(chǎn)提效、用適度技術(shù)保障穩(wěn)油增氣降本增添重量級(jí)砝碼?!便@井技術(shù)知名專家、中石化石油工程公司黨委副書記劉汝山認(rèn)為。
眾所周知,油氣田開發(fā)需要在地下油氣儲(chǔ)層中用最小成本和最快速度完成鉆井。許多石油企業(yè)優(yōu)先選擇能夠在油氣儲(chǔ)層中穿行的水平井鉆井技術(shù)。水平井作業(yè)與普通鉆井作業(yè)不同,要求鉆頭能夠在地層深處按照設(shè)計(jì)好的軌道鉆進(jìn),直至命中目標(biāo)“靶點(diǎn)”。
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)滿足了這種要求。它能夠?qū)崟r(shí)控制井下鉆進(jìn)方向的工具,從而高效精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)一趟鉆貫穿目標(biāo)地層。
早在20 世紀(jì)90 年代初,少數(shù)幾家國(guó)際知名油服公司就研制出了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具,實(shí)現(xiàn)了水平鉆井技術(shù)的重大變革。而國(guó)內(nèi)許多石油工程專家對(duì)它的了解程度幾乎是“零”。勝利石油工程公司副總經(jīng)理韓來聚回憶說:“我們當(dāng)時(shí)對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具原理的了解,相當(dāng)于‘文盲’水平?!?/p>
20 多年前,韓來聚等人第一次接觸旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具與隨鉆測(cè)量?jī)x,是因?yàn)殚_發(fā)復(fù)雜油氣藏的需要。特別是打水平井能增加滲油面積,大幅度提高產(chǎn)量,當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)技術(shù)達(dá)不到,不得不請(qǐng)外國(guó)人出馬。
“有了它們,石油鉆井的井斜精度就能控制到0.1 度之內(nèi),可以開采僅有一米厚的油層?!碑?dāng)時(shí)人們談?wù)撨@一新鮮技術(shù)時(shí),像是在聊天方夜譚。同樣覺得天方夜譚的是外國(guó)人的要價(jià)——日費(fèi)五六萬美元,只租不賣,還禁止參觀。
“不搞自主研發(fā),將永遠(yuǎn)無法擺脫‘卡脖子’的困境!”韓來聚說。自主研發(fā)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具,成為必須且必然的選擇。
對(duì)石油科研工作者而言,攻克“一窮二白”的新領(lǐng)域,需要知難而進(jìn)的勇氣,更需要披荊斬棘、愈挫愈勇的韌勁。唯有如此,才能真正打破壟斷,徹底改變受制于人的困境。
作為當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)石油鉆探領(lǐng)域最大的鉆井研究院所,勝利鉆井院將目光瞄準(zhǔn)了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的動(dòng)態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。
1999 年,勝利鉆井院與西安石油大學(xué)聯(lián)合立項(xiàng),旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)前瞻性研究被列入“國(guó)家863 計(jì)劃”,邁出旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具研發(fā)的第一步。5 年攻關(guān),終于研究出了原理樣機(jī),但還未能達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用水平。
2005 年,他們開始與美國(guó)一家公司合作,研制出了動(dòng)態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)工程樣機(jī),并驗(yàn)證了其功能性。但由于該樣機(jī)在動(dòng)態(tài)測(cè)量精度等方面存在難以突破的技術(shù)瓶頸,影響了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
“盡管沒有成功現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,但兩次聯(lián)合研發(fā)過程拓寬了科研人員的思路,提升了科研團(tuán)隊(duì)的專業(yè)能力,積累了大量寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù),為后期旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的突破奠定了基礎(chǔ)?!表n來聚說。
隨著研究的深入,研發(fā)團(tuán)隊(duì)意識(shí)到,旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是典型的集機(jī)、電、液、測(cè)、控等多學(xué)科于一體的復(fù)雜系統(tǒng),不僅需要各類傳感器測(cè)量姿態(tài)參數(shù)、各類軟件處理參數(shù)并進(jìn)行控制,而且需要足夠的機(jī)械強(qiáng)度抵抗井下施工時(shí)的高溫高壓和震動(dòng)沖擊,對(duì)材料的性能、機(jī)械加工精度及可靠性提出了更高的要求。這意味著必須大量吸收數(shù)學(xué)、機(jī)械、液壓、通信、微電子技術(shù)等學(xué)科的專業(yè)人才加入研發(fā)團(tuán)隊(duì)。因此,應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)出身的李閃、工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)出身的楊全進(jìn)等人加入,并成為團(tuán)隊(duì)的核心人物。
此時(shí),距離1999 年立項(xiàng)已經(jīng)過去10年。信號(hào)上傳、大功率電源、中控平臺(tái)、載波通信等技術(shù)逐步攻克,但液壓控制、動(dòng)態(tài)測(cè)量精度等核心技術(shù)難題仍未破解。而國(guó)際油服公司的靜態(tài)推靠式、動(dòng)態(tài)推靠式、復(fù)合式等旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)日趨完善。中國(guó)石油、中國(guó)海油等國(guó)內(nèi)多家企業(yè),也開始涉足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具研發(fā)。
面對(duì)來自國(guó)內(nèi)國(guó)外的雙重壓力,2013年,時(shí)任勝利鉆井院院長(zhǎng)的韓來聚做出一個(gè)大膽的決定—— 改變攻關(guān)方向,充分利用多年研究積累的技術(shù)基礎(chǔ),由動(dòng)態(tài)推靠式改為技術(shù)實(shí)現(xiàn)可行性更高的靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。
“近10 年的心血就這樣付之東流,確實(shí)心有不甘!”韓來聚說。他暗暗發(fā)誓,等攻克了靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向后,再繼續(xù)攻關(guān)動(dòng)態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。
2013 年,中國(guó)石化將旗下石油工程業(yè)務(wù)整合重組,成立了中石化石油工程公司,勝利石油工程公司隨之成立。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)工具研發(fā),成為了石油工程公司領(lǐng)導(dǎo)關(guān)心的重中之重。
正當(dāng)摩拳擦掌之時(shí),2014 年下半年,隨著國(guó)際油價(jià)斷崖式下跌,油服行業(yè)量?jī)r(jià)齊跌,石油工程公司進(jìn)入市場(chǎng)“寒冬”。即便如此,石油工程公司以及勝利石油工程公司依然投入人力、物力、財(cái)力,通過子項(xiàng)目立項(xiàng)等方式撥發(fā)研發(fā)經(jīng)費(fèi),確保旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向研究持續(xù)進(jìn)行。
“勝利鉆井院攻克的技術(shù)難題數(shù)不勝數(shù),其中耗時(shí)最長(zhǎng)的項(xiàng)目研發(fā)時(shí)間也不過10 年。但是,誰都沒想到在第15 個(gè)年頭依然沒有攻克旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向……”韓來聚說。
2015 年5 月4 日,中海油服宣布由其自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在渤海之濱完成鉆井作業(yè)。這個(gè)消息像一顆重磅炸彈,讓韓來聚等人壓力大增。
此時(shí),巴山深處,如火如荼的涪陵頁(yè)巖氣勘探開發(fā)更讓韓來聚等人坐立難安。頁(yè)巖氣勘探開發(fā)需要1000 米以深的長(zhǎng)水平段鉆井。由于地質(zhì)條件復(fù)雜,地層橫向變化大,常規(guī)鉆井技術(shù)工具不僅效率低、難度大,而且控制井眼軌跡的效果不盡如人意,需借助旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。自己不掌握這項(xiàng)技術(shù),就得向外國(guó)公司求助,哪怕每日高達(dá)20 多萬元的服務(wù)費(fèi)用也只能接受。
技術(shù)被外國(guó)公司處處封鎖,國(guó)內(nèi)同行研發(fā)進(jìn)展迅猛,如何突圍?必須集中優(yōu)勢(shì),加快攻關(guān)!
為推進(jìn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具加快研發(fā),在石油工程公司的強(qiáng)力推動(dòng)下,勝利石油工程公司整合內(nèi)部科研資源,抽調(diào)鉆井工藝研究院、測(cè)井公司及鉆井工程技術(shù)公司相關(guān)研發(fā)人員,成立了隨鉆測(cè)控中心,以研發(fā)井筒隨鉆測(cè)控技術(shù)為目標(biāo),瞄準(zhǔn)前沿技術(shù),開啟了邁向自主創(chuàng)新的高端化、國(guó)際化道路。
“有人問我,那么多人都沒干出結(jié)果,你怕不怕像他們一樣,傾盡一生,無功而返?說實(shí)話,我當(dāng)時(shí)真沒想那么多,就覺得我們能干成。”李閃堅(jiān)定地說。
47 歲的他,因?yàn)樾D(zhuǎn)導(dǎo)向久攻未克已經(jīng)憔悴了許多。其實(shí),因?yàn)檫@個(gè)項(xiàng)目甘守“寂寞”的又何止他一人?
百舸爭(zhēng)流千帆競(jìng),大浪淘沙定者勝!李閃相信,這是黎明前的黑暗,勝利的曙光就在前方。
此時(shí),石油工程公司高層也在緊鑼密鼓地加快推進(jìn)?!拔耶?dāng)時(shí)準(zhǔn)備了4 套方案,為的就是能盡快啃下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向這塊‘硬骨頭’!”劉汝山說。
為縮短攻關(guān)研發(fā)周期,快速提升高端裝備研發(fā)水平和技術(shù)成果轉(zhuǎn)化能力,在石油工程公司的支持下,勝利石油工程公司與外國(guó)公司開展了技術(shù)合作。隨鉆測(cè)控技術(shù)中心經(jīng)理馬清明采取項(xiàng)目負(fù)責(zé)制,讓各項(xiàng)目組人員能夠心無旁騖,專心鉆研。
又經(jīng)過一年多的技術(shù)攻關(guān),他們逐步完成了SINOMACS 隨鉆測(cè)控平臺(tái)的升級(jí),實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電氣連接、測(cè)量系統(tǒng)精確控制、井下數(shù)據(jù)通信可靠傳輸,以及實(shí)時(shí)高效的井下與地面系統(tǒng)的雙向通信,最終形成SINOMACS ATS Ⅲ型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。
2019 年3 月27 日,SINOMACS ATSⅢ型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)下井試驗(yàn)。在勝利油區(qū)營(yíng)6-更斜51 井,技術(shù)人員通過地面系統(tǒng)下傳控制指令,成功控制井下工具完了成軌跡調(diào)整動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具累計(jì)工作時(shí)間114 小時(shí),進(jìn)尺927 米,軌跡控制精度高,實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡吻合,獲得了甲方的高度認(rèn)可。
雖然SINOMACS ATS Ⅲ型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成功了,但李閃知道,真正的成功還遠(yuǎn)沒有到來。因?yàn)樽詈诵牡募夹g(shù)——旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭他們還沒有攻克,SINOMACS ATS Ⅲ型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)用的是國(guó)外的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭。
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的核心單元,是集測(cè)量、控制、信號(hào)傳輸和能量傳輸技術(shù)于一體的復(fù)雜系統(tǒng)。導(dǎo)向頭上的各類傳感器實(shí)時(shí)采集重力加速度、電壓、電流與轉(zhuǎn)速等信號(hào),通過軟件算法的處理,完成對(duì)液壓系統(tǒng)中的電機(jī)、泵、閥等部件的精確控制,再通過非接觸能量傳輸模塊傳輸無線信號(hào)。這涉及電子信息、自動(dòng)化控制、機(jī)械、液壓等各領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí),為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)帶來了巨大挑戰(zhàn)。
為了搞明白它的工作原理,李閃不但自學(xué)了電機(jī)液壓工作原理、MATLAB 數(shù)據(jù)計(jì)算工具等,而且跑到北京航空航天大學(xué)甚至出國(guó)向?qū)<艺?qǐng)教。
在與外國(guó)公司合作研發(fā)SINOMACS ATS Ⅲ型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的過程中,認(rèn)識(shí)上的盲區(qū)、思路上的死結(jié),被一點(diǎn)點(diǎn)解開。一通百通,李閃終于悟出了原理。接下來,他和同事們開始對(duì)機(jī)械、電子和軟件等模塊進(jìn)行組裝調(diào)試、模擬驗(yàn)證。
導(dǎo)向頭上集成電路密密麻麻,電機(jī)驅(qū)動(dòng)、大功率電源傳輸和姿態(tài)測(cè)量模塊一同工作時(shí),干擾信號(hào)錯(cuò)綜復(fù)雜,系統(tǒng)一度難以穩(wěn)定工作。為此,他們調(diào)整50 多處參數(shù),改版10 余次,經(jīng)過200 多次各種實(shí)驗(yàn),歷時(shí)近2 年實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)穩(wěn)定工作。
2018 年12 月,中國(guó)石化終于自主研發(fā)出第一臺(tái)靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)樣機(jī)——SINOMACS ATS I 型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。心心念念近20 年的自主研發(fā)即將夢(mèng)圓。
2019 年1 月16 日,樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。此時(shí),不僅李閃,所有人都異常忐忑。在眾人期待中,樣機(jī)徐徐入井。
下井工作后,一組信號(hào)很快傳回地面。心電圖般的曲線在電腦屏幕上慢慢劃進(jìn)。當(dāng)大家還在屏氣凝神注視屏幕時(shí),李閃心下一沉:“壞了,試驗(yàn)失??!”
“當(dāng)時(shí),只有我知道,正常的信號(hào)只傳輸了1 分鐘,再往后的都是錯(cuò)誤信號(hào)?!崩铋W到現(xiàn)在都不愿意回憶當(dāng)時(shí)的過程,“我徹底傻了,好長(zhǎng)時(shí)間才緩過神來。”
樣機(jī)被拉回實(shí)驗(yàn)室,拆解分析后得知,不光是電路系統(tǒng),液壓?jiǎn)卧?、能量傳輸系統(tǒng)都出了故障。重新設(shè)計(jì)電路系統(tǒng),結(jié)合SINOMACS ATS Ⅲ型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo),對(duì)標(biāo)追標(biāo),力求達(dá)到或者超越Ⅲ型的功能。主控電路換了3 個(gè)版本,測(cè)斜電路換了2 個(gè)版本。一改再改,又是幾個(gè)月過去了。
2019 年10 月29 日晚11 時(shí)30 分,第二次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)開始進(jìn)行。這次,信號(hào)穩(wěn)穩(wěn)地傳輸了半個(gè)小時(shí)。當(dāng)大家?guī)缀跻詾榭煲晒r(shí),旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具又“罷工”了。
雖然又失敗了,但李閃心里清楚,他們距離成功只有一步之遙!因?yàn)檫@次試驗(yàn)證明,技術(shù)路線是對(duì)的,只需要再提高設(shè)備的可靠性即可。
回到實(shí)驗(yàn)室拆卸裝置后,李閃的推斷被證實(shí)了,只是電源模塊出現(xiàn)了小故障。
在接下來的一個(gè)多月里,李閃和同事們?cè)谔岣咴O(shè)備的穩(wěn)定性上積極下功夫。導(dǎo)向頭單元的近20 個(gè)電路板、上百根控制電線全部通過手工焊接完成。通過反復(fù)檢驗(yàn),確保所有線路在井下高溫、高頻振動(dòng)的環(huán)境中不松不脫,穩(wěn)定工作。
一個(gè)月后,第三次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在勝利油區(qū)1-2-斜596 井進(jìn)行。工作52 個(gè)小時(shí),鉆進(jìn)347 米,累計(jì)工作時(shí)間52 小時(shí),造斜率達(dá)到每30 米4.2 度,地面監(jiān)控、雙向通信、隨鉆測(cè)量和井下導(dǎo)向控制四大模塊均達(dá)到理想效果。
當(dāng)工具從井下取出時(shí),現(xiàn)場(chǎng)沸騰了!李閃眼中的淚水奪眶而出:20 年間,在經(jīng)歷了數(shù)不清的失敗后,他們終于嘗到了成功的喜悅。
“再試一口井!”韓來聚組織在埕913-斜80 井進(jìn)行試驗(yàn)。2019 年12 月13日凌晨,開始下放旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。13日中午,旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具未按照預(yù)定軌跡行進(jìn),調(diào)整數(shù)次未果。
●一次次檢修,不斷向成功靠近。攝影/張 玉
“改變控制參數(shù),全力調(diào)整,再打兩根試試!”馬清明咬牙堅(jiān)持,“出了問題,我負(fù)責(zé)!”
在馬清明的堅(jiān)持下,試驗(yàn)得以繼續(xù)。李閃親自操作,調(diào)整參數(shù),全力改變工具鉆進(jìn)方位。終于,在第二根鉆桿鉆進(jìn)時(shí),旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具帶著鉆頭回到了正確軌道。
此后的6 天5 夜里,馬清明、李閃等人沒睡過一個(gè)安穩(wěn)覺。2019 年12 月19 日凌晨,當(dāng)?shù)弥樌赉@時(shí),他們并沒有想象中那么激動(dòng),只想“睡到自然醒”。
與他們一同經(jīng)歷波折的,還有渤海鉆井40696 隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)王艷飛等?!霸壑袊?guó)石化第一個(gè)自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具能在我們井隊(duì)試驗(yàn)成功,我們很驕傲!”
王艷飛給出的“用戶體驗(yàn)”是:使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的平均機(jī)械鉆速為每小時(shí)7.32 米,較使用常規(guī)鉆具的上口井,鉆速提高26.37%。井眼軌跡平滑,為后期電測(cè)、下套管完井作業(yè)提供了便利。
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具再次試驗(yàn)成功,標(biāo)志著中國(guó)石化自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具具備了工業(yè)應(yīng)用的條件。當(dāng)被問及今后的打算時(shí),李閃笑著回答:“眼下要加快提升Ⅰ型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的可靠性,盡快研發(fā)出適用于頁(yè)巖氣開發(fā)的Ⅱ型工具,讓在四川施工的鉆井隊(duì)早日用上咱們自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向?!?/p>
未來,李閃和他的同事們還有很長(zhǎng)的路要走。他們,誓要矢志不渝培育新技術(shù)、新業(yè)務(wù)、新動(dòng)能,堅(jiān)定不移走出一條自主創(chuàng)新的高端化、國(guó)際化道路,全力打造隨鉆測(cè)控技術(shù)的中國(guó)名片!但是,不論走得多遠(yuǎn),他們都不會(huì)忘記20 年前這個(gè)夢(mèng)開始的地方……