中国石化二十年攻关 实现钻井“巡航制导”

1月8日,一场冬雪降临山东东营。寒风虽冷,李闪的内心却如火般炽热:因为成功攻克旋转导向系统工具,他将代表研发团队上台领奖。“集体一等功”的奖牌虽轻,却寓意深厚,这块奖牌凝结着他们20年的心血,更标志着中国石化自主研发的旋转导向系统已经取得突破性进展。

 

胜利石油工程公司旋转导向研发人员李闪-左3带领团队探讨技术问题-张玉摄

 

如何把石油钻井的井斜精度控制到0.1度之内,确保钻头在一米厚的油层中完成作业?这项好似给“钻地龙”装上“方向盘”的关键技术,曾是国外对我国设限封锁的领域。经过中国石化胜利石油工程公司20年的攻关,终于在2019年12月19日实验成功:连续工作141小时,进尺857米,最大造斜率每30米6.6度,顺利完成第4次现场试验。

“这组数据标志着中国石化成功解决了钻井的‘卡脖子’技术难题,这将为油气田勘探开发提质提速提产提效、用适度技术保障稳油增气降本增添重量级砝码。”钻井技术知名专家刘汝山认为。

20年前,旋转导向工具被外国油服公司视为“秘密武器”,只租不卖,且按小时收取高昂服务费用。中国石化石油工程的科研工作者们为突破瓶颈,发现蓝海,义无反顾踏上了自主研发之路;20年后,不忘初心,方得始终,终于研发成功!二十年磨一剑,石油工程人自主创新、为国争气的初心,在一次次挫折与失败中更加坚毅自信,在不断追求与探索中变得更加坚定无悔!

初试:向世界最先进旋转导向工具研发进军

油气田开发需要在地下油气储层中用最小成本和最快速度完成钻井,许多石油企业都优先选择能够在油气储层中穿行的水平井钻井技术。水平井作业与普通钻井作业不同,要求钻头能够在地层深处按照设计好的轨道钻进,直至命中目标“靶点”。

旋转导向系统满足了这种要求,它能够实时控制井下钻进方向,好似给“钻地龙”装上了“方向盘”,从而高效精准的实现一趟钻贯穿目标地层,是20世纪90年代以来水平钻井技术的重大变革。

早在90年代初,少数几家国际知名油服公司就研制出了旋转导向工具,而国内许多石油工程专家对它的了解程度几乎是“零”。胜利石油工程公司副总经理韩来聚回忆说:我们当时对旋转导向工具原理的了解相当于‘文盲’水平。”

上世纪90年代,韩来聚等人第一次接触旋转导向工具与随钻测量仪,是因为开发复杂油气藏的需要,特别是打水平井能增加渗油面积、大幅度提高产量,当时国内技术达不到,不得不请外国人出马。

“有了它们,石油钻井的井斜精度就能控制到0.1度之内,可以开采仅有一米厚的油层,就像给钻头装上了‘千里眼’和‘方向盘’”人们谈论这一新生事物,像是在聊科幻电影。同样梦幻的是外国人的要价,日费五六万美元,只租不卖,禁止参观。

“不搞自主研发,将永远无法摆脱‘卡脖子’的困境!”胜利石油工程公司副总经理韩来聚说。自主研发旋转导向工具,成为必然之选。

对石油科研工作者而言,攻克“一穷二白”的新领域,需要知难而进的勇气,更需要披荆斩棘、愈挫愈勇的韧劲,唯有如此,才能真正打破垄断、彻底改变受制于人的困境。

作为当时国内石油钻探领域最大的钻井研究院所,胜利钻井院将目光瞄准了当时最先进的“动态推靠式”旋转导向工具。1999年,钻井院与西安石油大学联合立项,旋转导向技术前瞻性研究被列入“国家863计划”,迈出旋转导向工具研发的第一步。经过五年的攻关,终于研究出原理样机。样机虽然研究出来了,但未达到现场应用水平。

2005年,他们又开始与美国一家公司合作研制出了动态推靠式旋转导向系统工程样机,并验证了其功能性。但由于该样机在动态测量精度等方面还存在难以突破的技术瓶颈,影响了产业化应用。

尽管没有成功现场应用,但两次联合研发过程拓宽了科研人员的思路,提升了科研团队的专业能力,积累了大量宝贵的试验数据,为后期旋转导向技术的突破奠定了基础。并且,随着研究的深入,研发团队意识到,旋转导向系统是典型的集机、电、液、测、控等多学科的复杂系统,不仅需要各类传感器测量姿态参数、各类软件处理参数并进行控制,还需要足够的机械强度抵抗井下施工时的高温高压和震动冲击,对材料的性能、机械加工精度及可靠性也提出了更高的要求。这意味着必须大量吸收数学、机械、液压、通讯、微电子技术等学科的专业人才加入研发团队,日后成为核心人物的李闪、杨全进等人加入团队。

此时,距离1999年立项已经过去十年,信号上传、大功率电源、中控平台、载波通信等技术逐步攻克,但液压控制、动态测量精度等核心技术难题仍未破解,而国际油服公司的静态推靠式、动态推靠式、复合式等旋转导向技术日趋完善,中国石油、中国海油等国内多家企业也开始涉足旋转导向工具研发。

面对来自国内国外的双重压力,2013年,时任钻井院院长的韩来聚做出一个大胆的决定——改变攻关方向,充分利用多年研究积累的技术基础,由“动态推靠式”改为技术实现可行性更高的的“静态推靠式”旋转导向工具。

那一年,中国石化将旗下石油工程业务整合重组,成立了中石化石油工程公司,胜利石油工程公司随之成立,旋转导向系统工具研发也成为了石油工程公司领导们关心的重中之重问题。

“近十年的心血就这样付之东流,确实心有不甘!那时我就告诉自己,等攻克了静态推靠式旋转导向后,我们还会继续攻关动态推靠式旋转导向工具!”韩来聚暗暗发誓。

坚守:哪怕是“火焰山”也要迈过去

2014年下半年,随着国际油价断崖式下跌,油服行业量价齐跌,石油工程公司进入市场“寒冬”,即便如此,石油工程公司以及胜利石油工程公司依然投入人力、物力、财力,通过子项目立项等方式拨发研发经费,确保旋转导向研究持续进行。

“胜利钻井院攻克的技术难题数不胜数,最长的项目研发时间也不过10年,但是,谁都没想到在第15个年头依然没有攻克旋转导向!”韩来聚说。

2015年5月4日,中海油服宣布由其自主研发的旋转导向系统在渤海之滨完成钻井作业。这个消息像一颗重磅炸弹,让韩来聚等人倍感压力大增。此时,巴山深处,如火如荼的涪陵页岩气勘探开发更让韩来聚等人坐立难安。由于页岩气勘探开发需要1000米以上的长水平段钻井,且地质条件复杂,地层横向变化大,常规钻井技术工具不仅效率低、难度大,而且控制井眼轨迹的效果不尽人意,需借助于旋转导向工具。唯有向外国公司求助,哪怕每日高达20多万元的服务费用也只能被迫接受。

 

图为中国石化胜利石油工程公司自主研发的SINOMACSATSⅠ型旋转导向在埕913-斜80井实验成功作者王福

 

技术被国外处处封锁、国内同行研发进展迅猛,如何突围?

必须集中优势,加快攻关。为推进旋转导向工具加快研发,在石油工程公司的强力推动下,胜利石油工程公司整合内部科技资源,抽调钻井工艺研究院、测井公司及钻井工程技术公司相关研发人员,成立了随钻测控技术中心,以研发井筒随钻测控技术为目标,瞄准前沿技术,开启了迈向自主创新的高端化、国际化道路。

 “有人问我,那么多人都没干出结果,你怕不怕也像他们一样,倾其一生,无功而退?说实话,我当时真没想那么多,就觉得我们应该能干成。”李闪坚定地说。今年47岁的他,因为旋转导向久攻未克,已经憔悴了许多。因为这个项目,甘守“寂寞”的又何止他一人?百舸争流千帆竞,大浪淘沙定者胜!李闪相信,这是黎明前的黑暗,胜利的曙光就在前方。

此时,石油工程公司高层也在紧锣密鼓加快推进。“我当时准备了4套方案,为的就是能尽快啃下旋转导向这块‘硬骨头’!”石油工程公司党委副书记刘汝山说。

为缩短攻关研发周期,快速提升公司高端装备研发水平和技术成果转化能力,在石油工程公司的支持下,胜利工程与外国公司开展技术合作,随钻测控技术中心经理马清明采取项目负责制,让各项目组人员能够心无旁骛,专心钻研。又经过1年多的技术攻关,他们逐步完成了SINOMACS随钻测控平台的升级,实现了结构优化、电气连接、测量系统精确控制、井下数据通讯可靠传输,以及实时高效的井下与地面系统的双向通讯,最终形成SINOMACS ATS III型旋转导向系统。2019年3月27日,SINOMACS ATS III型旋转导向系统下井试验。在胜利油区营6-更斜51井,技术人员通过地面系统下传控制指令,成功控制井下工具完成轨迹调整动作,旋转导向工具累计工作时间114小时,进尺927米,轨迹控制精度高,实钻轨迹与设计轨迹吻合,获得了甲方的高度认可。

虽然现场试验成功了,但李闪并不满足,因为最核心的技术他们还没有攻克。

突破:一波三折终攻克最核心技术

“只有自主研发,才能真正摆脱‘卡脖子’的困境”。老院长韩来聚的话让李闪记忆犹新。新起点,新征程。他和同事们又开始攻关旋转导向最核心部件——导向头。旋转导向头是旋转导向系统的核心单元,是集测量、控制、信号传输和能量传输技术与一体的复杂系统。导向头上的各类传感器实时采集重力加速度、电压、电流与转速等信号,通过软件算法的处理,完成对液压系统中的电机、泵、阀等部件的精确控制,再通过非接触能量传输模块传输无线信号。这涉及电子信息、自动化控制、机械、液压等各领域专业知识,为系统的设计和实现带来巨大的挑战。

为了搞明白它的工作原理,李闪不但自学了电机液压工作原理、matlab数据计算工具等,还跑到北京航空航天大学、甚至出国向专家请教。识上的盲区、思路上的死结被一点点解开,一通百通,李闪终于悟出了原理。接下来,开始对机械、电子和软件等模块进行组装调试、模拟验证。导向头上集成电路密密麻麻,电机驱动、大功率电源传输和姿态测量模块一同工作时,干扰信号错综复杂,系统一度难以稳定工作。为此,他们调整50多处参数,改版10余次,经过200多次各种实验,历时近2年,最后实现系统稳定工作。

2018年12月,中国石化终于自主研发出第一台静态推靠式旋转导向系统样机--SINOMACS ATS I型旋转导向系统。

2019年1月16日,样机进行现场试验。此时,不仅李闪,所有人都异常忐忑。在众人期待中,样机徐徐入井。下井工作后,一组信号很快传回地面。心电图般的曲线在电脑屏幕上慢慢划进,当大家还在屏气凝神注视屏幕时,李闪心下一沉:“坏了,试验失败!”

“当时,只有我知道,正常的信号只传输了1分钟,再往后的都是错误信号。”李闪到现在都不愿意回忆当时的过程,“我彻底傻了,好长时间才缓过神来。”

样机被拉回实验室,拆解分析后得知,不只是电路系统,液压单元、能量传输系统都出了故障。

这次,李闪他们重新设计电路系统,结合SINOMACS ATSⅢ型旋转导向系统的技术指标,对标追标,力求达到或者超越Ⅲ型的功能。主控电路换了3个版本,测斜电路换了2个版本,一改,又是几个月。

2019年10月29日晚11:30,第二次现场试验开始进行。这次,信号稳稳地传输了半个小时,当大家几乎以为快要成功时,旋转导向工具又“罢工”了。

又失败了!虽然领导们垂头丧气,但李闪心里清楚,他们距离成功只有一步之遥!因为通过这次试验证明,技术路线是对的,只需要再提高设备的可靠性即可。回到实验室拆卸装置后,印证了李闪的推断,只是电源模块出现了小故障。在接下来的一个多月里,李闪和同事们着手在提高设备的稳定性上下功夫:导向头单元的近20个电路板、上百根控制电线,全部通过手工焊接完成,通过反复检验确保所有线路在井下的高温、高频振动的环境下不松不脱、稳定工作。

一个月后,第三次现场试验在胜利油区1-2-斜596井进行,工作52小时,钻进347米,累计工作时间52小时,造斜率达到每30米4.2度,地面监控、双向通讯、随钻测量和井下导向控制四大模块均达到理想效果。

当工具从井下取出时,现场沸腾了,李闪眼中的泪水夺眶而出:20年间,在经历了数不清的失败后,终于尝到成功的喜悦。

“再试一口井!”韩来聚组织在埕913-斜80井进行试验。

12月13日凌晨,开始下放旋转导向工具。

一波未平,一波又起。13日中午,旋转导向工具未按照预定轨迹行进,调整数次,未果。

“改变控制参数,全力调整,再打两根试试!”马清明咬牙坚持,“出了问题,我负责任!”

在马清明的坚持下,试验得以继续。李闪亲自操作,调整参数,全力改变工具钻进方位,终于,在第二根钻杆钻进时,旋转导向工具带着钻头回到了正确轨道。在此后的6天5夜里,马清明、李闪等人没睡过一晚安稳觉。12月19日凌晨,当得知顺利完钻时,他们并没有想象中的那么激动,只想“睡到自然醒”。

与他们一同经历波折的还有胜利石油工程公司渤海钻井40696队队长王艳飞:“咱中国石化第一个自主研发的旋转导向工具能在我们井队试验成功,很骄傲!”王艳飞给出的“用户体验”是:使用旋转导向工具的平均机械钻速为每小时7.32米,较使用常规钻具的上口井,钻速提高26.37%。井眼轨迹平滑,为后期电测、下套管完井作业提供便利。旋转导向工具再次试验成功,标志着中国石化自主研发的旋转导向工具具备了工业应用的条件。

当被问及今后打算时,李闪笑着回答:“当然,眼下要加快提升Ⅰ型旋转导向工具的可靠性,尽快研发出适用于页岩气开发的II型工具,让在四川施工的钻井队早日用上我们自主研发的旋转导向。”

未来,李闪和他的同事们还有很长的路要走,他们,誓要矢志不渝培育新技术、新业务、新动能,坚定不移走出一条自主创新的高端化、国际化道路,全力打造随钻测控技术的中国名片!但是,不论走得多远,他们都不会忘记二十年前梦开始的地方……   (作者:李泰豫 郭卉 张玉 张晓林

(来源:中国石化)

2020年1月14日 16:35