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八年攻关源头创新 我国实现地下数千米直钻取油

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  • 发布时间:2013-05-09 18:48
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【概要描述】一个看似简单的命题:把钻头垂直钻进数千米的地层深处,以准确抽取那里蕴藏的石油。随着我国石油战略的西移,这个命题越来越成为横亘在我国石油战线面前的一道难题。在新疆,在四川,复杂的地层结构,倾斜的地下岩石,让我们的钻头东挪西移,哪怕倾斜一度,数千米下去离既定的油藏差之远矣。

八年攻关源头创新 我国实现地下数千米直钻取油

【概要描述】一个看似简单的命题:把钻头垂直钻进数千米的地层深处,以准确抽取那里蕴藏的石油。随着我国石油战略的西移,这个命题越来越成为横亘在我国石油战线面前的一道难题。在新疆,在四川,复杂的地层结构,倾斜的地下岩石,让我们的钻头东挪西移,哪怕倾斜一度,数千米下去离既定的油藏差之远矣。

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  一个看似简单的命题:把钻头垂直钻进数千米的地层深处,以准确抽取那里蕴藏的石油。
  随着我国石油战略的西移,这个命题越来越成为横亘在我国石油战线面前的一道难题。在新疆,在四川,复杂的地层结构,倾斜的地下岩石,让我们的钻头东挪西移,哪怕倾斜一度,数千米下去离既定的油藏差之远矣。
  要么采取“轻压吊打”的方式,让钻头慢慢地“研磨”岩石,这使得曾经在东部大平原上一天数百米乃至上千米的钻进速度骤降到慢时一天不到几十米。要么购买国外的技术服务,一天的费用超过十万元。
  2005年至今,国家先后两次把自动垂直钻井技术的研发列入863计划,组织了一支稳定精干的研发队伍,历时8年攻关,连同企业投入研发经费近亿元。多年来,记者跟踪采访这一关键前沿技术的研发过程,深感其关乎国家的能源战略,非国家行为不可,非胜利油田这样的大型国企莫为。
  创新,从源头开始
  自动垂直钻井技术自上世纪末发展起来,尤其在日益复杂的高陡构造地质环境下,堪称加快油田开发速度、降低油气开发成本的利器,代表了当前石油钻井领域的国际前沿水平。
  在我国,高陡构造地区的油气钻探“防斜打快”一直是一个技术难题。目前的井斜控制主要靠“轻压吊打”,不能完全释放正常的钻压,是一种以牺牲速度换取质量的无奈之举。而且随着我国石油生产任务日益加重和生产成本大幅上升,改变这种被动局面的要求越来越迫切。
  国际上这一领域最先进的自动垂直钻井技术,主要控制在美国公司手里。斯伦贝谢、贝克休斯等世界著名服务公司的技术服务费用大约为每天10万元左右,人员、进尺费用另算。而且,这些外国公司只提供技术服务,不出售产品,甚至在作业时连参观也不允许。
  发现偏差,自动纠正。这样一个简单的技术动作,要在高温、高压的地层深处,处于高速运转、强震冲击的极端恶劣环境中完成,真是难于上青天!
  仿制,不是没有尝试。我国的科研人员曾经借鉴国外先进的自动垂钻技术原理,设计出类似的钻井工具,但一个小小的橡胶轴承都成为我们不可逾越的障碍。由于相关零部件国外封锁,国内制造技术和材料不过关,我们连仿制都无路可走。
  创新,从源头开始。这是我们“无奈”而必须的选择。由此,我国的自动垂钻技术比国际通用术语多出一个定语:捷联式。
  捷联式自动垂直钻井技术的研发,不仅使我国成为世界上第四个掌握这一核心钻井技术的国家,也开辟了钻井技术的一个新领域。
  “立足于国内技术基础,选择全新的技术路线,从源头上创新。”胜利油田首席高级专家、胜利石油工程有限公司副总经理、钻井院院长韩来聚说。为此,他带领课题组苦苦论证了半年之久。后来的实践证明,这是一个正确的选择,也是一个艰苦的选择。
  集成:多学科攻关
  4月中旬的黄河三角洲乍暖还寒。记者再次来到矗立在一片青青麦地上的胜利油田坨181井,由于其第一个应用捷联式自动垂直钻井技术显得卓然而立。
  那是2008年9月22日19点50分,经过一开钻进到364米深处,坨181井下入捷联式自动垂直钻井系统工具后二开开钻。此时,课题组科研人员聚拢在钻机周围。他们历经3年的呕心沥血,虽然在试验室已经千锤百炼,但还是像自己的孩子要迈开脚走路,心提到了嗓子眼。
  到9月25日8点50分钻至井深2053.04米起钻,进尺1689.04米,累计纯钻时间为41.79小时,平均机械钻速为每小时40.43米,成功实现钻进模式与纠斜模式的正常转换,初步验证了技术系统的可行性、稳定性和可靠性。
  初试合格,这只是万里长征走完了第一步。在整个研发过程中,科研人员进行了上百次的设计更改和几十次的关键单元室内模拟实验,相继在19口井上成功完成25井次的工程化应用试验,累计进尺7200多米,井下纯钻时间2000多小时,井斜控制精度在0.1度以内。
  静卧在胜利钻井院试验室里的捷联式自动垂直钻井工具,粗不过30厘米,长不过六七米,却能够在地层深处自动测量位置和角度,自行发电,自动纠正钻进偏角,让钻头长驱直入找到藏油区。宣页1井原先采用多种传统防斜钻具组合,均以失败告终。下入自动垂直钻井工具后,不仅完全控制井斜,而且机械钻速提高196%。为此,中石化华东分公司发来贺电,称赞胜利钻井院研发的捷联式自动垂直系统为高陡构造、大倾角地区钻井施工提供了防斜打快的利器。
  在国家863计划的支持下,课题组先后研制成功捷联式稳定平台装置、捷联式数学模型及其软件技术、大功率井下涡轮发电机技术并且输出功率达到1千瓦、低速大扭矩井下力矩电机技术、防斜执行机构高可靠性技术和垂直钻井测试试验台架,并且成功研发出基于旋转基座的伺服控制技术,开发出2套自动垂钻井下工具样机。
  捷联式自动垂直钻井技术的研发,集中体现了当代工程技术集成创新的时代特征。在宏观层面,它集中了胜利油田、中国石油大学和中国航天科技集团在该领域的优势力量,产学研联合攻关。在课题主要承担单位胜利钻井院,则组织了测控技术、钻井工具和钻井工艺三个研究所的科研团队。课题组的核心科研人员分别具有钻井工程、机电一体化、自动控制和计算机技术等不同专业背景。
  国企:研发新优势
  国家行为,这是记者在采访捷联式垂直钻井技术研发过程中的直观感受。如此大规模、高风险、长时间而且关乎国家石油战略的关键技术,也只有国家持续立项支持,由像胜利油田这样的大型国企方能承担。
  作为课题组骨干,教授级高级工程师吕官云8个年头心无旁骛,就研究这一个项目,胜利油田或研究院的其它科研生产任务再重再急也从未被“抓差”。两鬓的白发,是他8年来倾心这一研究课题的明证。
  33岁的王义峰,再有一个月孩子就该满半岁了。他说,有时候看似极普通的一个小问题就能让你琢磨研究几个月,一个又一个问题,一年又一年,结婚生孩子的事真的会忘记。
  2004年硕士一毕业就进入课题组的孙峰,在出差途中抽空接受记者的采访。他只字不提自己的辛苦、自己的贡献,一心想着怎么把这项技术尽快地转化应用。
  还有课题组的其他科研人员,在接受记者采访时有一个共同的心声:没有国家支持,要完成这样一项科研任务是不可能的。是的,且不说巨额的科研经费,稳定的科研环境,就是一次简单的钻井实验,没有中石化集团和胜利油田安排都不可能完成。
  到目前,捷联式自动垂直钻井技术的研发已经获得国家发明专利5项、实用新型专利8项,形成15项专有技术,发表科研论文20余篇,制订企业标准1项。
  经过“十五”“十一五”攻关,捷联式自动垂直钻井技术由立项前的地面试验样机发展为工程样机,性能得到大幅提升,初步实现了产业化,具备了每年10套的小规模批量生产能力,并先后在胜利油田、川东北及新疆等油田应用11口井,累计进尺3831米。2012年又应用8口井,累计进尺3402米。
  “像自动垂直钻井系统这样的前沿关键技术,国外对我们完全封锁。你没有时,他们靠技术优势攫取超额利润;你研发技术后,他们会降价压缩你的生存空间。”曾成功组织多项国家“863”课题攻关的韩来聚感慨地向记者介绍了他近30年从事科研工作的体会。他说:“目前,我们正在着手大规模的产业化推广应用,计划利用2—3年时间,完成17″、121/4″和81/2″不同规格系列工具,为实现高陡构造地层和深井垂直钻探,加快我国西部石油资源的开发发挥更大作用。”

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