20 年降“龍”記

文／李泰豫 郭 卉 張 玉 張曉林

中國石化20 年攻關(guān)鉆井“卡脖子”難題，自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)取得突破性進展。

●20年披肝瀝膽，終磨成驚天一劍。攝影/王 福

1 月8 日，一場冬雪降臨山東東營。寒風雖冷，李閃的內(nèi)心卻如火般熾熱：因為成功攻克旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)工具，他將代表研發(fā)團隊上臺領(lǐng)獎。“集體一等功”的獎牌雖輕，卻寓意深厚——它凝結(jié)著研發(fā)團隊20 年的心血，標志著中國石化自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)已取得突破性進展。

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)？這項好似給“鉆地龍”裝上“方向盤”的旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)，曾是國外對我國設限封鎖的領(lǐng)域之一。外國油服公司將其視為“秘密武器”，只租不賣，且按小時收取高昂的服務費用。

中國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、為國爭氣的初心，在一次次挫折與失敗中更加堅毅自信，在不斷追求與探索中變得更加堅定無悔。

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)導向系統(tǒng)連續(xù)工作141 小時，進尺857 米，最大造斜率每30 米6.6 度，順利完成第4 次現(xiàn)場試驗。

“這組數(shù)據(jù)標志著中國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為。

決心：自主研發(fā)才能突破困境

眾所周知，油氣田開發(fā)需要在地下油氣儲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計好的軌道鉆進，直至命中目標“靶點”。

旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)滿足了這種要求。它能夠?qū)崟r控制井下鉆進方向的工具，從而高效精準地實現(xiàn)一趟鉆貫穿目標地層。

早在20 世紀90 年代初，少數(shù)幾家國際知名油服公司就研制出了旋轉(zhuǎn)導向工具，實現(xiàn)了水平鉆井技術(shù)的重大變革。而國內(nèi)許多石油工程專家對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：“我們當時對旋轉(zhuǎn)導向工具原理的了解，相當于‘文盲’水平?！?/p>

20 多年前，韓來聚等人第一次接觸旋轉(zhuǎn)導向工具與隨鉆測量儀，是因為開發(fā)復雜油氣藏的需要。特別是打水平井能增加滲油面積，大幅度提高產(chǎn)量，當時國內(nèi)技術(shù)達不到，不得不請外國人出馬。

“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?！碑敃r人們談論這一新鮮技術(shù)時，像是在聊天方夜譚。同樣覺得天方夜譚的是外國人的要價——日費五六萬美元，只租不賣，還禁止參觀。

“不搞自主研發(fā)，將永遠無法擺脫‘卡脖子’的困境！”韓來聚說。自主研發(fā)旋轉(zhuǎn)導向工具，成為必須且必然的選擇。

初試：心有不甘地改變方向

對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。

作為當時國內(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了當時最先進的動態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導向工具。

1999 年，勝利鉆井院與西安石油大學聯(lián)合立項，旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)前瞻性研究被列入“國家863 計劃”，邁出旋轉(zhuǎn)導向工具研發(fā)的第一步。5 年攻關(guān)，終于研究出了原理樣機，但還未能達到現(xiàn)場應用水平。

2005 年，他們開始與美國一家公司合作，研制出了動態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)工程樣機，并驗證了其功能性。但由于該樣機在動態(tài)測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)化應用。

“盡管沒有成功現(xiàn)場應用，但兩次聯(lián)合研發(fā)過程拓寬了科研人員的思路，提升了科研團隊的專業(yè)能力，積累了大量寶貴的試驗數(shù)據(jù)，為后期旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)的突破奠定了基礎。”韓來聚說。

隨著研究的深入，研發(fā)團隊意識到，旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)是典型的集機、電、液、測、控等多學科于一體的復雜系統(tǒng)，不僅需要各類傳感器測量姿態(tài)參數(shù)、各類軟件處理參數(shù)并進行控制，而且需要足夠的機械強度抵抗井下施工時的高溫高壓和震動沖擊，對材料的性能、機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、機械、液壓、通信、微電子技術(shù)等學科的專業(yè)人才加入研發(fā)團隊。因此，應用電子技術(shù)專業(yè)出身的李閃、工業(yè)自動化專業(yè)出身的楊全進等人加入，并成為團隊的核心人物。

此時，距離1999 年立項已經(jīng)過去10年。信號上傳、大功率電源、中控平臺、載波通信等技術(shù)逐步攻克，但液壓控制、動態(tài)測量精度等核心技術(shù)難題仍未破解。而國際油服公司的靜態(tài)推靠式、動態(tài)推靠式、復合式等旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)日趨完善。中國石油、中國海油等國內(nèi)多家企業(yè)，也開始涉足旋轉(zhuǎn)導向工具研發(fā)。

面對來自國內(nèi)國外的雙重壓力，2013年，時任勝利鉆井院院長的韓來聚做出一個大膽的決定—— 改變攻關(guān)方向，充分利用多年研究積累的技術(shù)基礎，由動態(tài)推靠式改為技術(shù)實現(xiàn)可行性更高的靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導向工具。

“近10 年的心血就這樣付之東流，確實心有不甘！”韓來聚說。他暗暗發(fā)誓，等攻克了靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導向后，再繼續(xù)攻關(guān)動態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導向工具。

堅守：向成功不斷靠近

2013 年，中國石化將旗下石油工程業(yè)務整合重組，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)導向系統(tǒng)工具研發(fā)，成為了石油工程公司領(lǐng)導關(guān)心的重中之重。

正當摩拳擦掌之時，2014 年下半年，隨著國際油價斷崖式下跌，油服行業(yè)量價齊跌，石油工程公司進入市場“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、財力，通過子項目立項等方式撥發(fā)研發(fā)經(jīng)費，確保旋轉(zhuǎn)導向研究持續(xù)進行。

“勝利鉆井院攻克的技術(shù)難題數(shù)不勝數(shù)，其中耗時最長的項目研發(fā)時間也不過10 年。但是，誰都沒想到在第15 個年頭依然沒有攻克旋轉(zhuǎn)導向……”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)導向系統(tǒng)在渤海之濱完成鉆井作業(yè)。這個消息像一顆重磅炸彈，讓韓來聚等人壓力大增。

此時，巴山深處，如火如荼的涪陵頁巖氣勘探開發(fā)更讓韓來聚等人坐立難安。頁巖氣勘探開發(fā)需要1000 米以深的長水平段鉆井。由于地質(zhì)條件復雜，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)導向工具。自己不掌握這項技術(shù)，就得向外國公司求助，哪怕每日高達20 多萬元的服務費用也只能接受。

技術(shù)被外國公司處處封鎖，國內(nèi)同行研發(fā)進展迅猛，如何突圍？必須集中優(yōu)勢，加快攻關(guān)！

為推進旋轉(zhuǎn)導向工具加快研發(fā)，在石油工程公司的強力推動下，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，成立了隨鉆測控中心，以研發(fā)井筒隨鉆測控技術(shù)為目標，瞄準前沿技術(shù)，開啟了邁向自主創(chuàng)新的高端化、國際化道路。

“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？說實話，我當時真沒想那么多，就覺得我們能干成?！崩铋W堅定地說。

47 歲的他，因為旋轉(zhuǎn)導向久攻未克已經(jīng)憔悴了許多。其實，因為這個項目甘守“寂寞”的又何止他一人？

百舸爭流千帆競，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，石油工程公司高層也在緊鑼密鼓地加快推進。“我當時準備了4 套方案，為的就是能盡快啃下旋轉(zhuǎn)導向這塊‘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公司開展了技術(shù)合作。隨鉆測控技術(shù)中心經(jīng)理馬清明采取項目負責制，讓各項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 隨鉆測控平臺的升級，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電氣連接、測量系統(tǒng)精確控制、井下數(shù)據(jù)通信可靠傳輸，以及實時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)導向系統(tǒng)。

2019 年3 月27 日，SINOMACS ATSⅢ型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)下井試驗。在勝利油區(qū)營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)整動作。旋轉(zhuǎn)導向工具累計工作時間114 小時，進尺927 米，軌跡控制精度高，實鉆軌跡與設計軌跡吻合，獲得了甲方的高度認可。

突破：攻克最核心技術(shù)

雖然SINOMACS ATS Ⅲ型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)現(xiàn)場試驗成功了，但李閃知道，真正的成功還遠沒有到來。因為最核心的技術(shù)——旋轉(zhuǎn)導向頭他們還沒有攻克，SINOMACS ATS Ⅲ型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)用的是國外的旋轉(zhuǎn)導向頭。

旋轉(zhuǎn)導向頭是旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的核心單元，是集測量、控制、信號傳輸和能量傳輸技術(shù)于一體的復雜系統(tǒng)。導向頭上的各類傳感器實時采集重力加速度、電壓、電流與轉(zhuǎn)速等信號，通過軟件算法的處理，完成對液壓系統(tǒng)中的電機、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。這涉及電子信息、自動化控制、機械、液壓等各領(lǐng)域的專業(yè)知識，為系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)帶來了巨大挑戰(zhàn)。

為了搞明白它的工作原理，李閃不但自學了電機液壓工作原理、MATLAB 數(shù)據(jù)計算工具等，而且跑到北京航空航天大學甚至出國向?qū)＜艺埥獭?/p>

在與外國公司合作研發(fā)SINOMACS ATS Ⅲ型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的過程中，認識上的盲區(qū)、思路上的死結(jié)，被一點點解開。一通百通，李閃終于悟出了原理。接下來，他和同事們開始對機械、電子和軟件等模塊進行組裝調(diào)試、模擬驗證。

導向頭上集成電路密密麻麻，電機驅(qū)動、大功率電源傳輸和姿態(tài)測量模塊一同工作時，干擾信號錯綜復雜，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 多次各種實驗，歷時近2 年實現(xiàn)了系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

2018 年12 月，中國石化終于自主研發(fā)出第一臺靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)樣機——SINOMACS ATS I 型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)。心心念念近20 年的自主研發(fā)即將夢圓。

2019 年1 月16 日，樣機進行現(xiàn)場試驗。此時，不僅李閃，所有人都異常忐忑。在眾人期待中，樣機徐徐入井。

下井工作后，一組信號很快傳回地面。心電圖般的曲線在電腦屏幕上慢慢劃進。當大家還在屏氣凝神注視屏幕時，李閃心下一沉：“壞了，試驗失?。　?/p>

“當時，只有我知道，正常的信號只傳輸了1 分鐘，再往后的都是錯誤信號?！崩铋W到現(xiàn)在都不愿意回憶當時的過程，“我徹底傻了，好長時間才緩過神來?！?/p>

樣機被拉回實驗室，拆解分析后得知，不光是電路系統(tǒng)，液壓單元、能量傳輸系統(tǒng)都出了故障。重新設計電路系統(tǒng)，結(jié)合SINOMACS ATS Ⅲ型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的技術(shù)指標，對標追標，力求達到或者超越Ⅲ型的功能。主控電路換了3 個版本，測斜電路換了2 個版本。一改再改，又是幾個月過去了。

2019 年10 月29 日晚11 時30 分，第二次現(xiàn)場試驗開始進行。這次，信號穩(wěn)穩(wěn)地傳輸了半個小時。當大家?guī)缀跻詾榭煲晒r，旋轉(zhuǎn)導向工具又“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！因為這次試驗證明，技術(shù)路線是對的，只需要再提高設備的可靠性即可。

回到實驗室拆卸裝置后，李閃的推斷被證實了，只是電源模塊出現(xiàn)了小故障。

在接下來的一個多月里，李閃和同事們在提高設備的穩(wěn)定性上積極下功夫。導向頭單元的近20 個電路板、上百根控制電線全部通過手工焊接完成。通過反復檢驗，確保所有線路在井下高溫、高頻振動的環(huán)境中不松不脫，穩(wěn)定工作。

一個月后，第三次現(xiàn)場試驗在勝利油區(qū)1-2-斜596 井進行。工作52 個小時，鉆進347 米，累計工作時間52 小時，造斜率達到每30 米4.2 度，地面監(jiān)控、雙向通信、隨鉆測量和井下導向控制四大模塊均達到理想效果。

當工具從井下取出時，現(xiàn)場沸騰了！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 井進行試驗。2019 年12 月13日凌晨，開始下放旋轉(zhuǎn)導向工具。13日中午，旋轉(zhuǎn)導向工具未按照預定軌跡行進，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！”馬清明咬牙堅持，“出了問題，我負責！”

在馬清明的堅持下，試驗得以繼續(xù)。李閃親自操作，調(diào)整參數(shù)，全力改變工具鉆進方位。終于，在第二根鉆桿鉆進時，旋轉(zhuǎn)導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安穩(wěn)覺。2019 年12 月19 日凌晨，當?shù)弥樌赉@時，他們并沒有想象中那么激動，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 隊隊長王艷飛等?！霸壑袊谝粋€自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導向工具能在我們井隊試驗成功，我們很驕傲！”

王艷飛給出的“用戶體驗”是：使用旋轉(zhuǎn)導向工具的平均機械鉆速為每小時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、下套管完井作業(yè)提供了便利。

旋轉(zhuǎn)導向工具再次試驗成功，標志著中國石化自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導向工具具備了工業(yè)應用的條件。當被問及今后的打算時，李閃笑著回答：“眼下要加快提升Ⅰ型旋轉(zhuǎn)導向工具的可靠性，盡快研發(fā)出適用于頁巖氣開發(fā)的Ⅱ型工具，讓在四川施工的鉆井隊早日用上咱們自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導向?！?/p>

未來，李閃和他的同事們還有很長的路要走。他們，誓要矢志不渝培育新技術(shù)、新業(yè)務、新動能，堅定不移走出一條自主創(chuàng)新的高端化、國際化道路，全力打造隨鉆測控技術(shù)的中國名片！但是，不論走得多遠，他們都不會忘記20 年前這個夢開始的地方……