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百篇科普系列（87） * }. Z l7 i0 y8 H
中国深海导向钻井和自动测井技术
0 S; j3 L! A6 e" Z# c! ^ 徐长发，华中科技大学，2020.5.1.
5 B+ l; S0 b& R7 m2 n) N- ] 通常，人们把钻井采油想得都较简单，不就是把钻头死钻到要求程度吗？其实钻井采油过程很复杂，有很多困难。例如垂直下钻，如何让钻头顺利地向下，如何把下面的地质样本取出来分析，如何防止井喷？特别是需要钻头、钻杆拐弯才能到达“靶点”，如何导向钻井，如何把不同的位置联通起来？再特殊一点，在深海钻井，从水面向下要钻井几千上万米深，如何定位，如何导向，如何地上地下的信息传递，如何防水，如何防止井喷？( X; `1 t' h4 V4 A
我国在20世纪90年代突破了深海钻井技术，特别是深海“旋转式导向钻井技术”和“深海钻探测井技术”世界领先。! a+ O* f$ }: ?5 G. X1 A
所谓导向钻井，就是人为地改变钻井的方向后达到靶点。就像下图所示的那样，钻头有时需要在适宜的地层中前进，有时需要把多个油气层联通起来。
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要在深海实现导向钻井，至少需要解决以下几个问题：1.边钻进，边测量，边控制的问题。2.钻探过程中传递控制信息的问题。3.钻杆可拐弯的问题。4.隔水钻探的问题。# E3 {6 k' K1 s) N# d/ L. b
一．导向钻井技术1 J' m# P% \5 L* R3 D: U
为了实现钻井能够改变方向，要设计一个“钻舰”，它里面装有掘进钻头，导向装置，信息交换装置等等。
+ |1 s3 M0 W0 }! }& [ 边旋转掘进边导向的“钻舰”形式有2种。
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S' x4 K* C' b/ g6 [4 C. } 第一种，钻舰自身带有掘进钻头，在前面另装有导向头，用于控制的机械器件和电子器件都装在钻舰内部。
# _2 R' a, Z7 T5 Q9 T; A' w/ ^6 L 钻艇以某个速度旋转前进时，其内部另有伺服电机以同样的速度反方向旋转导向头，使得导向头始终保持目标指向。
/ M/ H- |4 A* }9 g0 e 这种导向旋转掘进的特点是：导向自如，扭转自如，长度自如，而且钻速高、成本低、建井周期短、井眼轨迹平滑，是现代导向钻井技术的发展方向。
- }, i* A# h( B* E! ]. I, B' |( @ 第二种，钻舰自身只有一个掘进钻头，在钻舰中部装有偏心环和相应的机电装置。这种导向旋转掘进的特点是拐弯不够灵活。 信息传输技术钻舰有很多信息要与地面互通。例如，钻头抵达的位置信息和地质信息，钻头的导向信息等。这些信息如何与地面传递呢？ 7 E- I) Z% {) c. A6 M1 p, C
办法1.用绝缘电缆（导线、光缆）实现地面和地下的双向通信
7 G+ c; ]2 A: }" K 该方法的优点是：实时性好，传输效率高，可直接向井下供电。缺点是：深度钻井时要把若干短杆连接起来，杆内设置导线，杆的接口处要衔接良好，这样对杆的设计带来较高的要求，成本高。据说我国在深海钻井中没有实施该方法。
& m0 C ^* X+ C' L/ U/ } 办法2.用钻杆振动传输信号
& `/ |' S5 B& I& R) X3 S+ t 振动钻杆，振动波一直传到钻舰中，按编码解码去控制钻舰的前进方向。该方法的优点是：结构简单，成本低。 \% O: x1 }3 M9 U, `, v
振动传输有特殊性：（1）钻杆所产生的噪声在钻杆接头处会产生反射、干涉，这些振动波与控制波混合在一起，会降低有效信号的分辨率；这就要求具有分离有效信号的技术。（2）声波传输衰减快，这就要求间隔400-500米就要增设信号放大装置。（3）声波传输的信息量小，不适宜深井钻探。据说我国在深海钻井中没有应用该方法。 5 d- o. ^6 ~! f' t" S2 O7 |) s* G
办法3.电磁波传输信号
2 q7 y8 R6 n! N! ]1 [/ D! D 在钻舰中设置电磁信号的接受和发射装置，使用长波，用地层做传输介质。 5 `. L% b) |0 x$ t1 X
优点：传输速度快，数据量大，对泥浆的质量、流量、压力要求不高。
0 }% ~2 t. s- @, |( b' h 缺点：电磁波衰减严重，只能传输低频信号；会受到井场电气设备和地层衰减的影响，这就要求较强的信号强度。 * [. H# c! p) K, O& v
据说对于这个方法，俄罗斯的技术领先，完全能够满足工业要求，我国尚在研究和实验中。 / A: J+ P0 n/ @% U
办法4.泥浆液体脉冲传输信号 & u# a& ~9 s- L& H) c
在深海钻井中，钻杆是空心的，用于注入泥浆，泥浆在钻头的孔洞喷出，泥浆随带着钻渣碎片在密封的套管中被吸出并返回地面。 + i! u* ?" M7 H8 n9 o- T0 U
钻井在正常循环的过程中，钻井的泥浆排量和压力是稳定的，如果在地面或者井下合适的位置安排一个旁通阀，旁通掉一部分泥浆，引起井下泥浆压力变小，井下的钻舰会检测到这种压力变化，这样就可以按照编码、解码传递信息。同样的，也可以在井口对循环泥浆施加压力的脉冲去传递信息。
8 H$ |, b) `" V: I; p; c: w 优点：仅用钻井泥浆传送压力信息，对钻井工艺没有特殊的要求和限制，受环境影响小，也便于计算机操作，是目前传递信息的主体方法。
; c% A, S5 i: Z) t$ E" t. @( X h 缺点：钻井泥浆传输信息的速度较慢，负压传递的速度约为10-12bit/s，增压传递的速度约为5bit/s。
3 V: o3 O4 u5 M: l 国外一般采用负压泥浆传输信息。我国一般采用增压泥浆传输信息。 ) C' |2 `$ ]9 @
三. 钻杆材料有特殊要求
7 Q+ i' x% K" _/ i* b4 p 总的来说，由于深海导向钻井的特点，对钻杆材料性能要求较多：（1）致
2 H W7 H$ b+ p5 ]; P 密度要高，不能出现细小的孔洞，（2）柔韧性要好，能够适应大角度拐弯钻进； 具有超高的抗疲劳强度和较长的使用寿命；（4）抗腐蚀要求强烈，对于酸性油气田要抗酸性腐蚀，对于海水要抗碱性腐蚀。我国能够自己制造出适合深海钻井需要的合金钢材。 " t- G0 Y" k$ i6 T
值得一提的是，国际上在研究一直炭纤维复合材料钻杆，它的杆身用碳纤维复合材料，杆头用合金钢。这种钻杆的各方面性能都很优秀，就是成本有点高。 m- l% C2 Y% U
四．我国旋转导向钻井和自动测井技术世界领先 9 A, b5 N/ i, h; n; K/ t
我国自行设计和制造的，旋转导向钻井和自动测井系统，使用效果好，优点多，技术领先世界。 c+ M! G$ W* k F Z8 T# @1 J
我国设计的钻舰中的测量工具可以测量出钻头的几何参数，如井斜、方位、地层密度，这些数值传给地上的控制系统；地面上可以快速检测钻渣的放射性含量，确定地层深度和岩性；控制系统把这些数值综合起来，可以提前预测和识别油气层，并根据需要调整井眼轨迹，引导钻头准确钻达油气富集区域。 ( A* h/ y! Z2 |3 R
我国的设计的旋转导向钻井灵活方便，钻井速度快。 # Q0 V+ l+ h( X, c$ u4 l
旋转导向钻井和自动测井结合在一起具有多方面的优点，就像“贪吃蛇”一样挖掘地下通道，十分灵活方便。可极大提升作业效率、降低工程风险，是进行超深水、水平井、大位移井等高难度定向井作业的“撒手锏”。 . p9 N1 G+ o9 Z6 b* }
我国的这套钻井系统，第一次在渤海试钻，就成功命中1613.8米、2023.28米和2179.33米三处靶点，最大井斜49.8°，最小靶心距2.1米，充分证明两套系统具备了深海的作业能力。
* D4 u' T: a- i0 S 我国现在已经把这些高效率深海钻井平台布置在南海中。预测未来，我国不仅要加大南海的油气开发力度，还要用我国的这套深海钻井设备到国际上大展身手。
, K5 g7 a w2 z' c+ P( H% e: }. R 这种高深度、导向式、旋转掘进技术和自动探测井技术，也可以用于陆地的“蜂窝状油田”的开采，可用于“多层状油田”的开采，可用于“油田水压开采”，可用于“页岩油水压裂开采”，可用于越过江湖底部去铺设管道和电缆，也可以越过大楼底部去铺设管道和电缆，总之其应用场景很多。
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