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; `- W+ W0 Z$ }1 _ 百篇科普系列（87） ! o8 |' `# t; u J0 t/ r9 |
中国深海导向钻井和自动测井技术
* y; F2 M6 {/ o& t 徐长发，华中科技大学，2020.5.1. 8 ?! v' Y) ^* L {/ A: Z: t* B
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？
6 U2 A7 R! C" ~- H 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。
1 s0 N$ q8 q: m/ O9 X 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。 0 W9 l( w3 k' E& q# c
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8 X0 O) L. o. g" s- Z 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。
[# J, p& q% ], j+ \( J+ r 一．导向钻井技术
% U* w0 ]; E: _% P" }/ t 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。( `5 N) ~' d% V/ k, } ]" Q
边旋转掘进边导向的“钻舰”形式有2种。' e. o3 R' R* D- M" \8 j6 m
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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。7 r* } i8 g; b" B: [+ Z
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。 . g. C! j+ @# `/ J) B* H- L$ L
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。
" `3 m# s( q7 N7 T4 s 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？ ; D( w% F, B$ X
办法1.用绝缘电缆（导线、光缆）实现地面和地下的双向通信 / l2 S+ P8 s2 w3 s& v d
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。
; u" z- _* W9 R8 [8 Z5 E+ H 办法2.用钻杆振动传输信号 ) j& Q) X: a1 [# 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。
8 \; l- n% E- y( i, S. {/ E 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。 * s; i+ H/ C% y6 _
办法3.电磁波传输信号 / z, c+ g$ Y* B7 {% ^% c: M
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。 - _+ T$ _9 j, O- ~. S
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。
: O! u4 {+ d( q9 x; 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。
# C: Y* u( f% J2 L2 } 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。
$ z, q/ `" I8 i9 V. ]/ N 办法4.泥浆液体脉冲传输信号 . M3 @1 }) B) _1 G: q$ o+ G1 X D1 [
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。 " X1 C/ Z f; i" [6 A3 }, `
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。 ^. b+ A, e5 Q4 V0 j, v# l t
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。
* X( U% Y! c9 X 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。 / Z" o+ s7 I R2 K; J5 q
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。 - u* }+ ~2 n3 O0 Y
三. 钻杆材料有特殊要求
, D9 \' M9 N. t9 q& |) `3 |" ?, \& B 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
7 h% o" k3 y- R2 F9 `% C% u% i9 c 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。
1 M8 k, _' _/ ?- t3 N, c 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。 : u/ n- x; G2 L4 N
四．我国旋转导向钻井和自动测井技术世界领先 ! i, i* @. a) }: N; M9 I; e! [
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。 % o% y4 t' H6 i% r. ]1 ~
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。
: S: Y: W( D8 a% A% t& X2 X 我国的设计的旋转导向钻井灵活方便，钻井速度快。
- j+ E% \# `% H6 a& g7 R" m; @: T! E 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”。
3 C0 I8 @, }; p u% U9 T; ~ 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。
9 ?1 X: J( R& x% Y. ` ?- c 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。5 b4 n- M5 s) J$ G( B, I5 ^6 z# ?7 `. a
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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