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百篇科普系列（87） , Y8 r( u7 z) j( s6 E m
中国深海导向钻井和自动测井技术
7 y/ Z" l! x, w4 b4 T3 M 徐长发，华中科技大学，2020.5.1. 6 l" H% O2 |3 N& R1 l4 s1 M
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？; ^1 r; S: J; a; r- j+ @$ 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。 z' ]5 a0 W: [" W' x7 @6 j) k+ p
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。, S p# D C3 q
一．导向钻井技术
$ h; t. @) C0 }. p: c/ G b 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。: Y" D/ w, U$ j: G1 b4 a" w
边旋转掘进边导向的“钻舰”形式有2种。/ Q2 r* j$ H- n/ O& r8 m, ^) u
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" o% R; x! S c8 O 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。( L% f: d( v8 \, `5 z W8 b
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。 , L/ t( q1 |9 H B8 H
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。) z0 z1 L j' D X! T. {8 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？ , r9 } T! P* D, K# W
办法1.用绝缘电缆（导线、光缆）实现地面和地下的双向通信
\4 H- V0 Y9 ? n. A 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。 1 b2 ], Q7 N6 {3 v
办法2.用钻杆振动传输信号
$ G8 g b- } k8 g. \4 _. H4 _ 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。 ( x2 X3 k+ s& w1 O: _" T- G
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。
# ~% y$ n2 }& y: R5 D+ x 办法3.电磁波传输信号 & ?9 M- T, b# g' ]) }5 P
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。 ' r9 a* n I; O9 p+ i
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。 6 j# a# t; @3 d+ A* o# 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。
! T! w8 a! |( u! g5 w 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。 # n) y; b$ D* i0 w* M
办法4.泥浆液体脉冲传输信号 ) Z/ ?5 Z5 p0 ~) h. Y
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* h/ }' t q4 {6 P. K 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。
1 @# ]. r( [3 i5 T3 O 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。 # k' h1 H! o7 D
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。 ( c1 c# t. D" v* Q6 q1 \% z
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。
' v9 H$ m9 M+ N) h 三. 钻杆材料有特殊要求 - e, n3 i \6 X' T' h5 t
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 3 j }* {4 `7 A2 c' E9 C! N
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$ t- E6 r" ?# `0 o8 n3 X+ Z9 ~
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。 ' J2 w0 a3 V4 X" \( t! [& {+ \
四．我国旋转导向钻井和自动测井技术世界领先
. H& [5 J( e8 \2 ^8 `9 N 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。
0 M% E1 c1 W* |; l; @( L: v 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。
9 ~. g2 b. l. V2 V3 m4 ? 我国的设计的旋转导向钻井灵活方便，钻井速度快。 : S3 z% N) T% E5 z2 @+ I% ?3 |' P
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”。 ' c3 }& v! X( i: b( 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。7 O- F5 ]' L5 F% W1 D! _5 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。. O; N2 d) P1 F2 g; w3 l( f, w
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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