2006 年诞生的中国首台 CGDS-I近钻头地质导向钻井系统，被喻为“给钻头装上眼睛和鼻子，让钻头闻着油味儿走”。如今，该系统在中国辽河、四川、冀东、大庆、吉林、江汉、江苏和浙江等油田的推广应用中取得了良好效果，并已走出国门。我国地质导向钻井技术的下一步发展方向是什么，未来钻井技术如何从井下工具、钻头技术上突破与创新？就此问题，本刊特别专访了“CGDS-I”钻井系统研究项目的项目长、中国工程院院士苏义脑教授。

 

给钻头装上“显微镜”和“望远镜”

 

 

石油与装备：苏院士，您主持研制的“CGDS-I”钻井系统被称为“嗅着油味儿的“航地导弹”，近两年推广应用情况如何？与同类产品相比，它有哪些特点？

 

苏义脑院士：2011 年至 2013 年，“CGDS-I”钻井系统在大庆、吉林油田被重点应用。据统计，截止 2013 年10 月初，总共应用了 32 口井（大庆23 口、吉林 9 口），均取得很好的效果。应用的井都是“最难啃”的井，油层很薄，钻井难度很大，但应用中这个系统总体表现出色。2011 年 11 月份，“CGDS-I”钻井系统在大庆油田第一口井的应用情况是：自 2011 年 11 月 25 日晚上 22:00入井，至 12 月 9 日凌晨 23:00 完钻，系统一次入井完成了着陆和水平段钻进任务，历时 14 天，总计 337 小时，纯钻进时间 91.5 小时，完钻井深 2,364 米，水平段累计进尺 799 米，寻找并钻遇油层 166 米，油层最薄仅有 0.47 米，最厚处不足 1 米，油层钻遇率 100%。所谓“钻遇率”，其概念是：在储层钻进中，实际钻遇储层的进尺与含油（气）井段长度的百分比。假如 100米的油层，你钻到了 80 米，找到了 80米油层，就是 80%，你找到 100 米，就是 100%。目前业内在钻遇率的说法还有出入，主要是理解不同，其中一种算法是，实际钻遇储层的进尺与井段长度的百分比。这就暗含了一个前提，即肯定所钻井段必然都是油气储层，其实往往不是这样，因为在复杂地质条件下，油气储层可能会间断，真正的储层可能并不连续。作为对比，油田方提供了同属外围区块的另一口水平井——肇 41- 平 20井的情况是：采用国外的 LWD 仪器服务，在 400 多米的水平段仅钻遇油层不足 3 米，对比结果表明了 CGDS 系统的技术优势和可靠性。增产效果的统计显示，应用国产地质导向钻井系统所钻的水平井，产液量是用常规 LWD 所钻井的 2.66 倍，产油量是后者的 2 倍，增产效益明显。 两者间为何有这么大差距？国外的随钻测井系统其测量仪器距离钻头有十几米，打井的过程中有可能钻穿油层，而由于该因素将导致信息滞后，若钻出油层短时内难以纠正；而国产的钻井系统测量仪器就在钻头上方 1 米多处，所以能及时、有效地识别钻遇层，所钻的最薄油层约为 0.2 ～ 0.3 米，性能上有大幅提升。目前“CGDS-I”钻井系统也已被国外某公司应用。

 

石油与装备：国产地质导向钻井系统的下一步怎样发展？今后，世界地质导向钻井技术的发展方向是什么？

 

苏义脑院士：下一步的发展方向大致有三方面：一是小型化，将目前的 8寸半井眼、172 毫米外径工具，要发展到 6 寸井眼、120 毫米外径工具；二是提高信号传输速率，即单位时间内传得更快，数据量更多；三是增加一些参数，如多深度电阻率、中子孔隙度等，并提升抗温级别以适应更高井温。钻井系统的首要功能是“给钻头装上显微镜”，我国地质导向技术未来将增加钻进的前探功能。目前世界上只有两家公司掌握这项技术，即斯伦贝谢与中石油。我们增加了钻头电阻率，目前能做到钻头前感知 0.5 ～ 0.7 米，从技术发展的角度看能力还不够，下一步目标是将该功能再提高到几米乃至十几米。还有另一项技术——随钻地震技术，简称 SWD，通俗地说是“给钻头装上望远镜”，国外号称能达到前探 3,000 米，但精度如何尚是另一回事。真正能实现，能达到工程应用水平的，别说上千米，几十米就已经很好了。这是未来的技术发展方向。

 

 井下工具发展要提高控制能力

 

 

石油与装备：我国地面勘探开发装备技术发展很快，相比较，井下工具却是一大短板，并长期困扰着我们。您认为，怎样才能快速改变这种现状？民企的参与程度高吗？

 

苏义脑院士：工作环境不一样，井下工具本身比地面装备难度更大。这是由于井下的特殊环境和条件所决定的，解决要靠多学科配合。要提高设计研发制造水平，给它加上自动控制能力，这就是我二十多年来所做的事情。  我在 1988 年，最早提出了井下控制工程学这一研究的新领域，地质导向技术 CGDS 钻井系统是其中的个案，现在，它已经成为我们研究生培养的一个新二级学科方向。我曾用七个“以”字，概况这个领域的基本特点，后来作为组建研究团队选人的标准，即“以井下为对象，以控制为目标，以力学为基础，以机械为主体，以流体为介质，以计算机为手段，以试验为依托”。我现有的研究团队中，包括钻井、机械、力学、计算机、仪器仪表、放射性和核物理、流体、电子学等人才，体现了学科交叉的特点。不像地面装备，井下工具做小了难，做大了容易。目前电子元器件一般都是从军品里选取，造价很高。井下工具的研究牵涉到很多问题和经验，大的难点包括：一是钻井井眼口径太小，比如用 26 寸钻头开表层，刚开始是直径60 多厘米的井眼，从大到小往下逐级增小。径向尺寸要求苛刻，纵向上深度可达数千米，需要进行遥控或自动控制。二是井下工况复杂，这就要求要解决工具在重载下的强度问题；电子元器件须能承载强振动及强冲击；须解决耐腐蚀问题；要承受高温、高压，需要从电子元器件及材料和设计等多方面攻关。中国的民企与国外企业现状还不一样，不赚钱的情况下，很难保持长期持续的投入。科研攻关主体还得靠国企、央企这样的单位。但民企在技术推广上具有很大作用，比如 1980 年，我参加了中国第一套螺杆钻具的攻关研制，目前国内螺杆钻具的制造厂家有几十家，总产值每年达到 20 亿元以上，大多数厂家是民企。我对这样的技术推广效果很满意。

 

石油与装备：常听到一句话：钻井的第一要务是破岩。钻头的重要性不言而喻。您是钻井领域的权威专家，对钻头上的技术攻关有哪些理解？我国钻头发展上需要做哪些努力？

 

苏义脑院士：权威专家不敢当。老一辈人常说：“钻头不到，油气不冒。”在钻井过程和技术链中，钻头永远处于前沿和核心的位置。钻井的本质就是破岩，其它所有的技术方面，如信息、控制、泥浆等，都在为破岩而服务，首推钻头，不是说要降低其它方面的重要性。只有将所有的技术组成一个整体，发挥作用才是关键。要想搞好钻头：一是须对破岩机理进行理论上的探讨研究与发展创新，比如牙轮钻头主要是冲击，PDC 钻头主要是刮削，现在有把牙轮钻头与 PDC钻头组合起来形成一种新钻头。在破岩机理和方式上，应该研究哪一种更适合具体的地层。二是要在钻头结构上做文章，包括个性化钻头研发。三是材料研究与攻关上要支持。四是工艺参数上要科学配合。对钻头的研究永远是钻井的主题。在塔里木，一个牙轮加 PDC 的复合钻头，单个钻头价格高达 180 万元，尽管贵但节省了 20% 的钻井成本费用，且耐用、不用起下钻等，提高了钻探效率，减少了事故。最近，我们组织讨论评选“2013年国外石油科技十大科技进展”。其中，就将钻头材料列为钻井专业的第二大重要选项。目前我国在这个领域还差得较远。比如在超硬材料领域，国外广泛应用脱钴技术，大幅度提高了脱钴净度和脱钴深度，脱钴深度已达到 0.5 ~0.6毫米，而国内技术只能到 0.1 毫米。应该说，我国钻头研制取得了重大进步，但与世界先进水平相比，还有一定差距，目前我们仍然主要在走仿制和跟踪的路子，自主创新特别是原创性的技术少。另外，钻头研制与国家在材料科学技术的基础研究水平密切相关。 中石油钻井工程重点实验室在东北石油大学成立了一个新的重点研究室，定位为高效破岩技术。成立时我送给他们十个字：“究破岩机理，做钻井尖兵”。理论研究工作是技术创新的源头，若不做原创性研究，就永远无法赶上国外，更谈不上超越。

 

石油与装备：对井下工具来说，控制技术的应用很重要。相对于“上天”技术，您怎样看待“入地”技术？

 

苏义脑院士：控制技术进入钻井领域，是一项大的技术进步。过去，钻井比较被动，基本没有现代意义上的控制技术。今天发展到主动控制，与航天科技理念一样，目标是形成闭环控制。我一直提倡用手段去解决问题，而不单是靠所谓理论。如航天器的运行，一点不偏离设计是不可能的，发生偏离很正常，偏离了就用控制手段及时纠正过来，体现了工程的根本。控制并不神秘，存在于世界上任何一个地方，包括日常生活，只不过人们没有主动去意识。过去对“机器”的定义有三要素：动力机、工作机、传动机，到了上世纪五十年代以后，有所变化，增加了控制机。走路时，眼睛就是人体上进行测量的传感器。没有闭环，谈不上真正意义的控制。如今，我们在钻井工具上加上这个功能，让它更好的工作。这是技术发展的必然。系统论、信息论加上控制论，一起构成工程技术的组成部分。我不同意“上天容易入地难”的说法，准确的说法应是，“上天入地都不易”。航天技术在高温材料、高速度、重量上要求苛刻。相比之下，航天技术比入地技术有一些优势，一是高空空间大，二是可以应用 GPS 定位技术、无线电磁波技术，而这些技术目前直接用于地下还不行，还要开发相应的特殊专用技术。两者都有自身特点，我们不能说哪个更难。