中國(guó)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)量位居世界前列。但是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)要用到的高端鉆井裝備，核心技術(shù)一度被國(guó)外公司壟斷。航天科工集團(tuán)與中石油聯(lián)合，用十年時(shí)間破解了這個(gè)難題。高端鉆井裝備從無(wú)到有為何這么難？它的突破，將給我國(guó)的頁(yè)巖氣開(kāi)采帶來(lái)哪些革命性的變化？

　　百億市場(chǎng)迎來(lái)了中國(guó)高端鉆井裝備

　　記者來(lái)到位于四川省三臺(tái)縣的秋林油氣田時(shí)，鉆井隊(duì)的工作人員正在把旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)往鉆井平臺(tái)上吊裝。這套裝備長(zhǎng)11.5米，相當(dāng)于四層樓的高度。

　　航天科工集團(tuán)三院天石和創(chuàng)公司副總經(jīng)理 呂偉：用吊車把儀器吊到井口測(cè)試，測(cè)試完了正常，我們就要入井打鉆了。

　　現(xiàn)場(chǎng)工作人員介紹，這口油氣井設(shè)計(jì)井深是3300米，借助國(guó)產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，這口井從開(kāi)鉆到完鉆只需要20多天。而以前，用傳統(tǒng)設(shè)備打一口這樣的井，需要50天左右?，F(xiàn)在不僅時(shí)間節(jié)省一半，單井成本節(jié)約就超過(guò)了150萬(wàn)元。

　　旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)能夠在地層中任意方向自主行進(jìn)，讓直徑0.2米的鉆頭在不到1米的薄油層中橫向或斜向穩(wěn)定穿行，像聞著“油味”走一樣，為油氣開(kāi)采建立通道。如此智能的背后，是利用了航天器上使用的慣性導(dǎo)航和控制技術(shù)，結(jié)合石油鉆井工程技術(shù)，通過(guò)綜合創(chuàng)新，一舉幫助我國(guó)油氣開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了核心關(guān)鍵技術(shù)的自主可控。

　　近日，國(guó)際市場(chǎng)也傳來(lái)了好消息，用來(lái)自中國(guó)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，白俄羅斯列奇察油田420井順利完鉆。一趟鉆就完成了井深4150米的油井作業(yè)，在當(dāng)?shù)匾鹆瞬恍〉霓Z動(dòng)。至此，國(guó)產(chǎn)高端石油裝備實(shí)現(xiàn)了國(guó)際市場(chǎng)零的突破。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)國(guó)際市場(chǎng)容量每年大約100億元。利用這個(gè)國(guó)產(chǎn)裝備，目前已打井204口。

　　中石油西南油氣田公司副總經(jīng)理 樂(lè)宏：原來(lái)有的井是不可開(kāi)發(fā)的，現(xiàn)在不但可以開(kāi)發(fā)，而且可以高效開(kāi)發(fā)。

　　從不可開(kāi)發(fā)到可開(kāi)發(fā)，差別就在于如今有了自己的國(guó)產(chǎn)高端裝備。頁(yè)巖氣屬于非常規(guī)天然氣，開(kāi)發(fā)難、成本高。中國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)采剛起步時(shí)，外國(guó)油服公司帶來(lái)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，這讓還在用傳統(tǒng)方式打井的中國(guó)石油人羨慕不已：同樣一口井，用國(guó)外設(shè)備打井的時(shí)間，比國(guó)產(chǎn)裝備能快一倍。但是，外國(guó)公司的裝備，只租不賣。

　　中石油西南油氣田公司副總經(jīng)理 樂(lè)宏：他就來(lái)一個(gè)工程師，帶一小段旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的工具，他一天的作業(yè)費(fèi)用是我們這臺(tái)大鉆機(jī)40個(gè)人的隊(duì)伍的運(yùn)行費(fèi)用的4至5倍。

　　中石油川慶鉆采工程技術(shù)研究院副院長(zhǎng) 白璟：我們川渝地區(qū)的地質(zhì)條件非常復(fù)雜，在這個(gè)過(guò)程中他們遇到一點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)就撤，最讓人不能接受的就是，他覺(jué)得風(fēng)險(xiǎn)大了，隨時(shí)發(fā)一個(gè)電子郵件，然后帶人員帶著設(shè)備就撤走。

　　中國(guó)陸域頁(yè)巖氣可采資源為25.1萬(wàn)億立方米。川渝地區(qū)被列為國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)示范區(qū)。但是，租用國(guó)外設(shè)備開(kāi)采費(fèi)用高昂，為了等國(guó)外設(shè)備，一個(gè)工程隊(duì)停鉆等一兩個(gè)月的事情經(jīng)常發(fā)生，最長(zhǎng)一次等了63天，嚴(yán)重影響了開(kāi)采進(jìn)度。自主研發(fā)鉆井效率高的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，迫在眉睫。

　　37次失敗 “入地”難度不亞于“登天”

　　為了攻克高端鉆井裝備的核心技術(shù)難關(guān)，中石油找到了航天科工集團(tuán)合作。但是，令合作雙方?jīng)]想到的是，在神舟飛船和嫦娥系列探測(cè)器上，已經(jīng)用得很成熟的技術(shù)，在解決入地鉆井的難題時(shí)，因?yàn)椤八敛环保苏瓴殴タ肆思夹g(shù)難關(guān)。

　　利用航天慣性導(dǎo)航和控制技術(shù)，研制團(tuán)隊(duì)用三年時(shí)間完成了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的原理樣機(jī)研制。經(jīng)過(guò)多次地面試驗(yàn)，產(chǎn)品性能良好。但首次進(jìn)行井下試驗(yàn)時(shí)，意想不到的事情發(fā)生了。

　　航天科工集團(tuán)三院天石和創(chuàng)公司董事長(zhǎng) 孫全華：我們的樣機(jī)第一次下井一點(diǎn)信號(hào)都沒(méi)有，最后發(fā)現(xiàn)密封有問(wèn)題，整個(gè)儀器從頭到尾全部被泥漿給灌漿了。原來(lái)想井下至少要工作幾十個(gè)小時(shí)才會(huì)出問(wèn)題，結(jié)果連一分鐘都沒(méi)工作就出問(wèn)題了。

　　三年心血，數(shù)百萬(wàn)的投資，一次試驗(yàn)就都?xì)w零了。高溫、高壓、高振動(dòng)，井下工作環(huán)境的惡劣，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了航天人的想象。

　　航天科工集團(tuán)三院天石和創(chuàng)公司總工程師 岳步江：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是很難馴服的一項(xiàng)技術(shù)，我一直把它比喻成一個(gè)孫悟空，它就是既要有識(shí)別油氣的火眼金睛，還需要有能夠把井下跟地面連通的一根金箍棒，它才可以把油氣開(kāi)采上來(lái)。

　　別小看這根直徑只有20多厘米的“金箍棒”，它集成了隨鉆測(cè)量、發(fā)電通訊、中樞控制、導(dǎo)向等八大模塊，近3萬(wàn)個(gè)零部件，相當(dāng)于一臺(tái)井下智能機(jī)器人。

　　中石油川慶鉆探首席專家 陸燈云：它主要是集機(jī)械、電子、液壓、測(cè)量、控制多專業(yè)技術(shù)為一體的一個(gè)智能化工具，每一個(gè)部件的成功與否決定了我們整個(gè)功能性能的可靠性。

　　在航天科工集團(tuán)三院的涿州工業(yè)園，智能生產(chǎn)線上正在加工的，是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的核心部件——加速度計(jì)。

　　航天科工集團(tuán)三院加速度計(jì)副主任設(shè)計(jì)師 吳楠：這個(gè)就相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)上的一個(gè)眼睛，用來(lái)尋找我們所需要的石油的區(qū)塊。

　　加速度計(jì)上的石英擺片，在神舟飛船發(fā)射時(shí)高達(dá)6G的振動(dòng)下，能穩(wěn)定工作。但是，井下試驗(yàn)時(shí)最大振動(dòng)達(dá)到20個(gè)G，擺片瞬間破碎，導(dǎo)致設(shè)備“失明”。

　　如何改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高設(shè)備在井下的防振功能，是航天人要解決的難題之一。他們?cè)谠囼?yàn)過(guò)程中遇到的最棘手的事，是井下無(wú)信號(hào)，導(dǎo)致井上井下失聯(lián)。

　　航天科工集團(tuán)三院天石和創(chuàng)公司儀器部副主任 馬慧斌：我們這些年經(jīng)歷最多的故障現(xiàn)象就是無(wú)信號(hào)，一共是37個(gè)無(wú)信號(hào)造成的試驗(yàn)失敗，所有井下儀器發(fā)生故障的結(jié)果，第一表現(xiàn)就會(huì)是無(wú)信號(hào)。

　　37次失敗，又37次從頭再來(lái)。找到無(wú)信號(hào)的原因、改進(jìn)，再重新用儀器入井驗(yàn)證。在5年多時(shí)間里，中石油和航天三院80多人的聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)一直在重復(fù)這個(gè)過(guò)程。光是斷在井下的鉆鋌都有幾十根。

　　屢戰(zhàn)屢敗，又屢敗屢戰(zhàn)。信號(hào)的難題解決以后，很快系統(tǒng)可靠性問(wèn)題又成了攔路虎：要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，產(chǎn)品需要穩(wěn)定工作200小時(shí)才算及格，但當(dāng)時(shí)的平均工作壽命不到20個(gè)小時(shí)。一晃五年過(guò)去了，此時(shí)，研究經(jīng)費(fèi)已經(jīng)捉襟見(jiàn)肘，如果技術(shù)上再?zèng)]有突破，項(xiàng)目將面臨下馬的命運(yùn)。

　　航天科工集團(tuán)三院天石和創(chuàng)公司儀器部副主任 馬慧斌：不想干了，別干了，是不是真別干了？甚至考慮過(guò)項(xiàng)目下馬的事情。但是真不干了，這也是干了很多年的心血。這個(gè)東西就像自己的孩子，一點(diǎn)一點(diǎn)把它做出來(lái)的。不行了，說(shuō)著說(shuō)著就流眼淚了。

　　國(guó)家支持 鉆井裝備核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主可控

　　研發(fā)人員告訴記者，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)研發(fā)，難就難在工程應(yīng)用。每一口井的地質(zhì)狀況、工程難度都不一樣，而設(shè)備要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，就必須適應(yīng)所有復(fù)雜的地質(zhì)條件。國(guó)內(nèi)先后有十多家單位進(jìn)行過(guò)5到10年的攻關(guān)，絕大多數(shù)都半途而廢了。就在中石油和航天科工的合作項(xiàng)目可能下馬之際，國(guó)家對(duì)高端裝備研制的政策調(diào)整，讓這個(gè)項(xiàng)目絕處逢生。

　　針對(duì)高端裝備制造業(yè)的發(fā)展，國(guó)家近年來(lái)發(fā)布了一系列政策和規(guī)劃，明確指出要加快發(fā)展高端裝備制造業(yè)，推動(dòng)傳統(tǒng)裝備制造業(yè)向中高端邁進(jìn)。

　　在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)研制遇到瓶頸的節(jié)骨眼上，獲得了國(guó)家立項(xiàng)。

　　中石油川慶鉆采工程技術(shù)研究院副院長(zhǎng) 白璟：第一是立項(xiàng)的支持，我讓你繼續(xù)干。第二是經(jīng)費(fèi)上的支持，第三是各種試驗(yàn)條件、驗(yàn)證條件，包括對(duì)于一些特殊的研發(fā)人員的組織的條件，就是對(duì)于研發(fā)團(tuán)隊(duì)而言，你們要什么都可以提出來(lái)，集團(tuán)的科技部門(mén)予以最大能力的協(xié)調(diào)、組織和安排。

　　盡管在攻關(guān)過(guò)程中，又遇到了高溫和造斜率的難題，但是中石油和航天科工集團(tuán)組織了多次院士現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。

　　中石油川慶鉆采工程技術(shù)研究院副院長(zhǎng) 白璟：孫金聲院士提示我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中一定要考慮電控系統(tǒng)的冗余度，后來(lái)我們發(fā)現(xiàn)好多的問(wèn)題都出現(xiàn)在由于井下的特種工況，它帶來(lái)的冗余度設(shè)計(jì)不夠，而出現(xiàn)的故障。

　　根據(jù)專家的建議進(jìn)行改進(jìn)后，裝備的可靠性大幅提高。十年時(shí)間，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)最終以突破6項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的成績(jī)，圓滿通過(guò)了國(guó)家能源局組織的項(xiàng)目驗(yàn)收。

　　就在國(guó)產(chǎn)設(shè)備不斷獲得技術(shù)突破的同時(shí)，國(guó)外公司的設(shè)備，也悄然降價(jià)了。

　　中石油川慶鉆采工程技術(shù)研究院副院長(zhǎng) 白璟：單井的作業(yè)費(fèi)用，從600多萬(wàn)元降到了不到200萬(wàn)元了。

　　目前，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化率實(shí)現(xiàn)了100%，性能整體達(dá)到世界先進(jìn)水平。

　　航天科工集團(tuán)三院天石和創(chuàng)公司董事長(zhǎng) 孫全華：我們想的是不僅僅聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，我們將來(lái)還可以管理創(chuàng)新，機(jī)制創(chuàng)新，這樣把我們的人才、資金、產(chǎn)業(yè)鏈整個(gè)都全部打通，把我們現(xiàn)有產(chǎn)品去更新迭代，將來(lái)研發(fā)更多的高端裝備，去為國(guó)家的能源安全盡我們的一份力。