贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

出品:科普中国制作:寒木钓萌监制:中国科学院计算机网络信息中心图片来自Clive Rayton 来自《中国海洋石油报》的报道称,中海油服研发的“贪食蛇”钻井系统…

出品:科普中国

制作:寒木钓萌

监制:中国科学院计算机网络信息中心

贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

图片来自Clive Rayton

来自《中国海洋石油报》的报道称,中海油服研发的“贪食蛇”钻井系统作业量上升200%。而我们的问题是,“贪食蛇”钻井技术是什么?神奇在哪里?

贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

动图

在不少人的印象中,石油钻井就是直直地往下打一个洞……

然而现实中,“洞”的种类可谓是五花八门,比如丛式井、大位移井、水平井、分支井等等。

贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

图为水平井

贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

图为分支水平井

贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

图为大位移井

上面这些井的共同点是,它们在地下的路径是弯的。

上世纪20年代末,人们意外地发现,一口新钻的井将稍远处一口老井的井套给钻穿了,这是大事故……

因此,如何将一口井在垂直方向上打得直直的,这也是很需要技术的,一不小心,井就在地层中变弯了。

而现在,人们需要钻头在地下上千米处像贪食蛇一样,按照指定的方向弯曲前进,其难度就更大了——这就是定向钻井技术。

定向钻井在技术上充满挑战,但同时,其诱惑也大得惊人,让我们来看一些例子。

例子一:

贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

如上图所示,海上有三个石油钻井平台,它们共同开采海下的油气资源。而我明知道,在海上搭建钻井平台是相当昂贵的,可是假如,钻头能在地层中像“巡航导弹”一样,可在远距离内准确命中油藏,那么,搭建一个钻井平台就够了,如下面的动图:

贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

动图

例子二:

打直井当然是省时又省力,但很多时候它并不省钱。

贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

如上图,根据勘探,确定距离海岸不远处的海底下有油气藏,如果打直井,就需要在海面上搭建钻井平台,可如果能让钻头在地层中按指定方向前进,并准确击中油藏,那么,在陆地钻井就可以了。

例子三:

勘探人员确定,某城市人民广场下方有一块油藏,但问题是,你不能在人民广场上打井,大妈们必然不答应。

又比如,某座大山正中央的下方有一处油藏,可如果你从山顶上垂直打井,那显然是傻透了。此时,最好的方法是利用定向钻井技术,在山脚旁打井,然后钻头歪过去即可。

定向钻井还有很多的优势,这里就不再举例了。咱们来说说,它可能的一个“坏处”——方便偷油。

英文版维基百科上的资料显示,1990年,伊拉克指责科威特在两国边界处通过定向钻井,窃取了伊拉克大量石油。不过目前这只是一个指责而已,并无证据,因为随后,伊拉克就被美国干翻了,这就是海湾战争。

如上,定向钻井就是有这么多好处,所以,其技术发展较早,且迭代也快,就像CPU一样,目前已经发展到第四代,也就是“贪食蛇”钻井系统。

第一代始于20世纪30年代。

而最新的一代,也就是第四代始于20世纪90年代末。

为了对比,咱们略微说一下第一代。早期,为了让钻头在地层中转向,石油开采公司使用的是“斜向器”。

贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

第①步,在洞中某处,先用东西卡住。第②步,放入黄色的斜向器。

贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

第③步,放入钻头,在斜向器的作用下,钻头转向,打出一个斜孔。第④步,取出斜向器。

动图展示如下:

贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

动图

第一代的技术麻烦得很,需要频繁地安装斜向器,每次安装的时候还需要把整根钻杆取出,费时费力。

第二代和第三代不介绍了,咱们直接看第四代。

贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

动图

如上,使用第四代技术时,钻头就像贪食蛇一样,在上千米深的地层中不断击中油藏。它是怎么实现的呢?两种方式:

第一种叫做“指引钻头式”。

贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

钻头后方,绿色箭头所指处,有一个很巧妙的环,这个环可以控制钻头的指向。

贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

动图

如上面动图,当钻杆跑到环的上方时,钻头就斜向下钻。同理,钻杆位于环的底部,钻头就往上钻,位于环的右边,就往左钻……

第二种叫做“侧推钻头式”。

贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

其钻头后方有支撑块,间隔120度有一个,共3个。平时,支撑块是缩进去的。若需要钻头斜向下走时,顶部的支撑块就伸出来。

贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

动图

其原理不难理解,想象一下,两堵相距1米的高墙把一小偷夹在中间,他在墙缝中狂跑,因为后面有狗在追,突然,小偷向右侧伸出右手,然后小偷就撞死了。

这就是代表最顶尖技术的第四代“贪食蛇”钻井系统,学名“随钻测井及旋转导向钻井系统”。

所谓的“随钻测井”,就是一边往前钻,一边测量地层岩石的各项参数,并实时传送到地面,工作人员处理后从而指导钻头的走向。测量方式有声波、电阻、中子和伽马射线等。

几千米深的地层中,高温高压,如此严酷的环境下,还要在钻杆上安装cpu和各种探测元件,因此,“随钻测井及旋转导向钻井系统”并非单一的某门技术,它是材料科学、控制科学、核科学等大量学科融合后的结晶。

贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

如果一口井的水平位移是它垂直深度的2倍或者2倍以上,那么这样的井就叫做“大位移井”。

当“贪食蛇”钻井系统出现后,人类打的大位移井中,水平位移这才首次超过10公里。我们都知道圆面积公式,π乘以半径的平方。所以,一口大位移井理论上能控制314平方公里范围内的油藏,当然,这只是理论上。

但不管怎样,相比以前来说,“贪食蛇”钻井系统对油气藏的控制范围可提高4到5倍,单井的采收率提高2至3倍,最大可节约一半时间。

正因此,“贪食蛇”钻井系统被人们誉为钻井技术皇冠上的明珠。2015年之前,这项技术一直被美国几家公司垄断,中国只能租用。而现在,我们也有了,正慢慢赶上来。

注:“中海油服”隶属于中国海洋石油总公司。

贪吃蛇钻井技术,何以成为地层里的“巡航导弹”?

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