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10月下旬，第二十二屆全國探礦工程（巖土鉆掘工程）學(xué)術(shù)交流年會在山東威海舉行。中國科學(xué)院院士高德利作了題為“超深鉆采工程技術(shù)與裝備創(chuàng)新發(fā)展”的主旨報告。此前，他在“科學(xué)與中國”20周年大會暨“千名院士·千場科普”行動啟動儀式上作了題為“定向鉆井與油氣田高效綠色開發(fā)”的科普報告，介紹了油氣鉆采工程領(lǐng)域定向鉆井技術(shù)及其在油氣田高效綠色開發(fā)工程中的成功應(yīng)用。在報告中，他表示：“能源很重要。可以說，當(dāng)今社會如果沒有能源，則幾乎一切都要停擺。”

近日，科技日報記者專訪了高德利，聽他講述科學(xué)家克服“入地?zé)o門”難題，巧用計“定向鉆進(jìn)”的故事。

高德利院士　田晶娟繪

人物檔案

高德利，中國科學(xué)院院士，油氣鉆探與開采專家。現(xiàn)任中國石油大學(xué)（北京）石油與天然氣工程國家重點學(xué)科負(fù)責(zé)人、石油工程教育部重點實驗室主任、校學(xué)術(shù)委員會主任等。長期從事油氣工程領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作，在復(fù)雜油氣井工程方面取得了重要研究成果。研究成果在陸上和海上油氣田有顯著應(yīng)用實效。

   定向鉆井技術(shù)助力油氣高效綠色發(fā)展

記者：您在前不久的“千名院士·千場科普”首場報告會上作了關(guān)于定向鉆井技術(shù)的科普報告。定向鉆井技術(shù)是什么，具有哪些特點？

高德利：所謂定向鉆井，就是控制鉆頭按照設(shè)計軌道或地質(zhì)導(dǎo)向破巖鉆進(jìn)，力求安全高效鉆達(dá)地下的預(yù)定目標(biāo)，是現(xiàn)代油氣田高效綠色開發(fā)不可或缺的主體技術(shù)之一。

最初人們只能打簡單的直井，后來隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，按照預(yù)定軌道鉆進(jìn)的定向鉆井技術(shù)應(yīng)運而生。通過定向鉆井，可以基于同一個作業(yè)平臺有效擴大油氣田的開發(fā)控制半徑及泄流面積。這既有利于提高油氣田的綜合開發(fā)效益及最終采收率，也有利于降本增效、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約作業(yè)場地等。

實際上，定向鉆井技術(shù)應(yīng)用很廣。除油氣開采外，這一技術(shù)還在資源環(huán)境和工程建設(shè)中具有廣泛的用途。比如城市建設(shè)中的非開挖工程就需要使用定向鉆井技術(shù)，盾構(gòu)機或挖掘機在隧道工程中的作業(yè)也類似于定向鉆井。

定向鉆井具有實時測控難的技術(shù)特點。通過定向鉆井形成的三維井眼軌跡深入地層之中，看不見、摸不著。地下工況往往很復(fù)雜，定向鉆井不僅要在漆黑一團(tuán)的地質(zhì)環(huán)境中作業(yè)，而且還會在鉆進(jìn)過程中遇到不少阻礙。另外，定向鉆井是在鉆頭破碎巖石的過程中控制鉆進(jìn)方向并形成三維井眼軌跡的，其控制難度很大。

定向鉆井的另一個特點是通過隨鉆測量來確定其鉆進(jìn)方向。由于定向鉆井需要在地層中定向鉆進(jìn)，因此相比于在地面和空中作業(yè)，定向鉆井工程信息化難度要大得多。這背后的原因很簡單——電磁波在地面和空中的傳播效果都很好，而一旦進(jìn)入地層就不靈了，地層強大的傳播阻力會使電磁波很快衰減成微弱信號。直到現(xiàn)在，這仍然是困擾隨鉆測量數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)闹卮笃款i技術(shù)問題，也導(dǎo)致定向鉆井在隨鉆測控方面遇到不少難以回避的困難。

記者：為什么一定要發(fā)展定向鉆井技術(shù)，它在促進(jìn)油氣田高效綠色開發(fā)方面是怎樣發(fā)揮作用的？

高德利：以往的直井控制的油氣儲層面積很小，夠不著遠(yuǎn)處的油氣。而使用定向鉆井技術(shù)可以建設(shè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井與叢式井。其中，叢式水平井就像樹叢一樣，通過一個平臺布設(shè)多口水平井。這樣可使一個平臺控制的地下儲層面積更大，從而有利于降本增效、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約作業(yè)場地等。

如果待開采的油氣藏位于生態(tài)保護(hù)區(qū)或其他特殊區(qū)域內(nèi)，還可以采用大位移定向鉆井技術(shù)，做到保護(hù)與開采兩不誤。例如，在灘海、湖泊、山區(qū)等復(fù)雜區(qū)域，可以發(fā)揮大位移定向鉆井的獨特作用，有效實現(xiàn)“水域油氣陸地開采”、山區(qū)頁巖氣高效綠色開發(fā)等目標(biāo)。定向鉆井技術(shù)還成功地應(yīng)用于地?zé)帷Ⅺ}礦、堿礦及其他相關(guān)礦產(chǎn)資源的高效綠色開發(fā)工程。

記者：當(dāng)前國際定向鉆井技術(shù)發(fā)展到了什么階段，我國定向鉆井技術(shù)在這一領(lǐng)域處于什么水平？

高德利：井眼軌跡控制作為定向鉆井控制技術(shù)的核心內(nèi)容，已經(jīng)歷了4次技術(shù)迭代與升級。

第一代定向控制技術(shù)利用一些特殊的工具和技術(shù)措施來控制井眼軌跡，主要方法是通過改變鉆具組合或使用造斜器來改變工具軸線與井眼軸線的偏離程度。這種方式只能實現(xiàn)簡單的定向控制，井斜方位控制能力不足。第二代定向控制技術(shù)以渦輪鉆具、螺桿鉆具、測斜儀等工具為代表。第三代定向控制技術(shù)是以隨鉆測量工具和井下帶彎接頭動力鉆具或彎外殼螺桿鉆具為代表，定向鉆井軌跡測量精度大幅度提高，并且實現(xiàn)了隨鉆定向控制。目前，第三代技術(shù)是定向井、水平井及叢式井定向鉆井軌跡控制的主流技術(shù)。

第四代定向控制技術(shù)工具的典型代表是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。這是一種可以在鉆柱旋轉(zhuǎn)時實時控制井眼軌跡的導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，類似于航空航天領(lǐng)域的導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)，可以自動控制鉆頭，使其在地下油氣儲層中穿行。與常規(guī)定向控制工具相比，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)在軌跡控制精度、鉆井時效、井身質(zhì)量等方面具有明顯優(yōu)勢，是現(xiàn)代定向鉆井技術(shù)的發(fā)展方向。

國外也很重視這一技術(shù)，美國的斯倫貝謝、貝克休斯、哈里伯頓等著名技術(shù)服務(wù)公司的相關(guān)產(chǎn)品代表了這一技術(shù)領(lǐng)域的國際領(lǐng)先水平。我國在這一技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，從20世紀(jì)80年代開始跟蹤研究，在“十二五”期間取得了長足進(jìn)步，目前國內(nèi)多家單位已成功研制了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。

當(dāng)然，無論是國內(nèi)還是國外，在提高定向鉆井技術(shù)水平上仍存在一些瓶頸問題，比如隨鉆測量儀器的測量精度、耐高溫高壓能力等技術(shù)指標(biāo)仍需進(jìn)一步提高。