當(dāng)今世界，能源在社會(huì)經(jīng)濟(jì)中的基礎(chǔ)性地位愈發(fā)重要，而作為能源體系中的兩大支柱，石油和天然氣（以下簡(jiǎn)稱油氣）開(kāi)發(fā)利用的戰(zhàn)略意義不言而喻。
由于能源礦產(chǎn)資源深埋于地下，看不見(jiàn)也摸不著，要發(fā)現(xiàn)、探明和開(kāi)采這類資源，就必須建立一條連接地下與地面的物質(zhì)和信息通道，我們將這種通道稱為“井”。所謂油氣井，就是專門用來(lái)勘探開(kāi)發(fā)地下油氣資源的井。油氣井由直井發(fā)展到定向井、叢式井，再發(fā)展到水平井、大位移井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井等，井型技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，以適應(yīng)不同油氣田高效綠色開(kāi)發(fā)的需求變化。
具體而言，所謂直井，就是要垂直打穿油氣儲(chǔ)層實(shí)現(xiàn)其開(kāi)發(fā)；而定向鉆井則不同，它要求控制鉆頭按照設(shè)計(jì)軌道或地質(zhì)環(huán)境定向破巖鉆進(jìn)，力求安全高效鉆達(dá)地下儲(chǔ)層目標(biāo)。目前，后者已成為油氣田高效綠色開(kāi)發(fā)的主體技術(shù)之一。
通過(guò)實(shí)施定向鉆井或大位移定向鉆井技術(shù)，可以基于同一個(gè)作業(yè)平臺(tái)，有效擴(kuò)大油氣田的開(kāi)發(fā)控制半徑和泄流面積，既有利于提高油氣田的綜合開(kāi)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)約場(chǎng)地等，因此該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注。
定向鉆井技術(shù)的兩大難題
當(dāng)前定向鉆井技術(shù)發(fā)展到什么水平了？
從方向上，我們可以將定向鉆井打出的三維井眼軌跡分為垂直深度和水平位移兩部分。前者是指鉆頭入地后距離井口的垂直深度，后者則是鉆頭入地后偏離井口以下垂直方向（或重力方向）的水平距離。
從統(tǒng)計(jì)數(shù)字來(lái)看，目前人類實(shí)施定向鉆井的最大水平位移超過(guò)了11公里（以正式發(fā)表的論文數(shù)據(jù)為準(zhǔn)），最大垂直深度超過(guò)了12公里，這兩項(xiàng)紀(jì)錄均是在俄羅斯創(chuàng)造的。我國(guó)目前達(dá)到的最大水平位移約為8.2公里，垂直深度超過(guò)了9公里并正在向萬(wàn)米深地進(jìn)軍。
從全球來(lái)看，我們可以打一個(gè)比方。假設(shè)從地表向地球里畫(huà)一個(gè)圓柱體，其長(zhǎng)度和圓半徑均為12公里，那么以人類目前達(dá)到的定向鉆井技術(shù)水平還難以鉆達(dá)觸及到這個(gè)圓柱體一半的空間范圍。然而，12公里其實(shí)僅僅約占地球半徑的0.2%，可以說(shuō)只鉆破了地球的“一層皮”。“上天”很難，其實(shí)“入地”和“下海”也不容易，甚至更難。定向鉆井工藝包括多個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都涉及高端技術(shù)，也需要相適應(yīng)的井下鉆具、隨鉆測(cè)控系統(tǒng)等高端技術(shù)裝備。
以信息化為例，由于定向鉆井需要深入地層中，因此相比于地面和空中而言，定向鉆井的信息化難度要大得多。原因很簡(jiǎn)單——電磁波在地面和空中的傳播都能做到很好，而一旦進(jìn)入地下，地層強(qiáng)大的傳播阻力會(huì)使其很快衰減成微弱信號(hào)。直到現(xiàn)在，這依然是困擾隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)闹卮笃款i技術(shù)問(wèn)題，也導(dǎo)致定向鉆井在隨鉆測(cè)控方面遇到不少困難。
另一方面，要使鉆頭準(zhǔn)確鉆達(dá)預(yù)定的地下目標(biāo)，必須準(zhǔn)確掌握其在地下三維空間中的位置及運(yùn)行軌跡。事實(shí)上，由于鉆出來(lái)的三維井眼軌跡看不到，我們對(duì)于鉆頭運(yùn)行軌跡的控制只能基于測(cè)斜計(jì)算和繪圖，而定向鉆井打得越遠(yuǎn)，這種計(jì)算的累計(jì)誤差就越大。當(dāng)定向鉆井水平位移超過(guò)1000米時(shí)，目前廣泛應(yīng)用的測(cè)斜儀器與計(jì)算方法的累計(jì)誤差橢球半徑可達(dá)近50米。對(duì)于叢式井而言，如果隨鉆測(cè)斜與計(jì)算誤差過(guò)大，相鄰井之間就有相碰的潛在風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，我們不希望這類相碰事件發(fā)生。要知道，建設(shè)一口油氣井的花費(fèi)是巨大的，最昂貴者甚至高達(dá)2億美元，如墨西哥灣超深水領(lǐng)域的深層油氣井。
除了隨鉆測(cè)量比較難之外，我們面臨的技術(shù)難題還包括井眼軌跡控制難，即必須要很好地控制鉆頭的鉆進(jìn)方向，使其朝著設(shè)定的地下目標(biāo)定向鉆進(jìn)。然而，影響鉆頭運(yùn)動(dòng)軌跡的因素比較多，如鉆頭與地層相互作用涉及的相關(guān)矢量就有6個(gè)，要確定并定量表達(dá)代表其真實(shí)鉆進(jìn)方向的特征物理量，就是一個(gè)復(fù)雜的定向鉆井理論問(wèn)題。特別是在三維鉆速方程研究方面，目前全球還難以找到可以推廣應(yīng)用的研究成果，科研人員仍在努力探索之中。
巨大的應(yīng)用價(jià)值
既然定向鉆井如此難以測(cè)控，為什么還要努力攻關(guān)研究呢？
原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)樵摷夹g(shù)有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。比如，在海洋油氣田高效綠色開(kāi)發(fā)方面，定向鉆井就發(fā)揮著不可替代的核心技術(shù)作用。
海洋油氣開(kāi)發(fā)需要搭建海上鉆井平臺(tái)，而搭建一個(gè)平臺(tái)是需要耗費(fèi)巨量資金的。因此，要想使海洋油氣資源商業(yè)開(kāi)發(fā)“不虧錢”，就必須盡最大可能增大單個(gè)鉆井平臺(tái)的油氣資源開(kāi)發(fā)控制范圍和作業(yè)效率。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是要依托一個(gè)鉆井平臺(tái)打出更多的井，以便控制地下更大的油氣儲(chǔ)層面積。
在一個(gè)平臺(tái)上打出多口井，而且各個(gè)井的定向延伸方向不同，這種打井方式被稱為叢式井工程，以定向鉆井作業(yè)為主。以美國(guó)洛杉磯盆地近海叢式井工程為例，其一個(gè)鉆井平臺(tái)可以打出1000多口定向井。我國(guó)海上鉆井中，有75%以上為叢式井鉆井平臺(tái)。例如，我國(guó)在渤海油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，就是大規(guī)模實(shí)施了定向鉆井與叢式井工程，同時(shí)配套“井工廠”作業(yè)模式，創(chuàng)造出海上優(yōu)快鉆井的成功范例，有力支撐了渤海灣近海大油田的高效綠色建設(shè)。
當(dāng)前，我國(guó)海洋油氣資源勘探開(kāi)發(fā)正在向深遠(yuǎn)海進(jìn)軍。在深水海域，由于井口要建在海底，導(dǎo)致其建設(shè)費(fèi)用特別昂貴。比如，在水深大于1500米的超深水海域鉆探與開(kāi)采油氣資源，一口井的建設(shè)費(fèi)用通常高達(dá)10億人民幣。不過(guò)，如果面對(duì)深水與淺水相鄰的海域，我們可以在淺水區(qū)建立固定的作業(yè)平臺(tái)，這樣就可以把水下井口“拉”到平臺(tái)上來(lái)，采用大位移定向鉆井技術(shù)，在淺水區(qū)作業(yè)平臺(tái)上鉆采相鄰深水區(qū)的油氣資源，由此可給深水油氣田開(kāi)發(fā)帶來(lái)巨大便利，既可以大幅度降低工程作業(yè)費(fèi)用，又特別有利于安全環(huán)保。
定向鉆井技術(shù)的另一個(gè)重要應(yīng)用是在頁(yè)巖氣和煤層氣的開(kāi)采中。
頁(yè)巖氣是指賦存于富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層系中自生自儲(chǔ)、連續(xù)分布的天然氣聚集，屬于典型的非常規(guī)天然氣資源。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著全球油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的快速發(fā)展，特別是北美油氣工業(yè)經(jīng)歷了以“頁(yè)巖革命”為標(biāo)志的巨大變化，促使頁(yè)巖油氣在未來(lái)油氣供應(yīng)中的地位變得越來(lái)越重要，甚至改變了全球能源供求的大格局。
所謂“頁(yè)巖革命”，實(shí)質(zhì)上是鉆采工程領(lǐng)域的一場(chǎng)技術(shù)革命，其使原本沒(méi)有開(kāi)采價(jià)值的頁(yè)巖氣、頁(yè)巖油等非常規(guī)油氣資源得到大規(guī)模經(jīng)濟(jì)有效的開(kāi)發(fā)。以美國(guó)為例，“頁(yè)巖革命”為其實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。以前，美國(guó)大量進(jìn)口石油和天然氣，現(xiàn)在卻變成了天然氣出口國(guó)，而且其天然氣產(chǎn)量的80%多是頁(yè)巖氣。事實(shí)上，北美的“頁(yè)巖革命”主要憑借的便是定向鉆井和體積壓裂兩項(xiàng)核心技術(shù)的突破。其中，定向鉆井技術(shù)發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用，首先建設(shè)水平井與叢式水平井，將鉆頭打到富含頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層里并在其中大位移水平延伸，然后才談得上后續(xù)的體積壓裂完井技術(shù)應(yīng)用。
在我國(guó)，近10多年來(lái)，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)雖然取得了很大進(jìn)步，但產(chǎn)量亟待提高。目前國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣年產(chǎn)量已達(dá)到240億立方米，約占天然氣產(chǎn)量的10%，比例依然偏小。更重要的是，目前我國(guó)頁(yè)巖氣示范區(qū)主要選在地表環(huán)境和地質(zhì)條件都比較復(fù)雜的山區(qū)，而這些地區(qū)往往自然風(fēng)景秀麗，人口也相對(duì)稠密，這就決定了建立過(guò)多作業(yè)平臺(tái)很容易破壞當(dāng)?shù)丨h(huán)境，影響居民生活。如果應(yīng)用定向鉆井技術(shù)，特別是通過(guò)實(shí)施大位移定向鉆井，則可以有效擴(kuò)大單個(gè)作業(yè)平臺(tái)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)控制范圍，從而大幅度減少作業(yè)平臺(tái)的數(shù)量，由此可以帶來(lái)節(jié)約土地、保護(hù)環(huán)境、降本增效的良好效果。
除頁(yè)巖氣外，定向鉆井技術(shù)在煤層氣的開(kāi)采中也大有用武之地。
作為名副其實(shí)的煤炭大國(guó)，煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占比仍最高。而在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，煤層氣可以說(shuō)是威脅安全生產(chǎn)的第一大殺手。
煤層氣俗稱“煤礦瓦斯”，是一種存儲(chǔ)于煤層中的非常規(guī)天然氣，其主要成分是甲烷。作為一種易燃?xì)怏w，隱藏在煤層中的甲烷一旦燃燒爆炸，很容易造成重大安全事故。因此，在采煤過(guò)程中，為了安全而進(jìn)行通風(fēng)，往往會(huì)將煤層氣排放到大氣中去。然而，甲烷所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是二氧化碳的20多倍。
更重要的是，如果甲烷能被有效開(kāi)發(fā)利用，則是一種低碳清潔能源，而且此類氣體的地質(zhì)資源量很多，尤其是深層煤層氣資源的勘探開(kāi)發(fā)目前備受關(guān)注。因此，我們希望對(duì)煤層氣進(jìn)行有效開(kāi)采，這樣既可以增加低碳清潔能源的供給，又能夠降低采礦的危險(xiǎn)性，同時(shí)也有利于保護(hù)大氣環(huán)境。
然而，煤層氣的開(kāi)采比頁(yè)巖氣還要難。因?yàn)檫@些氣體產(chǎn)生于煤層內(nèi)部，且吸附性很強(qiáng)，需要采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)井型進(jìn)行開(kāi)采，這對(duì)定向鉆井技術(shù)提出了更高要求，特別是其中的鄰井距離隨鉆磁導(dǎo)向測(cè)控技術(shù)。
能源“井工廠”：能源綠色開(kāi)發(fā)利用新方式
面向未來(lái)，定向鉆井技術(shù)還可能帶來(lái)另一種新的能源開(kāi)發(fā)方式——能源“井工廠”。正如前文所說(shuō)，我國(guó)是煤炭生產(chǎn)和消耗大國(guó)，煤電在生產(chǎn)過(guò)程中存在污染物排放問(wèn)題，在一些重碳資源的利用上也存在污染問(wèn)題。
那么，如何盡量減少其對(duì)環(huán)境的污染？我們便設(shè)想，是否可以把一些“排放大戶”相關(guān)的地面工廠搬到地下去。
這種“井工廠”的好處顯而易見(jiàn)——由于地殼內(nèi)部的二氧化碳含量巨大，將污染氣體和溫室氣體排入地下不會(huì)對(duì)地球造成什么影響，卻可以明顯減少對(duì)地表和大氣的污染，有利于減緩溫室效應(yīng)。但該方式對(duì)于技術(shù)的要求非常高，其中就包括定向鉆井技術(shù)。要知道，把管道、反應(yīng)室等建在地下，就必須依靠定向鉆井技術(shù)才能做到。
事實(shí)上，我們已經(jīng)對(duì)相關(guān)技術(shù)做出了嘗試。比如，在稠油熱采工程中，就是將地下的稠油熱轉(zhuǎn)化后采出來(lái)的。但從目前看，能源“井工廠”的相關(guān)技術(shù)推進(jìn)難度依然很大。盡管如此，該技術(shù)的應(yīng)用前景卻很好。可以設(shè)想，對(duì)于一兩千米深的煤層，工人下去開(kāi)采的風(fēng)險(xiǎn)是很大的，如果通過(guò)地下氣化將煤炭轉(zhuǎn)化為氫氣、甲烷等清潔氣態(tài)能源，再將其采出地面，無(wú)疑將極大地提升煤炭清潔開(kāi)發(fā)利用效率與安全性。然而要做到這點(diǎn)，顯然還有很長(zhǎng)的路要走——除了考慮技術(shù)因素以外，還要考慮產(chǎn)業(yè)因素，才能最終實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化。
總之，基于現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展的能源“井工廠”建設(shè)，是實(shí)現(xiàn)深層煤層氣與煤炭綠色高效開(kāi)發(fā)的一條科學(xué)之道，發(fā)展前景良好。在這一過(guò)程中，伴隨著井下電加熱技術(shù)以及電器行業(yè)的相關(guān)發(fā)展，作為基礎(chǔ)的定向鉆井技術(shù)也將產(chǎn)生更多用途。對(duì)此，仍需科研人員刻苦攻關(guān)，為我國(guó)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展貢獻(xiàn)力量�！�
（作者系中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)石油大學(xué)〈北京〉教授，記者陳彬根據(jù)其在“科學(xué)與中國(guó)”再出發(fā)—— “千名院士·千場(chǎng)科普”首場(chǎng)報(bào)告會(huì)上的報(bào)告整理）