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
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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？
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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。
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图为水平井
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图为分支水平井
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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：
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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：
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例子二：
打直井当然是省时又省力，但很多时候它并不省钱。
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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”。
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第①步，在洞中某处，先用东西卡住。第②步，放入**的斜向器。
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：
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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。
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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”。
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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。
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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”。
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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。
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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。
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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。 | 
发表于 2017-10-10 15:25
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