中國的頁巖氣儲量位居世界前列。但是頁巖氣開發(fā)要用到的高端鉆井裝備，核心技術一度被國外公司壟斷。航天科工集團與中石油聯(lián)合，用十年時間破解了這個難題。高端鉆井裝備從無到有為何這么難？它的突破，將給我國的頁巖氣開采帶來哪些革命性的變化？

　　百億市場迎來了中國高端鉆井裝備

　　記者來到位于四川省三臺縣的秋林油氣田時，鉆井隊的工作人員正在把旋轉導向系統(tǒng)往鉆井平臺上吊裝。這套裝備長11.5米，相當于四層樓的高度。

　　航天科工集團三院天石和創(chuàng)公司副總經(jīng)理 呂偉：用吊車把儀器吊到井口測試，測試完了正常，我們就要入井打鉆了。

　　現(xiàn)場工作人員介紹，這口油氣井設計井深是3300米，借助國產的旋轉導向系統(tǒng)，這口井從開鉆到完鉆只需要20多天。而以前，用傳統(tǒng)設備打一口這樣的井，需要50天左右?，F(xiàn)在不僅時間節(jié)省一半，單井成本節(jié)約就超過了150萬元。

　　旋轉導向系統(tǒng)能夠在地層中任意方向自主行進，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航和控制技術，結合石油鉆井工程技術，通過綜合創(chuàng)新，一舉幫助我國油氣開發(fā)實現(xiàn)了核心關鍵技術的自主可控。

　　近日，國際市場也傳來了好消息，用來自中國的旋轉導向系統(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?shù)匾鹆瞬恍〉霓Z動。至此，國產高端石油裝備實現(xiàn)了國際市場零的突破。旋轉導向系統(tǒng)國際市場容量每年大約100億元。利用這個國產裝備，目前已打井204口。

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

　　從不可開發(fā)到可開發(fā)，差別就在于如今有了自己的國產高端裝備。頁巖氣屬于非常規(guī)天然氣，開發(fā)難、成本高。中國頁巖氣開采剛起步時，外國油服公司帶來了旋轉導向系統(tǒng)，這讓還在用傳統(tǒng)方式打井的中國石油人羨慕不已：同樣一口井，用國外設備打井的時間，比國產裝備能快一倍。但是，外國公司的裝備，只租不賣。

　　中石油西南油氣田公司副總經(jīng)理 樂宏：他就來一個工程師，帶一小段旋轉導向的工具，他一天的作業(yè)費用是我們這臺大鉆機40個人的隊伍的運行費用的4至5倍。

　　中石油川慶鉆采工程技術研究院副院長 白璟：我們川渝地區(qū)的地質條件非常復雜，在這個過程中他們遇到一點風險就撤，最讓人不能接受的就是，他覺得風險大了，隨時發(fā)一個電子郵件，然后帶人員帶著設備就撤走。

　　中國陸域頁巖氣可采資源為25.1萬億立方米。川渝地區(qū)被列為國家級頁巖氣開發(fā)示范區(qū)。但是，租用國外設備開采費用高昂，為了等國外設備，一個工程隊停鉆等一兩個月的事情經(jīng)常發(fā)生，最長一次等了63天，嚴重影響了開采進度。自主研發(fā)鉆井效率高的旋轉導向系統(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難關，中石油找到了航天科工集團合作。但是，令合作雙方?jīng)]想到的是，在神舟飛船和嫦娥系列探測器上，已經(jīng)用得很成熟的技術，在解決入地鉆井的難題時，因為“水土不服”，花了整整十年才攻克了技術難關。

　　利用航天慣性導航和控制技術，研制團隊用三年時間完成了旋轉導向系統(tǒng)的原理樣機研制。經(jīng)過多次地面試驗，產品性能良好。但首次進行井下試驗時，意想不到的事情發(fā)生了。

　　航天科工集團三院天石和創(chuàng)公司董事長 孫全華：我們的樣機第一次下井一點信號都沒有，最后發(fā)現(xiàn)密封有問題，整個儀器從頭到尾全部被泥漿給灌漿了。原來想井下至少要工作幾十個小時才會出問題，結果連一分鐘都沒工作就出問題了。

　　三年心血，數(shù)百萬的投資，一次試驗就都歸零了。高溫、高壓、高振動，井下工作環(huán)境的惡劣，遠遠超出了航天人的想象。

　　航天科工集團三院天石和創(chuàng)公司總工程師 岳步江：旋轉導向系統(tǒng)是很難馴服的一項技術，我一直把它比喻成一個孫悟空，它就是既要有識別油氣的火眼金睛，還需要有能夠把井下跟地面連通的一根金箍棒，它才可以把油氣開采上來。

　　別小看這根直徑只有20多厘米的“金箍棒”，它集成了隨鉆測量、發(fā)電通訊、中樞控制、導向等八大模塊，近3萬個零部件，相當于一臺井下智能機器人。

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

　　在航天科工集團三院的涿州工業(yè)園，智能生產線上正在加工的，是旋轉導向系統(tǒng)的核心部件——加速度計。

　　航天科工集團三院加速度計副主任設計師 吳楠：這個就相當于旋轉導向系統(tǒng)上的一個眼睛，用來尋找我們所需要的石油的區(qū)塊。

　　加速度計上的石英擺片，在神舟飛船發(fā)射時高達6G的振動下，能穩(wěn)定工作。但是，井下試驗時最大振動達到20個G，擺片瞬間破碎，導致設備“失明”。

　　如何改進設計，提高設備在井下的防振功能，是航天人要解決的難題之一。他們在試驗過程中遇到的最棘手的事，是井下無信號，導致井上井下失聯(lián)。

　　航天科工集團三院天石和創(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)象就是無信號，一共是37個無信號造成的試驗失敗，所有井下儀器發(fā)生故障的結果，第一表現(xiàn)就會是無信號。

　　37次失敗，又37次從頭再來。找到無信號的原因、改進，再重新用儀器入井驗證。在5年多時間里，中石油和航天三院80多人的聯(lián)合研發(fā)團隊一直在重復這個過程。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)。信號的難題解決以后，很快系統(tǒng)可靠性問題又成了攔路虎：要實現(xiàn)產業(yè)化應用，產品需要穩(wěn)定工作200小時才算及格，但當時的平均工作壽命不到20個小時。一晃五年過去了，此時，研究經(jīng)費已經(jīng)捉襟見肘，如果技術上再沒有突破，項目將面臨下馬的命運。

　　航天科工集團三院天石和創(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？甚至考慮過項目下馬的事情。但是真不干了，這也是干了很多年的心血。這個東西就像自己的孩子，一點一點把它做出來的。不行了，說著說著就流眼淚了。

　　國家支持 鉆井裝備核心技術實現(xiàn)自主可控

　　研發(fā)人員告訴記者，旋轉導向系統(tǒng)研發(fā)，難就難在工程應用。每一口井的地質狀況、工程難度都不一樣，而設備要實現(xiàn)產業(yè)化，就必須適應所有復雜的地質條件。國內先后有十多家單位進行過5到10年的攻關，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目可能下馬之際，國家對高端裝備研制的政策調整，讓這個項目絕處逢生。

　　針對高端裝備制造業(yè)的發(fā)展，國家近年來發(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)，推動傳統(tǒng)裝備制造業(yè)向中高端邁進。

　　在旋轉導向系統(tǒng)研制遇到瓶頸的節(jié)骨眼上，獲得了國家立項。

　　中石油川慶鉆采工程技術研究院副院長 白璟：第一是立項的支持，我讓你繼續(xù)干。第二是經(jīng)費上的支持，第三是各種試驗條件、驗證條件，包括對于一些特殊的研發(fā)人員的組織的條件，就是對于研發(fā)團隊而言，你們要什么都可以提出來，集團的科技部門予以最大能力的協(xié)調、組織和安排。

　　盡管在攻關過程中，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組織了多次院士現(xiàn)場指導。

　　中石油川慶鉆采工程技術研究院副院長 白璟：孫金聲院士提示我們在設計過程中一定要考慮電控系統(tǒng)的冗余度，后來我們發(fā)現(xiàn)好多的問題都出現(xiàn)在由于井下的特種工況，它帶來的冗余度設計不夠，而出現(xiàn)的故障。

　　根據(jù)專家的建議進行改進后，裝備的可靠性大幅提高。十年時間，旋轉導向系統(tǒng)最終以突破6項關鍵技術的成績，圓滿通過了國家能源局組織的項目驗收。

　　就在國產設備不斷獲得技術突破的同時，國外公司的設備，也悄然降價了。

　　中石油川慶鉆采工程技術研究院副院長 白璟：單井的作業(yè)費用，從600多萬元降到了不到200萬元了。

　　目前，旋轉導向系統(tǒng)國產化率實現(xiàn)了100%，性能整體達到世界先進水平。

　　航天科工集團三院天石和創(chuàng)公司董事長 孫全華：我們想的是不僅僅聯(lián)合起來進行技術創(chuàng)新，我們將來還可以管理創(chuàng)新，機制創(chuàng)新，這樣把我們的人才、資金、產業(yè)鏈整個都全部打通，把我們現(xiàn)有產品去更新迭代，將來研發(fā)更多的高端裝備，去為國家的能源安全盡我們的一份力。