當今世界，能源在社會經(jīng)濟中的基礎性地位愈發(fā)重要，而作為能源體系中的兩大支柱，石油和天然氣（以下簡稱油氣）開發(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，看不見也摸不著，要發(fā)現(xiàn)、探明和開采這類資源，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，就是專門用來勘探開發(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、復雜結(jié)構(gòu)井等，井型技術不斷創(chuàng)新發(fā)展，以適應不同油氣田高效綠色開發(fā)的需求變化。

  具體而言，所謂直井，就是要垂直打穿油氣儲層實現(xiàn)其開發(fā)；而定向鉆井則不同，它要求控制鉆頭按照設計軌道或地質(zhì)環(huán)境定向破巖鉆進，力求安全高效鉆達地下儲層目標。目前，后者已成為油氣田高效綠色開發(fā)的主體技術之一。

  通過實施定向鉆井或大位移定向鉆井技術，可以基于同一個作業(yè)平臺，有效擴大油氣田的開發(fā)控制半徑和泄流面積，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、保護環(huán)境、節(jié)約場地等，因此該技術在國內(nèi)外備受關注。

定向鉆井技術的兩大難題

  當前定向鉆井技術發(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)計數(shù)字來看，目前人類實施定向鉆井的最大水平位移超過了11公里（以正式發(fā)表的論文數(shù)據(jù)為準），最大垂直深度超過了12公里，這兩項紀錄均是在俄羅斯創(chuàng)造的。我國目前達到的最大水平位移約為8.2公里，垂直深度超過了9公里并正在向萬米深地進軍。

  從全球來看，我們可以打一個比方。假設從地表向地球里畫一個圓柱體，其長度和圓半徑均為12公里，那么以人類目前達到的定向鉆井技術水平還難以鉆達觸及到這個圓柱體一半的空間范圍。然而，12公里其實僅僅約占地球半徑的0.2%，可以說只鉆破了地球的“一層皮”。“上天”很難，其實“入地”和“下海”也不容易，甚至更難。定向鉆井工藝包括多個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都涉及高端技術，也需要相適應的井下鉆具、隨鉆測控系統(tǒng)等高端技術裝備。

  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。原因很簡單——電磁波在地面和空中的傳播都能做到很好，而一旦進入地下，地層強大的傳播阻力會使其很快衰減成微弱信號。直到現(xiàn)在，這依然是困擾隨鉆測量數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)闹卮笃款i技術問題，也導致定向鉆井在隨鉆測控方面遇到不少困難。

  另一方面，要使鉆頭準確鉆達預定的地下目標，必須準確掌握其在地下三維空間中的位置及運行軌跡。事實上，由于鉆出來的三維井眼軌跡看不到，我們對于鉆頭運行軌跡的控制只能基于測斜計算和繪圖，而定向鉆井打得越遠，這種計算的累計誤差就越大。當定向鉆井水平位移超過1000米時，目前廣泛應用的測斜儀器與計算方法的累計誤差橢球半徑可達近50米。對于叢式井而言，如果隨鉆測斜與計算誤差過大，相鄰井之間就有相碰的潛在風險。當然，我們不希望這類相碰事件發(fā)生。要知道，建設一口油氣井的花費是巨大的，最昂貴者甚至高達2億美元，如墨西哥灣超深水領域的深層油氣井。

  除了隨鉆測量比較難之外，我們面臨的技術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方向，使其朝著設定的地下目標定向鉆進。然而，影響鉆頭運動軌跡的因素比較多，如鉆頭與地層相互作用涉及的相關矢量就有6個，要確定并定量表達代表其真實鉆進方向的特征物理量，就是一個復雜的定向鉆井理論問題。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用的研究成果，科研人員仍在努力探索之中。

巨大的應用價值

  既然定向鉆井如此難以測控，為什么還要努力攻關研究呢？

  原因很簡單，因為該技術有著巨大的應用價值。比如，在海洋油氣田高效綠色開發(fā)方面，定向鉆井就發(fā)揮著不可替代的核心技術作用。

  海洋油氣開發(fā)需要搭建海上鉆井平臺，而搭建一個平臺是需要耗費巨量資金的。因此，要想使海洋油氣資源商業(yè)開發(fā)“不虧錢”，就必須盡最大可能增大單個鉆井平臺的油氣資源開發(fā)控制范圍和作業(yè)效率。簡單地說，就是要依托一個鉆井平臺打出更多的井，以便控制地下更大的油氣儲層面積。

  在一個平臺上打出多口井，而且各個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。以美國洛杉磯盆地近海叢式井工程為例，其一個鉆井平臺可以打出1000多口定向井。我國海上鉆井中，有75%以上為叢式井鉆井平臺。例如，我國在渤海油田開發(fā)過程中，就是大規(guī)模實施了定向鉆井與叢式井工程，同時配套“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。

  當前，我國海洋油氣資源勘探開發(fā)正在向深遠海進軍。在深水海域，由于井口要建在海底，導致其建設費用特別昂貴。比如，在水深大于1500米的超深水海域鉆探與開采油氣資源，一口井的建設費用通常高達10億人民幣。不過，如果面對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，這樣就可以把水下井口“拉”到平臺上來，采用大位移定向鉆井技術，在淺水區(qū)作業(yè)平臺上鉆采相鄰深水區(qū)的油氣資源，由此可給深水油氣田開發(fā)帶來巨大便利，既可以大幅度降低工程作業(yè)費用，又特別有利于安全環(huán)保。

  定向鉆井技術的另一個重要應用是在頁巖氣和煤層氣的開采中。

  頁巖氣是指賦存于富含有機質(zhì)泥頁巖層系中自生自儲、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。進入21世紀后，隨著全球油氣資源勘探開發(fā)的快速發(fā)展，特別是北美油氣工業(yè)經(jīng)歷了以“頁巖革命”為標志的巨大變化，促使頁巖油氣在未來油氣供應中的地位變得越來越重要，甚至改變了全球能源供求的大格局。

  所謂“頁巖革命”，實質(zhì)上是鉆采工程領域的一場技術革命，其使原本沒有開采價值的頁巖氣、頁巖油等非常規(guī)油氣資源得到大規(guī)模經(jīng)濟有效的開發(fā)。以美國為例，“頁巖革命”為其實現(xiàn)能源獨立奠定了堅實基礎。以前，美國大量進口石油和天然氣，現(xiàn)在卻變成了天然氣出口國，而且其天然氣產(chǎn)量的80%多是頁巖氣。事實上，北美的“頁巖革命”主要憑借的便是定向鉆井和體積壓裂兩項核心技術的突破。其中，定向鉆井技術發(fā)揮著基礎性作用，首先建設水平井與叢式水平井，將鉆頭打到富含頁巖氣的儲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應用。

  在我國，近10多年來，頁巖氣開發(fā)雖然取得了很大進步，但產(chǎn)量亟待提高。目前國內(nèi)頁巖氣年產(chǎn)量已達到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，目前我國頁巖氣示范區(qū)主要選在地表環(huán)境和地質(zhì)條件都比較復雜的山區(qū)，而這些地區(qū)往往自然風景秀麗，人口也相對稠密，這就決定了建立過多作業(yè)平臺很容易破壞當?shù)丨h(huán)境，影響居民生活。如果應用定向鉆井技術，特別是通過實施大位移定向鉆井，則可以有效擴大單個作業(yè)平臺的頁巖氣儲層開發(fā)控制范圍，從而大幅度減少作業(yè)平臺的數(shù)量，由此可以帶來節(jié)約土地、保護環(huán)境、降本增效的良好效果。

  除頁巖氣外，定向鉆井技術在煤層氣的開采中也大有用武之地。

  作為名副其實的煤炭大國，煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中占比仍最高。而在煤炭開采過程中，煤層氣可以說是威脅安全生產(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。作為一種易燃氣體，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，在采煤過程中，為了安全而進行通風，往往會將煤層氣排放到大氣中去。然而，甲烷所產(chǎn)生的溫室效應是二氧化碳的20多倍。

  更重要的是，如果甲烷能被有效開發(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發(fā)目前備受關注。因此，我們希望對煤層氣進行有效開采，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性，同時也有利于保護大氣環(huán)境。

  然而，煤層氣的開采比頁巖氣還要難。因為這些氣體產(chǎn)生于煤層內(nèi)部，且吸附性很強，需要采用復雜結(jié)構(gòu)井型進行開采，這對定向鉆井技術提出了更高要求，特別是其中的鄰井距離隨鉆磁導向測控技術。

能源“井工廠”：能源綠色開發(fā)利用新方式

  面向未來，定向鉆井技術還可能帶來另一種新的能源開發(fā)方式——能源“井工廠”。正如前文所說，我國是煤炭生產(chǎn)和消耗大國，煤電在生產(chǎn)過程中存在污染物排放問題，在一些重碳資源的利用上也存在污染問題。

  那么，如何盡量減少其對環(huán)境的污染？我們便設想，是否可以把一些“排放大戶”相關的地面工廠搬到地下去。

  這種“井工廠”的好處顯而易見——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對地球造成什么影響，卻可以明顯減少對地表和大氣的污染，有利于減緩溫室效應。但該方式對于技術的要求非常高，其中就包括定向鉆井技術。要知道，把管道、反應室等建在地下，就必須依靠定向鉆井技術才能做到。

  事實上，我們已經(jīng)對相關技術做出了嘗試。比如，在稠油熱采工程中，就是將地下的稠油熱轉(zhuǎn)化后采出來的。但從目前看，能源“井工廠”的相關技術推進難度依然很大。盡管如此，該技術的應用前景卻很好。可以設想，對于一兩千米深的煤層，工人下去開采的風險是很大的，如果通過地下氣化將煤炭轉(zhuǎn)化為氫氣、甲烷等清潔氣態(tài)能源，再將其采出地面，無疑將極大地提升煤炭清潔開發(fā)利用效率與安全性。然而要做到這點，顯然還有很長的路要走——除了考慮技術因素以外，還要考慮產(chǎn)業(yè)因素，才能最終實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化和市場化。

  總之，基于現(xiàn)有技術發(fā)展的能源“井工廠”建設，是實現(xiàn)深層煤層氣與煤炭綠色高效開發(fā)的一條科學之道，發(fā)展前景良好。在這一過程中，伴隨著井下電加熱技術以及電器行業(yè)的相關發(fā)展，作為基礎的定向鉆井技術也將產(chǎn)生更多用途。對此，仍需科研人員刻苦攻關，為我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展貢獻力量�！�

  （作者系中國科學院院士、中國石油大學〈北京〉教授，記者陳彬根據(jù)其在“科學與中國”再出發(fā)—— “千名院士·千場科普”首場報告會上的報告整理）