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。

而钻杆，它也不是一直都直。

图片来自Clive Rayton

图为水平井。

图为分支水平井。

图为大位移井。

上面这些井的共同点是，它们在地下会走弯路。

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：

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。而我们知道，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：

例子二：

打直井当然是省时又省力，但很多时候它并不省钱。

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（昂贵且耗时），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」。

第①步，在洞中某处，先用东西卡住。第②步，放入黄色的斜向器。

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：

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。

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？两种方式。

第一种叫做「指引钻头式」。

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。

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」。

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。

其原理不难理解，想像一下，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，他想吓唬狗，但最后小偷却撞死了。

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，难度可想而知。因此，「随钻测井及旋转导向钻井系统」并非是单一的某门技术，它是材料科学、控制科学、核科学等大量学科融合后的结晶。

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，井的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。

出品：科普中国

制作：寒木钓萌

监制：中国科学院计算机网路信息中心

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本文由科普中国融合创作出品。

贪食蛇技术：旋转导向系统（RSS）是在钻柱旋转钻进时，随钻实时完成导向功能的一种导向式钻井系统，是20世纪90年代以来定向钻井技术的重大变革。RSS钻进时具有摩阻与扭阻小、钻速高、成本低、建井周期短、井眼轨迹平滑、易调控并可延长水平段长度等特点，被认为是现代导向钻井技术的发展方向。

2015年5月4日，中国自主研发的旋转导向系统和随钻测井系统联袂在渤海完成钻井作业，掌握「贪吃蛇」钻井技术， 中国在这两个技术领域打破了国际垄断，成为全球第二个同时拥有这两项技术的国家，中国海洋石油总公司也成为全球第四、国内第一个同时拥有这两项技术的企业。

这标志著中国在油气田钻井、随钻测井尖端技术领域打破了国际垄断，可自主完成海上「丛式井」和复杂油气层的开采需求，有望大幅降低国内油气田开发成本，并为中海油服参与国际高端油田技术服务市场竞争增添重量级砝码。

旋转导向系统按其导向方式可分为推靠钻头式（Push the Bit）和指向钻头式（Point the Bit）两种系统。

1. AutoTrak X-treme系统

AutoTrak X-treme系统是由井下钻井马达驱动的旋转导向系统。其最大的优势是将普通转盘式RSS最高250rpm的转速提高到400rpm。该系统由旋转闭环导向系统Auto Trac和高效钻井马达X-treme组合而成。其特殊设计的模块化结构可以允许BHA持续高速旋转，而X-treme马达的设计也解决了导向数据通过马达传输的问题，真正实现了精确、实时的近钻头导向。

2. Revolution RSS

Revolution旋转导向系统是一种「指向」式的旋转导向系统，导向的主要组件为不可旋转的套筒稳定器、近钻头旋转稳定器和旋转传动轴(drive shaft)。地面导航设施接收到泥浆脉冲传输的LWD信号后确定偏移方向和偏移角度，使传动轴产生偏移。传动轴在套筒稳定器中运转，将扭矩和载荷传递至钻头，「指引」钻头向既定方向前进。近钻头旋转稳定器起到支点的作用。

3. 3D旋转导向系统——Pathfinder RSS

Pathfinder 3D旋转导向系统实现了在冲蚀井眼中的定向钻进。一般的旋转导向工具依靠与井壁的直接接触来施加导向力，或者通过这种接触来维持导向部件的稳定。Pathfinder RSS采用特殊设计的导向垫块最多可以伸长1in，使121/4in的井眼工具在13in的井眼中仍能与井壁接触。

4. PowerDrive系统

PowerDrive旋转导向系统是通过高速旋转同时导向来进行钻进的，然而高速旋转下的定位比较困难。斯伦贝谢公司的PowerDrive采用了在RSS内部安装不旋转组件的方法解决该问题，因其外部钻杆始终处于旋转状态而大大提高了钻速。「让每个接触井壁的部分都在转动」的思想是斯伦贝谢旋转导向系统的核心，也是优于其它RSS系统的根本。

在RSS出现以前，多采用由泥浆马达驱动的滑动导向钻井系统实施导向钻井。该系统的特点是在钻井过程中钻柱不旋转，而是沿井壁轴向滑动，并通过滑动导向工具改变井眼的井斜角和方位角，从而控制井眼轨迹。旋转导向系统与滑动导向钻井系统相比，具有钻速快、井眼质量高、降低压差卡钻风险、可清洁井眼等优点。

科技在发展，技术在变革，此处省略一万个字哈

不管是啥技术，只要我们想干，真干就能做的很好。谁说自力更生不好？对外开放真能引来高技术？既便能引来高技术，前沿尖端你能引进？既便也能引进，人家有专业团队和实力你可能引进不了，那你只能跟在别人后面跑。尤其军工，战争对抗如果靠引进技术，那你的武器永远是落后的，永远处于被动地位。我们的汽车行业如果不是引进技术而是刻苦攻关，现在的汽车也不会是现在的水平，一辆好车也做不出来。

钻井装备技术第一，肯定是我中国石油钻井技术研究院北京石油机械厂啊，我们的设备出口到60多国家，公关国家多项钻井项目，（国内第一家）顶部驱动，液控装置，近钻头地质导向，螺杆钻具等多项国家专利钻井装备，这井对我们来说就是用铁锹挖油哈哈哈。

我只能说，这个东西现在正在渤海推广，以后肯定会逐步推广到我们国内所有海域，陆地市场，国外市场。我们研究院这几年还是搞出来不少好东西的，以前高端的都是买国外的，租国外的或者是把合同分包给国外的公司，现在这几年，我们自己的核磁，电成像，测压取样等高端测井仪器都做出来了，成熟了，旋转井壁取心也推广开了。现在定向工具也出来了。以后更会不断发展，越来越先进，接近国外甚至在十年后，十五年后超过国外同行的技术水平。

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