从成功研发随钻方位电阻率看长城钻探科技创新路径(图)
[中国石油新闻中心2014-11-04]
随钻测量与控制技术示意图
编者按：工程技术企业要提升核心竞争力，挺进高端市场，关键是拥有自己的高端技术装备，核心是提升自主研发能力。
长城钻探在不到4年时间里完成了3种规格的随钻测井系统和随钻方位电阻率测井仪的研制，研发模式是怎样的？研发过程中，技术和管理难题如何解决？团队怎样培养？本期《新闻透视》将对这些问题进行解答。
10月31日，辽河油区杜813区块的一口水平井即将钻遇油层。得到工具下井命令的工程师张美君带着徒弟配合井队施工人员，将类似钻铤一样的仪器吊到钻台上，上电测试、连接仪器、紧扣、下井，一系列动作一气呵成。
一个小时后，钻井技术员说：“井斜角、方位角、工具面角都能直接看到，让轨迹控制变得容易了。”张美君指着屏幕上钻头在油层游走的轨迹说：“有了这个装备，钻头就像长了眼睛，辽河油区的油层钻遇率从76%提高到90%以上。”
这个神奇的工具就是随钻方位电磁波电阻率测井仪（以下简称随钻方位电阻率）。该类仪器出现之前，国际上其他随钻测量装备还无法精准地实现这样的预期目标。目前国际上拥有随钻方位电阻率这套高端装备的只有4家公司，贝克休斯、斯伦贝谢、哈里伯顿和中国石油旗下的长城钻探。
作为最早走出国门的中国石油工程技术服务企业之一，长城钻探也因此实现了从长期依赖国际大公司供货到自主研发随钻测量高端装备的跨越。而国际化合作研发模式则为长城钻探科技创新提供了有效路径。
市场准入证绊住国际化
工欲善其事，必先利其器。这是参与国际竞争必须遵守的市场法则。
长城钻探自1997年进入苏丹市场以来，一直未能突破水平井技术服务这一高端市场，即使这项技术早已在国内市场成熟推广应用多年。究其原因，作为高端市场——苏丹水平井市场严格按照国际标准运作，招投标时对随钻测量装备、技术合成和施工经验有一套严格的标准。能否迈过这道门槛，高端装备成为进入苏丹市场的关键。
不仅在苏丹市场，在国际其他高端市场，随钻测井装备与技术已经成为海外工程技术服务竞标的一张准入证。
资料显示，2011年长城钻探国内、国外市场随钻电磁波电阻率的需求量为37套。近两年，对这套装备的需求正逐渐扩大。而随钻测量装备和技术长期掌握在国外三大知名工程技术公司手中。与这些公司同台竞技，长城钻探依靠买装备这条捷径已经走不通。况且，核心竞争力是买不来的。
这就意味着，没有自主知识产权的装备，在参与高端市场竞标时，根本迈不过准入的门槛。
长城钻探参与国际化工程技术服务，出路在哪里？唯有走自主研发之路。
如果蹚出这条路，长城钻探在国际市场则可以彻底摆脱受制于人的局面，同时通过技术升级换代调整结构，实现向高端发展的业务转型和跨越。
而这对长城钻探来说，无异于一场技术革命。此前，国内测井界专家一致认为，无论从技术对生产和核心竞争力的影响，还是从市场占有率和技术发展前景看，随钻测井技术都是“21世纪初中国油气关键技术”。发展随钻测井技术和装备已成为国内测井行业的共识。
突破需要眼光和魄力，“企业只有敢于直面矛盾和问题，才能获得可持续发展”。长城钻探决策层下定决心必须以随钻测量与控制系统攻关为突破口，研发自主知识产权的装备和技术。
2010年年初，长城钻探启动了高端随钻仪器研发战略，集中优势力量打造高端技术利器，坚持通过自主创新，拥有完全知识产权的装备和技术。
国际化合作催生三级跳
长期以来，国内各大企业和科研院所开展许多研究，谋求改变随钻测井领域装备和技术的被动现状。然而，按照传统的科研思路，国内企业和研究机构一直没有实现这一装备的自主研发，并且国内在基础理论方面的研究还存在差距。
在集中高科技力量的随钻测量领域，国外大公司垄断技术和市场几十年。长城钻探计划在较短时间内研制出高端随钻装备，完成关键核心技术攻关，缩小与国际一流公司的差距。在许多人看来，这是一条难以逾越的鸿沟。
近几年，长城钻探的科技发展路径展示了在随钻测量领域的三级跳：2010年到2011年年底，完成高端装备随钻电磁波电阻率测井仪的研发和现场应用；2014年完成国际顶尖装备随钻方位电磁波电阻率测井仪器研发和现场应用；今明两年推出近钻头地质导向系统、随钻中子密度孔隙度测井仪和指向式旋转导向系统，计划在“十二五”末，将与国际大公司在这一领域的差距缩短到三年至五年。
国际化的合作研发模式让长城钻探科研创新突破传统思维局限，也率先打破了随钻测量装备研发的瓶颈。多年追逐的高端装备梦想终于变成现实。
技术上的突破，同时带来了思维方式的转变，而这则使长城钻探在技术创新的路上走得更远。
实现自主创新过程中，长城钻探依靠国际化合作，拥有了国际一流的研发实力和平台。同时，作为项目的主体，国内团队担负起项目研发的总体设计任务，将长城钻探多年积累的现场应用成果有效盘活。按国际惯例，随钻测量领域的高端装备和技术的研发周期通常在5年。通过组建国际研发团队，长城钻探随钻电磁波电阻率测井仪从立项到成果现场应用，只用了18个月的时间；随钻方位电阻率的研发则只用了两年。
国际化平台孕育高精尖
多年打拼海外市场的经历让长城钻探决策层意识到：参与国际市场竞争不仅仅依靠设备，更在于人的素质。
2009年张磊研究生毕业进入国内研发团队。在攻克随钻测量装备6大关键技术过程中，提出了自己的独到见解和攻关思路，同时也发表了多篇随钻仪器相关论文，拥有了多项专利。现在，他成为随钻方位电阻率研发独当一面的负责人。
自从进入国内研发团队，像张磊这样的年轻人收获了与同龄人不同的“特殊”科研经历。年纪轻轻就参与国际最前沿科研项目，与国内外一流专家一起开展科研攻关，也成为国内随钻测量领域年轻的专家。
目前，国内研发团队已经由最初的8人发展到92人。除了3名现场技术应用专家外，参与科研与制造的成员都是近5年毕业的年轻人。其中，8名工程技术人员已经具备了第二专业的科研攻关技能。10名大学毕业仅两年的年轻人走上了随钻测控技术研发制造岗位。他们的成长，得益于长城钻探提供的科技创新平台。
同时，这个平台上成长起来的年轻人利用各自领域的专业知识，制定并完善了随钻方位电阻率5个企业标准、2项体系文件和5项SOP，使这项国内独一无二的装备拥有行业标准，具备可操作性。更难得的是，团队将产品质量和过程控制引入到项目管理中，将研发投入使用的48串仪器的测试数据整理成数据库，每套仪器的检修记录在计算机上有据可查，参数调整的每个环节都有数据可追溯。此举推动长城钻探的科研管理向标准化和数字化管理迈进了一步。
通过国际项目或者重点项目培养一批具有国际化视野和实力的青年科技工作者，让这些年轻人在科研项目中担当重要角色，进而提升整体科技研发水平。
这正是长城钻探坚持引导的科技创新路径。
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近几年出现的随钻方位电磁波电阻率测井仪是目前国际上最尖端的随钻测量仪器之一。
该技术通过井眼围岩电阻率360度成像，测量井眼周边储层边界的方位和距离。实现精确地质导向钻井，提高储层钻遇率，推动油气田的高效开发。如果把随钻电磁波电阻率测井仪地质导向钻井形象地比喻为钻头闻着油味走，那么随钻方位电磁波电阻率测井仪地质导向则可比喻为钻头看着油层走。
GW-LWD(BWRX)主要技术创新点：
1.交联天线
首次提出利用交联天线测量地层边界方位和距离的方法，建立了基于交联天线的方位电阻率测量新方法。
利用交联天线能够测量电磁波径向和轴向分量的功能，计算出地层边界的方位与距离。
2.井眼围岩电阻率成像软件
基于GW-LWD系统软件平台，开发出随钻方位电磁波电阻率成像软件，实时显示井眼方位电阻率成像，显示边界方位和距离。
3.成像解释模板
随钻方位电磁波电阻率测井仪穿过或接近油层和泥岩地层边界时，不同轨迹方位电阻率影响不同，通过计算绘制了各种情况下解释模版，总计26个，用于现场地质导向服务。
4.GW-LWD(BWRX)随钻方位电阻率测井系统取得知识产权：
实用新型和发明专利共15项，其中8项专利集中在正脉冲随钻系统和常规电阻率部分，7项方位电阻率测井仪部分的专利已确认受理。
专利名称：
①一种地层介电常数和电阻率测量仪器及其使用方法；
②一种地层电阻率测量仪器及其使用方法；
③一种多模式多深度电阻率测量仪器及其使用方法；
④地层界面探测方法；
⑤地层界面探测的装置；
⑥进行地层定向电阻率测量的方法；
⑦磁偶极子天线和用于地层定向电阻率测量的装置。
长城钻探随钻方位电磁波电阻率测井仪GW-LWD（BWRX）成像示意图——随钻方位电阻率侧井仪在旋转过程中接收油层边界反射的电磁波信号，根据信号强弱，转换成电压值，最终计算出油层边界方向和距离。
专家连线：
把握大方向用好指挥棒
长城钻探公司从2010年开始立项研制随钻测量系统，不到4年时间完成了3种规格的随钻测井系统和随钻方位电阻率测井仪的研制。
这些项目能够如期顺利完成，得益于研发技术路线正确：国际一流理论科学家和长城钻探现场应用技术专家的紧密合作，即创建了利用国际智力资源，自主研发高端技术装备的新模式。
整个项目的运作与管理是一场智慧与时间的较量。随钻方位电阻率在业界属于最先进的技术，技术拥有者对这项技术严格保密，国外对此也只有零星报道，国内科研院校也多停留在理论方法研究上。作为这个项目的负责人，首先要保证项目的整体思路和科研方向，清楚项目重点和难点，避免仪器研发过程出现“不可能解决的硬伤”导致项目中途搁浅。比如，设计合理的仪器结构，保证在井下施工安全的同时获取最好的测量精度且避开国外申报的专利；从零开始设计自己的标定校验体系获得最佳的测量精度；合理设计数据的呈现方式与数据格式使其满足行业惯例的同时最大限度满足地质导向的施工人员需求；有效与井队沟通设计一个能方便井场施工的施工方案……为让这些重点按期完成，我们通过分工，将这些关键课题责任划分明确，安排专人牵头负责，组织研发和技术攻关，掌握进度并进行定期汇报，避免影响整个项目进展。同时建立起良好的问题解决机制，当其中一个子课题出现问题时，课题负责人向项目组提出，由项目组组织技术力量进行集中攻关。
其次要统筹规划，合理有效利用时间。搭建良好的开发环境和标准的试验、检测条件是项目研发成功必要保障。立项之初，我们在组建研发团队的同时，就开始着手配套实验室设备和测试标准等，例如：研制随钻测量系统的刻度校验池时，我们先建起校验池，方便校验，再陆续建成其他设施。其中，井下模拟测试系统的建成，发挥了重要作用，原来早期几个月才能完成的试验一天就能完成。(作者白锐，为长城钻探随钻测量与控制项目负责人)
呕心沥血事竟成
参与合作的国内外两个团队从未见过随钻方位电阻率，更谈不上操作。而国际大公司既是研发高精尖技术和装备的高手，又是知识产权保护的行家。以天线系统结构设计为例，拥有这项技术的其他3家国际公司已经将所有可能的天线结构设计形式申请专利。而天线系统结构设计决定了仪器的电路和机械结构，这些对测量结果、仪器的探测深度都起到关键作用。最终，我们另辟蹊径，独创的天线(线圈系)设计方案成功解决这一难题，并申请属于自己的专利。
——长城钻探随钻测量技术研究所副所长张磊
随钻方位电阻率是通过钻具下到井下工作。较少地占用时间既是降低成本又是井下安全的需要。项目根据作业情况，要求占井时间控制在30分钟。这就是说必须把扫描一周成像数据传输回地面的时间从10分钟降到2分钟之内。经过半个月的冥思苦想，团队提出的数据压缩方法，终于破解这个难题。
——长城钻探随钻测量技术研究所副主任翁波强
工程样机刚出来时碰到了一件找不出原因的事。我们现场测方位时发现，方位值与录井数据有微小的偏差；而在生产车间，测量偏差就消失。我们把仪器拆开逐一测试各部件，再逐一装好。一拆一装几乎都要干到第二天凌晨。这样干了半个月，大家都接近崩溃的边缘。负责人突然发现，贯穿整个系统的电源附近出现了微弱磁场。原来，这个小到近乎被忽略的磁场影响了仪器的准确性。
——长城钻探随钻测量技术研究所黄轲
管理者说：
技术创新，要勇于不断攀登
重组以来，长城钻探工程公司按照建设国际化石油工程技术总承包商的发展定位，在科技进步方面，致力攻克重大工程技术瓶颈，加快弥补技术短板，精心培育优势特色技术，不断提升核心竞争力。
着力提升参与国内外高端技术服务市场核心竞争力，关键是拥有自己的高端技术利器，核心是自主研发能力。以随钻测量与控制技术为例，随着水平井技术在复杂油气藏和非常规资源开发中推广力度和应用规模不断加大，我们一直在思考，水平井如何能够“打得准”？这里所说的“准”，不仅要做到“指哪打哪”，而且还要“让钻头沿着油气层走”，这就需要先进的随钻地质导向技术。水平井如何能够“打得快”？水平段如何能够“打得长”？这就需要先进的旋转导向钻井技术做支撑。这些都对随钻测量与控制技术提出了更高要求。
长期以来，国际大石油工程技术公司凭借随钻测量与控制技术优势，垄断了国际高端市场和定价权。他们不是只服务不销售，就是销售价格高、供货周期长、应用范围控制严。在参与国际石油工程技术服务市场竞标过程中，我们意识到，没有自主知识产权的高端技术装备，就没有竞争力。因此，长城钻探积极实施科技创新战略，下决心研发拥有完全自主知识产权的高端技术装备，用技术利器敲开国际高端市场的大门，并占领一席之地。
高端无线随钻测量与控制技术研究，长城钻探不仅比国外大公司起步晚，与国内相关企业和研发机构相比，在研发起步时间上也落在了后面。为了迎头赶上，我们对研发模式进行了思考。一是不走模仿制造的路子。仿制的技术没有自主知识产权，无法与国外公司实现同台竞技。二是技术要达到国际一流水平。我们自主研发力量不足，国际一流大公司不与我们合作，与国际上非一流公司合作研制不出一流技术来，没有一流技术在市场竞标中仍然处于劣势。基于上述认识，我们最终选择与国际上知名专家团队合作，开发具有国际先进水平的随钻测量与控制技术。
研发模式确定后，我们编制了2010年至2015年研发规划。计划利用五年至六年的时间，完成GW系列随钻测量与控制技术的研发，大幅缩短与国际领先水平的差距。
发展规划指导科研实践。目前，随钻测量与控制技术几个课题正在按计划有序推进。一是实现了GW-LWD(BWR)随钻测井仪的系列化。从2010年2月开题，2011年10月通过集团公司科技成果鉴定，“实现了国内首次设计与制造”。到2012年年底，我们在国内建成了随钻技术中心和产业化基地，形成了直径120毫米、172毫米和203毫米随钻电磁波电阻率测井仪的系列化，累计制造23套，基本实现了研发、制造、服务一体化的能力，总体达到国际先进水平。二是GW-LWD(BWRX)随钻方位电磁波电阻率测井仪通过集团公司科技成果鉴定，“总体达到国际先进水平”。随钻方位电磁波电阻率测井仪测得的原始资料图层位清晰，储层边界方位标志明显；测量数据能准确反映边界变化，实时测得仪器到储层边界的距离与实钻情况吻合，实现了储层边界方位与距离的随钻实时测量，进而可实现随钻精准地质导向。三是完成了随钻电磁波电阻率近钻头地质导向仪工程样机的组装与调试。在国际上首次将随钻电磁波电阻率用于近钻头地质导向，测深度达到1米，拥有360度井眼围岩成像，可迅速探测储层边界。经过近两年的研制，已完成仪器组装调试，近期将进入现场试验。该技术试验成功后，使随钻测量储层边界的时间进一步提前，为及时调整井眼轨迹，提高储层钻遇率创造了条件。目前，该技术处于国际领先水平。四是在研课题按计划进展顺利。具有完全自主知识产权的指向式旋转导向钻井系统、随钻中子密度测井仪等课题的研究，正按计划有序推进。
如果指向式旋转导向钻井系统和随钻中子密度测井仪的研制两个课题也像前几个课题一样进展顺利，长城钻探“十二五”随钻测量与控制技术发展目标将全面实现。届时，中国石油随钻测量与控制技术水平总体上将达到国际先进水平，部分处于国际领先，为特殊工艺井和复杂结构井在国内外市场规模化推广应用，提供强有力的技术支撑。(作者刘乃震，为长城钻探副总经理、总工程师)