中国的页岩气储量位居世界前列。但是页岩气开发要用到的高端钻井装备，核心技术一度被国外公司垄断。航天科工集团与中石油联合，用十年时间破解了这个难题。高端钻井装备从无到有为何这么难？它的突破，将给我国的页岩气开采带来哪些革命性的变化？

(资料图片仅供参考)

百亿市场迎来了中国高端钻井装备

记者来到位于四川省三台县的秋林油气田时，钻井队的工作人员正在把旋转导向系统往钻井平台上吊装。这套装备长11.5米，相当于四层楼的高度。

航天科工集团三院天石和创公司副总经理 吕伟：用吊车把仪器吊到井口测试，测试完了正常，我们就要入井打钻了。

现场工作人员介绍，这口油气井设计井深是3300米，借助国产的旋转导向系统，这口井从开钻到完钻只需要20多天。而以前，用传统设备打一口这样的井，需要50天左右。现在不仅时间节省一半，单井成本节约就超过了150万元。

旋转导向系统能够在地层中任意方向自主行进，让直径0.2米的钻头在不到1米的薄油层中横向或斜向稳定穿行，像闻着“油味”走一样，为油气开采建立通道。如此智能的背后，是利用了航天器上使用的惯性导航和控制技术，结合石油钻井工程技术，通过综合创新，一举帮助我国油气开发实现了核心关键技术的自主可控。

近日，国际市场也传来了好消息，用来自中国的旋转导向系统，白俄罗斯列奇察油田420井顺利完钻。一趟钻就完成了井深4150米的油井作业，在当地引起了不小的轰动。至此，国产高端石油装备实现了国际市场零的突破。旋转导向系统国际市场容量每年大约100亿元。利用这个国产装备，目前已打井204口。

中石油西南油气田公司副总经理 乐宏：原来有的井是不可开发的，现在不但可以开发，而且可以高效开发。

从不可开发到可开发，差别就在于如今有了自己的国产高端装备。页岩气属于非常规天然气，开发难、成本高。中国页岩气开采刚起步时，外国油服公司带来了旋转导向系统，这让还在用传统方式打井的中国石油人羡慕不已：同样一口井，用国外设备打井的时间，比国产装备能快一倍。但是，外国公司的装备，只租不卖。

中石油西南油气田公司副总经理 乐宏：他就来一个工程师，带一小段旋转导向的工具，他一天的作业费用是我们这台大钻机40个人的队伍的运行费用的4至5倍。

中石油川庆钻采工程技术研究院副院长 白璟：我们川渝地区的地质条件非常复杂，在这个过程中他们遇到一点风险就撤，最让人不能接受的就是，他觉得风险大了，随时发一个电子邮件，然后带人员带着设备就撤走。

中国陆域页岩气可采资源为25.1万亿立方米。川渝地区被列为国家级页岩气开发示范区。但是，租用国外设备开采费用高昂，为了等国外设备，一个工程队停钻等一两个月的事情经常发生，最长一次等了63天，严重影响了开采进度。自主研发钻井效率高的旋转导向系统，迫在眉睫。

37次失败 “入地”难度不亚于“登天”

为了攻克高端钻井装备的核心技术难关，中石油找到了航天科工集团合作。但是，令合作双方没想到的是，在神舟飞船和嫦娥系列探测器上，已经用得很成熟的技术，在解决入地钻井的难题时，因为“水土不服”，花了整整十年才攻克了技术难关。

利用航天惯性导航和控制技术，研制团队用三年时间完成了旋转导向系统的原理样机研制。经过多次地面试验，产品性能良好。但首次进行井下试验时，意想不到的事情发生了。

航天科工集团三院天石和创公司董事长 孙全华：我们的样机第一次下井一点信号都没有，最后发现密封有问题，整个仪器从头到尾全部被泥浆给灌浆了。原来想井下至少要工作几十个小时才会出问题，结果连一分钟都没工作就出问题了。

三年心血，数百万的投资，一次试验就都归零了。高温、高压、高振动，井下工作环境的恶劣，远远超出了航天人的想象。

航天科工集团三院天石和创公司总工程师 岳步江：旋转导向系统是很难驯服的一项技术，我一直把它比喻成一个孙悟空，它就是既要有识别油气的火眼金睛，还需要有能够把井下跟地面连通的一根金箍棒，它才可以把油气开采上来。

别小看这根直径只有20多厘米的“金箍棒”，它集成了随钻测量、发电通讯、中枢控制、导向等八大模块，近3万个零部件，相当于一台井下智能机器人。

中石油川庆钻探首席专家 陆灯云：它主要是集机械、电子、液压、测量、控制多专业技术为一体的一个智能化工具，每一个部件的成功与否决定了我们整个功能性能的可靠性。

在航天科工集团三院的涿州工业园，智能生产线上正在加工的，是旋转导向系统的核心部件——加速度计。

航天科工集团三院加速度计副主任设计师 吴楠：这个就相当于旋转导向系统上的一个眼睛，用来寻找我们所需要的石油的区块。

加速度计上的石英摆片，在神舟飞船发射时高达6G的振动下，能稳定工作。但是，井下试验时最大振动达到20个G，摆片瞬间破碎，导致设备“失明”。

如何改进设计，提高设备在井下的防振功能，是航天人要解决的难题之一。他们在试验过程中遇到的最棘手的事，是井下无信号，导致井上井下失联。

航天科工集团三院天石和创公司仪器部副主任 马慧斌：我们这些年经历最多的故障现象就是无信号，一共是37个无信号造成的试验失败，所有井下仪器发生故障的结果，第一表现就会是无信号。

37次失败，又37次从头再来。找到无信号的原因、改进，再重新用仪器入井验证。在5年多时间里，中石油和航天三院80多人的联合研发团队一直在重复这个过程。光是断在井下的钻铤都有几十根。

屡战屡败，又屡败屡战。信号的难题解决以后，很快系统可靠性问题又成了拦路虎：要实现产业化应用，产品需要稳定工作200小时才算及格，但当时的平均工作寿命不到20个小时。一晃五年过去了，此时，研究经费已经捉襟见肘，如果技术上再没有突破，项目将面临下马的命运。

航天科工集团三院天石和创公司仪器部副主任 马慧斌：不想干了，别干了，是不是真别干了？甚至考虑过项目下马的事情。但是真不干了，这也是干了很多年的心血。这个东西就像自己的孩子，一点一点把它做出来的。不行了，说着说着就流眼泪了。

国家支持 钻井装备核心技术实现自主可控

研发人员告诉记者，旋转导向系统研发，难就难在工程应用。每一口井的地质状况、工程难度都不一样，而设备要实现产业化，就必须适应所有复杂的地质条件。国内先后有十多家单位进行过5到10年的攻关，绝大多数都半途而废了。就在中石油和航天科工的合作项目可能下马之际，国家对高端装备研制的政策调整，让这个项目绝处逢生。

针对高端装备制造业的发展，国家近年来发布了一系列政策和规划，明确指出要加快发展高端装备制造业，推动传统装备制造业向中高端迈进。

在旋转导向系统研制遇到瓶颈的节骨眼上，获得了国家立项。

中石油川庆钻采工程技术研究院副院长 白璟：第一是立项的支持，我让你继续干。第二是经费上的支持，第三是各种试验条件、验证条件，包括对于一些特殊的研发人员的组织的条件，就是对于研发团队而言，你们要什么都可以提出来，集团的科技部门予以最大能力的协调、组织和安排。

尽管在攻关过程中，又遇到了高温和造斜率的难题，但是中石油和航天科工集团组织了多次院士现场指导。

中石油川庆钻采工程技术研究院副院长 白璟：孙金声院士提示我们在设计过程中一定要考虑电控系统的冗余度，后来我们发现好多的问题都出现在由于井下的特种工况，它带来的冗余度设计不够，而出现的故障。

根据专家的建议进行改进后，装备的可靠性大幅提高。十年时间，旋转导向系统最终以突破6项关键技术的成绩，圆满通过了国家能源局组织的项目验收。

就在国产设备不断获得技术突破的同时，国外公司的设备，也悄然降价了。

中石油川庆钻采工程技术研究院副院长 白璟：单井的作业费用，从600多万元降到了不到200万元了。

目前，旋转导向系统国产化率实现了100%，性能整体达到世界先进水平。

航天科工集团三院天石和创公司董事长 孙全华：我们想的是不仅仅联合起来进行技术创新，我们将来还可以管理创新，机制创新，这样把我们的人才、资金、产业链整个都全部打通，把我们现有产品去更新迭代，将来研发更多的高端装备，去为国家的能源安全尽我们的一份力。

（总台记者 崔霞 文为民 王刚 温晓 张俊卿）

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