出品：科普中國

製作：寒木釣萌

監製：中國科學院計算機網路信息中心

圖片來自Clive Rayton

來自《中國海洋石油報》的報道稱，中海油服研發的「貪食蛇」鑽井系統作業量上升200%。而我們的問題是，「貪食蛇」鑽井技術是什麼？神奇在哪裡？

動圖

在不少人的印象中，石油鑽井就是直直地往下打一個洞……

然而現實中，「洞」的種類可謂是五花八門，比如叢式井、大位移井、水平井、分支井等等。

圖為水平井

圖為分支水平井

圖為大位移井

上面這些井的共同點是，它們在地下的路徑是彎的。

上世紀20年代末，人們意外地發現，一口新鑽的井將稍遠處一口老井的井套給鑽穿了，這是大事故……

因此，如何將一口井在垂直方向上打得直直的，這也是很需要技術的，一不小心，井就在地層中變彎了。

而現在，人們需要鑽頭在地下上千米處像貪食蛇一樣，按照指定的方向彎曲前進，其難度就更大了——這就是定向鑽井技術。

定向鑽井在技術上充滿挑戰，但同時，其誘惑也大得驚人，讓我們來看一些例子。

例子一：

如上圖所示，海上有三個石油鑽井平台，它們共同開採海下的油氣資源。而我明知道，在海上搭建鑽井平台是相當昂貴的，可是假如，鑽頭能在地層中像「巡航導彈」一樣，可在遠距離內準確命中油藏，那麼，搭建一個鑽井平台就夠了，如下面的動圖：

動圖

例子二：

打直井當然是省時又省力，但很多時候它並不省錢。

如上圖，根據勘探，確定距離海岸不遠處的海底下有油氣藏，如果打直井，就需要在海面上搭建鑽井平台，可如果能讓鑽頭在地層中按指定方向前進，並準確擊中油藏，那麼，在陸地鑽井就可以了。

例子三：

勘探人員確定，某城市人民廣場下方有一塊油藏，但問題是，你不能在人民廣場上打井，大媽們必然不答應。

又比如，某座大山正中央的下方有一處油藏，可如果你從山頂上垂直打井，那顯然是傻透了。此時，最好的方法是利用定向鑽井技術，在山腳旁打井，然後鑽頭歪過去即可。

定向鑽井還有很多的優勢，這裡就不再舉例了。咱們來說說，它可能的一個「壞處」——方便偷油。

英文版維基百科上的資料顯示，1990年，伊拉克指責科威特在兩國邊界處通過定向鑽井，竊取了伊拉克大量石油。不過目前這只是一個指責而已，並無證據，因為隨後，伊拉克就被美國干翻了，這就是海灣戰爭。

如上，定向鑽井就是有這麼多好處，所以，其技術發展較早，且迭代也快，就像CPU一樣，目前已經發展到第四代，也就是「貪食蛇」鑽井系統。

第一代始於20世紀30年代。

而最新的一代，也就是第四代始於20世紀90年代末。

為了對比，咱們略微說一下第一代。早期，為了讓鑽頭在地層中轉向，石油開採公司使用的是「斜向器」。

第①步，在洞中某處，先用東西卡住。第②步，放入黃色的斜向器。

第③步，放入鑽頭，在斜向器的作用下，鑽頭轉向，打出一個斜孔。第④步，取出斜向器。

動圖展示如下：

動圖

第一代的技術麻煩得很，需要頻繁地安裝斜向器，每次安裝的時候還需要把整根鑽桿取出，費時費力。

第二代和第三代不介紹了，咱們直接看第四代。

動圖

如上，使用第四代技術時，鑽頭就像貪食蛇一樣，在上千米深的地層中不斷擊中油藏。它是怎麼實現的呢？兩種方式：

第一種叫做「指引鑽頭式」。

鑽頭後方，綠色箭頭所指處，有一個很巧妙的環，這個環可以控制鑽頭的指向。

動圖

如上面動圖，當鑽桿跑到環的上方時，鑽頭就斜向下鑽。同理，鑽桿位於環的底部，鑽頭就往上鑽，位於環的右邊，就往左鑽……

第二種叫做「側推鑽頭式」。

其鑽頭後方有支撐塊，間隔120度有一個，共3個。平時，支撐塊是縮進去的。若需要鑽頭斜向下走時，頂部的支撐塊就伸出來。

動圖

其原理不難理解，想像一下，兩堵相距1米的高牆把一小偷夾在中間，他在牆縫中狂跑，因為後面有狗在追，突然，小偷向右側伸出右手，然後小偷就撞死了。

這就是代表最頂尖技術的第四代「貪食蛇」鑽井系統，學名「隨鑽測井及旋轉導向鑽井系統」。

所謂的「隨鑽測井」，就是一邊往前鑽，一邊測量地層岩石的各項參數，並實時傳送到地面，工作人員處理後從而指導鑽頭的走向。測量方式有聲波、電阻、中子和伽馬射線等。

幾千米深的地層中，高溫高壓，如此嚴酷的環境下，還要在鑽桿上安裝cpu和各種探測元件，因此，「隨鑽測井及旋轉導向鑽井系統」並非單一的某門技術，它是材料科學、控制科學、核科學等大量學科融合後的結晶。

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，那麼這樣的井就叫做「大位移井」。

當「貪食蛇」鑽井系統出現後，人類打的大位移井中，水平位移這才首次超過10公里。我們都知道圓面積公式，π乘以半徑的平方。所以，一口大位移井理論上能控制314平方公里範圍內的油藏，當然，這只是理論上。

但不管怎樣，相比以前來說，「貪食蛇」鑽井系統對油氣藏的控制範圍可提高4到5倍，單井的採收率提高2至3倍，最大可節約一半時間。

正因此，「貪食蛇」鑽井系統被人們譽為鑽井技術皇冠上的明珠。2015年之前，這項技術一直被美國幾家公司壟斷，中國只能租用。而現在，我們也有了，正慢慢趕上來。

註：「中海油服」隸屬於中國海洋石油總公司。

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