未來10年極具發(fā)展?jié)摿Φ?0項油氣勘探開發(fā)新技術(shù)

楊金華 李曉光 孫乃達 張煥芝 邱茂鑫 焦 姣侯 亮 張珈銘 郭曉霞 劉知鑫

（中國石油集團經(jīng)濟技術(shù)研究院石油科技研究所）

中國石油集團經(jīng)濟技術(shù)研究院石油科技研究所長期從事世界石油科技跟蹤分析及我國石油科技發(fā)展戰(zhàn)略研究。為推動我國油氣勘探開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，研究團隊從眾多的候選技術(shù)中篩選出20項極具發(fā)展?jié)摿Φ男录夹g(shù)，現(xiàn)分述如下，以供業(yè)內(nèi)參考。

1 智慧地質(zhì)

大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)與地質(zhì)勘探融合發(fā)展，不斷提升地質(zhì)勘探的數(shù)字化水平，“地質(zhì)云”平臺的建立就是發(fā)展進程中的一個重要里程碑。借助“地質(zhì)云”平臺，可實現(xiàn)地質(zhì)調(diào)查信息高效共享和精準服務(wù)、地質(zhì)調(diào)查管理業(yè)務(wù)一體化和協(xié)同化、國內(nèi)外地學科研信息交流與多方協(xié)同。

展望未來，人工智能與地質(zhì)研究的深度融合，將催生出智慧地質(zhì)，實現(xiàn)由地質(zhì)大數(shù)據(jù)向智慧地質(zhì)的升級。智慧地質(zhì)涉及地球各圈層，包括地球形成與演化歷史，地球物質(zhì)組成及其變化，礦產(chǎn)資源形成、勘查與開發(fā)利用，人類環(huán)境的破壞、修復和保護等。智慧地質(zhì)可為礦物勘查提供可視化線索，開創(chuàng)礦物學的全新方向。智慧地質(zhì)在油氣行業(yè)應(yīng)用中，將有助于更高效地圈定最具潛力的區(qū)域、儲層和井位，提高探井成功率，促進增儲上產(chǎn)（圖1）。

圖1 地質(zhì)勘探數(shù)字化、智能化發(fā)展歷程

2 勘探開發(fā)一體化智能化協(xié)同平臺

多學科協(xié)作是油氣行業(yè)發(fā)展大趨勢，相關(guān)平臺建設(shè)一直是大型油公司和油服公司的戰(zhàn)略競爭制高點。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展，國際油公司和油服公司相繼推出多學科一體化協(xié)同平臺（環(huán)境），如斯倫貝謝公司的DELFI 平臺、貝克休斯GE公司的Predix平臺等。 DELFI 平臺是一個基于云計算的協(xié)同平臺，可實現(xiàn)多學科交互融合和勘探開發(fā)一體化，包括地質(zhì)—油藏—工程一體化，從根本上改變勘探開發(fā)工作模式，從而提高工作效率，實現(xiàn)綜合效益最大化。

隨著人工智能的快速發(fā)展，未來將打造“勘探開發(fā)一體化智能化協(xié)同平臺”，通過提供信息共享、技術(shù)創(chuàng)新、生產(chǎn)經(jīng)營一體化、智能化協(xié)同平臺或環(huán)境[1]（圖2），大幅度提升勘探開發(fā)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、一體化水平，促使復雜的計算過程（如建立模型、數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)分析和預測等）、更加順暢、智能、高效，加強信息共享、多學科協(xié)作，開啟勘探開發(fā)一體化、智能化新篇章。

圖2 勘探開發(fā)一體化智能化協(xié)同平臺示意圖

3 智能油田

數(shù)字油田經(jīng)過20多年的發(fā)展，油氣田開發(fā)已初步實現(xiàn)了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化，并開始向著智能化目標邁進。從最初的油田歷史數(shù)據(jù)歸檔管理以及生產(chǎn)、管理、經(jīng)驗數(shù)據(jù)的實時采集及存儲；到集成油田員工、油井、設(shè)備等信息，實現(xiàn)互通互聯(lián)、統(tǒng)一管理；再到生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸和儲存，油井與設(shè)備的遠程控制、自動優(yōu)化，自動報警、自動關(guān)停；最終實現(xiàn)利用已有的大量知識及經(jīng)驗對油田進行智能化開發(fā)的目的。相應(yīng)地，數(shù)字油田技術(shù)的應(yīng)用范圍也逐漸從井筒、油井擴展到油氣藏、油氣田，并將最終實現(xiàn)全資產(chǎn)覆蓋。

智能油田是數(shù)字油田未來的發(fā)展方向，將以一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)智能分析控制平臺為中心，無論固定資產(chǎn)、移動設(shè)備還是工作人員，都將成為數(shù)據(jù)的收集者和接受者，并直接同控制中心建立聯(lián)系。智能控制中心結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，通過分析海量數(shù)據(jù)，在全資產(chǎn)范圍內(nèi)實時完成資源合理調(diào)配、生產(chǎn)優(yōu)化運行、故障判斷、風險預警等，最終實現(xiàn)全部油田資產(chǎn)的智能化開發(fā)運營（圖3）。

圖3 智能油田資產(chǎn)管理

4 納米智能驅(qū)油技術(shù)

納米技術(shù)與提高采收率技術(shù)（EOR）融合集成，可解決傳統(tǒng)EOR技術(shù)不能解決或難以解決的問題，如波及效率低、費用昂貴、苛刻環(huán)境適應(yīng)性差及存在潛在儲層傷害等。納米智能驅(qū)油技術(shù)的研發(fā)思路是：納米驅(qū)油劑的“尺寸足夠小”，能夠基本實現(xiàn)全油藏波及；“強憎水強親油”，遇水排斥，遇油親合，具有自驅(qū)動力，實現(xiàn)智能找油；“分散油聚并”，能夠捕集分散油，形成油墻或富油帶并被驅(qū)出。納米智能驅(qū)油技術(shù)有望成為提高采收率的戰(zhàn)略接替技術(shù)，預期將大幅度提高最終采收率，應(yīng)用前景廣闊。未來油田開發(fā)將以納米材料為基礎(chǔ)，以化學改性為手段，在同一納米材料上集成多種功能，真正賦予納米材料目標性與智能性，將“一劑多能”“一劑多用”變?yōu)楝F(xiàn)實（圖4）。

圖4 納米智能驅(qū)油技術(shù)

5 井下油水分離技術(shù)

高含水是成熟油田面臨的重大挑戰(zhàn)之一，高含水油井開采過程中產(chǎn)液量高、含水率高，產(chǎn)液量與產(chǎn)油量成正比。為了增加產(chǎn)油量，一般采取大泵抽汲開采方式，該方式油水日處理量巨大，導致開采成本上升，而污水處理也會帶來潛在的環(huán)境問題。井下油水分離技術(shù)將油水混合物在井下直接分離，石油、天然氣和剩余水被開采出地面，地面產(chǎn)出液大幅降低，含水率大幅下降，可極大緩解地面處理站油水處理壓力，降低潛在的環(huán)境風險，是實現(xiàn)高含水油田經(jīng)濟穩(wěn)定開發(fā)的有效措施之一（圖5）。目前該技術(shù)正朝著結(jié)構(gòu)小型化、功能集約化、管理智能化的方向發(fā)展，未來將開辟“井下工廠”開發(fā)新模式。

圖5 井下油水分離技術(shù)示意圖

6 地下原位改質(zhì)技術(shù)

地下原位改質(zhì)是通過對地下儲層進行高溫加熱，將固體干酪根轉(zhuǎn)換為輕質(zhì)液態(tài)烴，再通過傳統(tǒng)工藝將液態(tài)烴從地下開采出來的方法。該技術(shù)具有不受地質(zhì)條件限制、地下轉(zhuǎn)化輕質(zhì)油、高采出程度、低污染等優(yōu)點，一旦規(guī)模化應(yīng)用，將對重質(zhì)油、頁巖油和油頁巖開采具有革命性意義。

殼牌公司地下原位改質(zhì)技術(shù)采用小間距井下電加熱器，循序均勻地將地層加熱到轉(zhuǎn)化溫度（圖6）。該技術(shù)通過緩慢加熱提升產(chǎn)出油氣的質(zhì)量，相對于其他工藝可以回收埋藏極深的巖層中的頁巖油，同時省去地下燃燒過程，減少地表污染，降低對環(huán)境的危害。為了避免地下水污染，殼牌公司開發(fā)了獨有的冷凍墻技術(shù)，可有效避免生產(chǎn)區(qū)域在頁巖加熱、油氣采出和后期清理過程中地下水的侵入。對于一個商業(yè)開采項目，根據(jù)加熱器間距和加熱速度，將地層加熱到轉(zhuǎn)化溫度的時間估計需要2～4年。試驗結(jié)果顯示，電加熱原位改質(zhì)工藝所生產(chǎn)油氣的能量值是所消耗能量的3倍。

圖6 地下原位改質(zhì)技術(shù)示意圖

7 高精準智能壓裂

近年來，水平井分段壓裂呈現(xiàn)壓裂段數(shù)越來越多、支撐劑和壓裂液用量越來越大的趨勢。從長遠看，實現(xiàn)壓裂段數(shù)少、精、準，才是水力壓裂技術(shù)的理想目標。目前業(yè)界正在探索大數(shù)據(jù)、人工智能指導下的高精準壓裂技術(shù)和布縫優(yōu)化技術(shù)，但是真正能夠“聞著氣味”走的壓裂技術(shù)還有待研究和突破。美國Quantico能源公司利用人工智能技術(shù)，將靜態(tài)模型與地球物理解釋緊密耦合，對不良數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制，形成高精度預測模型，用于壓裂設(shè)計，在二疊盆地和巴肯油田的100多口油井中使用后，與鄰井對比結(jié)果表明，優(yōu)化后的完井方案不僅可以使產(chǎn)量提高10%～40%，還能有效降低整體壓裂作業(yè)成本（圖7）。

圖7 高精準智能壓裂示意圖

隨著“甜點”識別、壓裂監(jiān)測技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，未來的高精準智能壓裂技術(shù)有望實現(xiàn)每一級壓裂都壓在油氣“甜點”上，可有效提高儲層鉆遇率和油氣產(chǎn)量，降低開發(fā)成本，降本增效意義重大。

8 智能化海底工廠

為應(yīng)對風、浪、流等惡劣海洋環(huán)境對海上油氣生產(chǎn)的影響，海上油氣生產(chǎn)尤其是深水油氣生產(chǎn)日益海底化。海底生產(chǎn)系統(tǒng)已得到規(guī)模應(yīng)用，并呈現(xiàn)以下發(fā)展特點。

（1）功能及處理能力不斷增加：主要包括水下分離、水下舉升、水下多相流計量、水下干濕氣壓縮、產(chǎn)出水回注等。

（2）適應(yīng)水深不斷增加：海底采油樹的最大安裝水深紀錄已達2934m。

（3）自動化水平不斷提升。為進一步提升海底生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化水平，國外已有公司在深水油氣開發(fā)中應(yīng)用了全電動海底生產(chǎn)系統(tǒng)，進一步削減深水油氣開發(fā)支出，預示海底生產(chǎn)系統(tǒng)將迎來全電動化時代。

隨著技術(shù)的不斷進步，未來將發(fā)展海底生產(chǎn)系統(tǒng)的升級版——海底工廠（圖8）。集油氣水三相分離技術(shù)、水下增壓技術(shù)、處理后的原油存儲海底、產(chǎn)出水處理后進行回注于一體的海底油氣生產(chǎn)及處理廠，可大幅減少海面油氣生產(chǎn)設(shè)施投入，甚至最終可實現(xiàn)全海底化生產(chǎn)。

圖8 海底工廠

人工智能快速發(fā)展，海底生產(chǎn)系統(tǒng)和海底工廠也將向著智能化方向發(fā)展，催生智能化海底生產(chǎn)系統(tǒng)和智能化海底工廠。

9 浮式LNG裝置（FLNG）

當前主流的浮式生產(chǎn)裝置包括浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（FPSO）、半潛式平臺（Semi）、張力腿平臺（TLP）和Spar（深吃水立柱式平臺）四大類。其中，F(xiàn)PSO應(yīng)用最為廣泛，2018年全球大約有180艘FPSO在役。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，F(xiàn)PSO相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟，并持續(xù)升級換代，TLP平臺已發(fā)展到第3代，Spar平臺已發(fā)展到第4代。這些浮式生產(chǎn)裝置適合的油氣生產(chǎn)模式是：海底生產(chǎn)系統(tǒng)+浮式生產(chǎn)裝置+油氣管道（或穿梭油輪）。

在缺乏海底管道設(shè)施的海域，國外正大力發(fā)展浮式LNG裝置（FLNG）。該裝置集天然氣生產(chǎn)、處理、液化、儲存、卸載功能于一體，開創(chuàng)了全新的海上天然氣開采方式。目前全球已有兩艘浮式LNG裝置投入使用（圖9），其中一艘FLNG裝置位于馬來西亞沙撈越海上；另一艘位于澳大利亞Browse盆地，離岸200km，實際作業(yè)水深250m，長度為488m，寬度為74m，年生產(chǎn)能力為LNG 360×104t、LPG 40×104t，儲存能力為43.75×104m3。伴隨越來越多的FLNG裝置投入運營，將推動海上邊際氣田、遠海氣田和深水氣田的高效開發(fā)。

圖9 已投用的兩艘浮式LNG裝置

10 海域天然氣水合物安全高效低成本開發(fā)技術(shù)

全球海域天然氣水合物資源量巨大，經(jīng)過長期的技術(shù)研發(fā)，中國、日本等國已成功試采，未來10年將有越來越多的國家進行試采[2]（圖10）。中國、美國、日本、印度、加拿大、德國、法國、英國等30多個國家都在大力開展技術(shù)攻關(guān)，以期早日實現(xiàn)天然氣水合物的商業(yè)開采。目前商業(yè)開采海域天然氣水合物面臨的最大挑戰(zhàn)一是成本問題，二是安全環(huán)保問題。為解決這些問題，需要應(yīng)用一系列顛覆性技術(shù)裝備。淺表層天然氣水合物將主要應(yīng)用鉸吸法進行開采，埋藏較深的天然氣水合物將應(yīng)用鉆井法進行開采。

天然氣水合物開采井在海底以下深度不會超過1000m，如應(yīng)用大型浮式鉆井裝置（鉆井船或半潛式鉆井平臺）及大型鉆機，實屬大材小用，極不經(jīng)濟。因此，為了降低鉆井成本，必須應(yīng)用成套的安全高效低成本技術(shù)裝備，如定制中小型浮式平臺、中小型海底防噴器、復合連續(xù)管鉆機、連續(xù)管鉆井、復合材料隔水管等，甚至實施無隔水管鉆井[3]。當天然氣水合物實現(xiàn)商業(yè)開采，將開啟一個嶄新的時代——天然氣水合物時代，屆時天然氣水合物將成為重要的接替資源。

圖10 天然氣水合物試采

11 壓縮感知地震勘探技術(shù)

油氣勘探目標日益復雜化，對地震數(shù)據(jù)精細化要求不斷增加。高密度地震數(shù)據(jù)采集可滿足地震信號的采樣需求，但生產(chǎn)成本過高?；趬嚎s感知理論的地震數(shù)據(jù)高效采集方法，突破了奈奎斯特采樣定理的限制，是地震采集實現(xiàn)降本增效的重要方法，將推動同步震源混采技術(shù)快速發(fā)展，同時帶動相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理、成像技術(shù)的發(fā)展[4-5]。

陸上、海上同步震源混合采集快速發(fā)展，為地震采集降本增效奠定了基礎(chǔ)，BP、斯倫貝謝、中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司在同步震源混合采集方面取得了重大技術(shù)進展?？捣乒驹趬嚎s感知地震采集、處理和成像方面進行了多項研究，開發(fā)出一套關(guān)鍵的集成技術(shù)系列，即壓縮地震成像（CSI）技術(shù)，其中主要包括非規(guī)則優(yōu)化采樣（NUOS）技術(shù)、混源采集技術(shù)、數(shù)據(jù)重建技術(shù)等，并已完成商業(yè)應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果證明，CSI技術(shù)在滿足處理、成像、AVO分析的基礎(chǔ)上，大大提高了采集效率，縮短了施工周期。在阿拉斯加陸上可控震源地震勘探項目中，利用NUOS采樣方法，克服了季節(jié)、環(huán)境的限制，采集效率大幅提高，經(jīng)過數(shù)據(jù)重建與數(shù)據(jù)處理，獲得了高分辨率圖像（圖11）。

圖11 NUOS道集與常規(guī)采集道集對比

12 人工智能地震解釋技術(shù)

地震解釋的速度和精度對勘探工作至關(guān)重要。傳統(tǒng)的地震解釋方法越來越難以應(yīng)對海量的地震勘探數(shù)據(jù)。為此，國外已經(jīng)有公司開始將機器學習應(yīng)用于地震解釋。例如，Geophysical Insights公司利用機器學習與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進行地震屬性分析，應(yīng)用于薄層解釋、直接烴類指示（DHI）等方面，減少地震解釋的不確定性，推動定量解釋的發(fā)展。

2017年，帕拉代姆公司開始了基于機器學習的地震解釋技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行巖相預測。公司開發(fā)了用于巖相分類的機器學習算法，嵌入SeisEarth解釋平臺，通過概率方法得到巖相數(shù)據(jù)體，以此描述巖相類型和分布。該方法運行速度快，所需人力少，能夠在量化不確定性分析時減少猜測，提供更加穩(wěn)定的油藏描述結(jié)果。應(yīng)用巖相分類的機器學習算法對美國二疊盆地地層數(shù)據(jù)進行分析，獲得了由各類巖性組成的3D地質(zhì)體（圖12）。

圖12 基于機器學習的二疊盆地儲層預測結(jié)果展示

基于深度學習等人工智能技術(shù)的地震解釋，充分利用海量數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析，可大幅縮短模型處理時間，改善地震道屬性實時計算及復雜地區(qū)盆地視覺分析，達到獲得更精確的地下信息、提高鉆探成功率的目的[6]。

13 彈性波成像技術(shù)

使用彈性波方程延拓后得到的多分量波場包含縱波和橫波信息。彈性波成像技術(shù)作為基于彈性波理論的地震勘探技術(shù)的重要分支，研發(fā)矢量信號處理、矢量噪聲壓制、縱橫波聯(lián)合初始速度建模等關(guān)鍵技術(shù)，改進彈性波全波形反演及成像效果，為儲層預測提供更加翔實的資料，是近些年地球物理領(lǐng)域研究重點（圖13）。彈性波成像技術(shù)可以分為兩類：一類以標量波場理論為基礎(chǔ)；另一類以矢量波場理論為基礎(chǔ)，矢量輸入、輸出，可以更好地保證地震資料的原始信息。彈性波成像技術(shù)目前仍處于理論研究階段，彈性波逆時偏移等研究近幾年不斷深入。實現(xiàn)九分量地震資料處理能力是今后研究重點，以三維彈性波正演為突破口，與高性能計算技術(shù)深度結(jié)合，可以大幅提升彈性波全波形反演和成像的效率與精度。

圖13 彈性波成像

14 隨鉆前探與隨鉆遠探技術(shù)

隨鉆前探技術(shù)主要包括隨地震前探技術(shù)和隨鉆方位電磁波前探技術(shù)兩類。2016年斯倫貝謝公司推出的EMLA樣機前探距離達到30m。

隨鉆遠探技術(shù)可以探測井筒周圍數(shù)十米距離內(nèi)的流體、油藏邊界，具有隨鉆油藏描繪、地質(zhì)導向功能。2015年斯倫貝謝公司推出GeoSphere服務(wù)，探測深度達30m，與包括SpectraSphere井下流體分析服務(wù)在內(nèi)的整套隨鉆測井技術(shù)以及地表測井技術(shù)結(jié)合使用，可產(chǎn)生真實反映油藏結(jié)構(gòu)與流體的測繪圖，有利于優(yōu)化井位，最大化油藏接觸，改善油田開發(fā)方案。2018年哈里伯頓公司推出的EarthStar服務(wù)，將探測距離提高到61m（圖14）。

圖14 隨鉆遠探和隨鉆前探

隨鉆前探與隨鉆遠探技術(shù)有利于隨鉆油藏描述和隨鉆地質(zhì)導向，及時識別前方“甜點”及儲層邊界，及時調(diào)整井眼軌跡和鉆井工程參數(shù)，更好地引導鉆頭鉆達“甜點”，提高儲層鉆遇率和單井產(chǎn)量，降低噸油成本[7]。展望未來，隨鉆前探與隨鉆遠探技術(shù)將會探測得更多、更準、更遠、更快，在隨鉆油藏描述和隨鉆地質(zhì)導向方面發(fā)揮更大的作用，并成為智能鉆井、智能油田的重要組成部分。

15 光纖測井技術(shù)

光纖材料具有抗電磁干擾、抗環(huán)境噪聲、電氣絕緣性及自身安全性強等特點，廣泛應(yīng)用于井下惡劣環(huán)境中的儲層參數(shù)測量。用于油氣井監(jiān)測的光纖傳感技術(shù)主要有分布式溫度傳感器、分布式應(yīng)力傳感器和分布式聲波傳感器。這些技術(shù)研究發(fā)展階段存在差異，其中，分布式溫度傳感器最成熟，已經(jīng)有近20年的井下應(yīng)用歷史；除分布式溫度傳感器，單點光纖溫度和壓力測量已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用；分布式壓力傳感器還處于開發(fā)階段[8]。未來的油氣井檢測將會因光纖技術(shù)進步發(fā)生重大改變：在井的全生產(chǎn)周期內(nèi)沿井筒進行連續(xù)測量，實現(xiàn)永久性監(jiān)測；即使在惡劣環(huán)境下，也可以提供全面的井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)；在不影響油氣生產(chǎn)的前提下，探測氣、水突破，識別套后竄流，探測泄漏，檢測各種管柱及完井設(shè)備的完整性（圖15）。光纖技術(shù)的應(yīng)用有利于促進智能完井、數(shù)字油田的發(fā)展。

圖15 光纖測井技術(shù)

16 “一趟測”測井技術(shù)

為了減少占用井場時間和簡化作業(yè)流程，目前測井作業(yè)已基本實現(xiàn)一串測，但仍無法滿足現(xiàn)實需求，以隨鉆測井代替裸眼井測井已成為測井行業(yè)的發(fā)展方向。實現(xiàn)“隨鉆一串測”目前已取得一定進展，仍有很多瓶頸技術(shù)亟待解決。如要實現(xiàn)一次下井即可測得所有測井數(shù)據(jù)，需要解決的問題則更多，如數(shù)據(jù)傳輸、存儲問題等。未來隨鉆測井技術(shù)將實現(xiàn)“一趟測”，并與“一趟鉆”同步進行[9]，不占用額外的作業(yè)時間，極大地簡化作業(yè)流程，有效降低測井成本?！耙惶藴y”技術(shù)能夠在鉆井過程中測量所需的所有測井信息，完成井下流體、巖心采樣，同時提供地質(zhì)導向、隨鉆油藏描繪等功能，從而大幅降低作業(yè)風險，提高儲層鉆遇率和單井產(chǎn)量。

17 耐超高溫井下儀器及工具

為應(yīng)對井下高溫高壓情況，需要使用耐高溫高壓的井下儀器、工具和材料，比如隨鉆測量（MWD）、隨鉆測井（LWD）、近鉆頭地質(zhì)導向儀、井下電池、鉆頭、鉆井液、導向工具、固井水泥、井下管材、完井工具等。隨著技術(shù)的進步，井下工具、儀器與材料的耐溫耐壓能力持續(xù)提升（圖16）。例如，國外MWD與LWD、旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)、螺桿鉆具的最高耐溫能力已分別達到200℃、200℃、230℃，鉆井液的最高耐溫能力已達260℃左右[10]。

未來10年，隨著石墨烯等新材料的引入以及封裝、冷卻、絕緣等技術(shù)的發(fā)展，井下儀器、工具的耐溫能力將整體超過230℃，甚至有望達到300℃，將有力地推動深層超深井層油氣勘探開發(fā)和高溫地熱開發(fā)利用。

圖16 耐超高溫井下儀器

18 智能鉆井

未來的智能鉆井主要由智能鉆機、井下智能導向鉆井系統(tǒng)、現(xiàn)場智能控制平臺、遠程智能控制中心組成，構(gòu)成有機整體，實現(xiàn)閉環(huán)控制。具有機器學習能力的智能鉆臺機器人和智能排管機器人將取代鉆臺工和井架工，實現(xiàn)鉆井作業(yè)的少人化。現(xiàn)場智能控制平臺將代替司機完成所有操控，司機從復雜的操作中被解放出來，不必長時間坐在操作椅上，只需在一些特殊情況下才接管現(xiàn)場操作。地質(zhì)導向、井下事故處理等關(guān)鍵作業(yè)可由遠程智能控制中心的智能控制平臺完成，從而實現(xiàn)操作的遠程化[11-12]。

在未來超級鉆頭的配合下，未來的智能鉆井將推行水平井超級一趟鉆，即表層井段一趟鉆，余下井段一趟鉆，有望大幅度降低鉆井成本（圖17）。

目前，國外已有油服公司和科創(chuàng)公司陸續(xù)推出鉆井相關(guān)智能產(chǎn)品。預計2025年有望進入智能鉆井初級階段，開啟智能鉆井新時代。未來的智能鉆井不是現(xiàn)有技術(shù)的簡單升級，而是鉆井技術(shù)的一次全方位深刻革命，將對鉆井業(yè)和從業(yè)人員產(chǎn)生深刻影響，大幅度提升鉆井效率、質(zhì)量和安全性。

圖17 智能鉆井

19 連續(xù)運動智能鉆機

為提高起下鉆和下套管的效率及安全性，挪威WeST鉆井產(chǎn)品公司研制出一種連續(xù)運動鉆機，已推出多款設(shè)計（圖18），主要具有如下特點。

圖18 連續(xù)運動鉆機設(shè)計

（1）連續(xù)起下鉆。鉆柱在起下鉆過程中完成上卸扣，而不像常規(guī)鉆機那樣需要停下來進行上卸扣。額定起下鉆速度分別為3600m/h、2700m/h、1800m/h，而常規(guī)鉆機起下鉆速度只有600～900m/h。

（2）連續(xù)下套管。套管在連續(xù)下入過程中完成連接。額定下套管速度為900m/h。

（3）連續(xù)循環(huán)。在起下鉆和鉆進過程中，鉆井液循環(huán)不間斷，有利于實施控壓鉆井，提高作業(yè)安全性。

（4）連續(xù)送鉆。在鉆進過程中，不用為接單根而停鉆和停泵，可以邊鉆進邊接單根，從而提高作業(yè)效率。

連續(xù)運動鉆機已進行現(xiàn)場測試（圖19），一旦投入商業(yè)應(yīng)用將成為新一代鉆機，代表了鉆機技術(shù)一次新的革命。隨著人工智能引入石油鉆井，未來將出現(xiàn)連續(xù)運動智能鉆機，將用人工智能機器人取代鉆臺工和井架工，進一步提高作業(yè)效率和安全性。

圖19 連續(xù)運動鉆機樣機

20 雙壁管反循環(huán)鉆井

挪威Reelwell公司經(jīng)過多年研究，推出了新的反循環(huán)鉆井技術(shù)——Reelwell鉆井技術(shù)，作為雙壁管反循環(huán)鉆井（圖20）[12]，主要具有如下特點。

（1）鉆井液在管中管內(nèi)反循環(huán)。鉆井液通過頂驅(qū)和頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)接頭向下泵入管中管的環(huán)形空間，從鉆頭噴嘴噴出，帶著巖屑向上流入底部鉆具組合與井壁之間的環(huán)形空間。因防噴器上方裝有旋轉(zhuǎn)控制頭，將管中管與井壁之間的環(huán)形空間封死，上返的鉆井液連同巖屑只得通過靠近井底的雙浮閥進入管中管的內(nèi)管，上返至地面，從而消除巖屑床問題，利于儲層保護。

（2）管中管充當電力和數(shù)據(jù)傳輸通道。管中管的內(nèi)管外壁經(jīng)過絕緣處理，充當同軸電纜，可以向井下供電，還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時、高速、大容量、雙向傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率高達6.4萬位/s。

（3）實現(xiàn)全過程控壓鉆井。井筒環(huán)空充滿清潔流體，與管中管內(nèi)的鉆井液具有不同的密度，可實現(xiàn)雙梯度鉆井，且可通過地面流量控制裝置實現(xiàn)控壓鉆井，更好地解決窄密度窗口問題，減少非生產(chǎn)時間，提高作業(yè)安全性。

該項技術(shù)已在陸上和海上進行了多次現(xiàn)場試驗。一旦投入商業(yè)應(yīng)用，將成為鉆井技術(shù)一次重大突破，并有望實現(xiàn)無隔水管鉆井。

圖20 雙壁管反循環(huán)鉆井

21 結(jié)束語

智能化是世界科技發(fā)展的大趨勢，也是油氣工業(yè)發(fā)展的大趨勢。人工智能與油氣工業(yè)融合發(fā)展，將引領(lǐng)油氣技術(shù)顛覆性創(chuàng)新，推動油氣工業(yè)從數(shù)字化邁向智能化。智能化將成為未來油氣工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的主攻方向之一，將給石油工業(yè)帶來一場全方位革命，催生智慧地質(zhì)、智能油田、智能物探和智能鉆井等。與此同時，為了增儲上產(chǎn)和降本增效，油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域還將陸續(xù)推出或應(yīng)用一些新技術(shù)、新工藝、新方法、新工具、新材料，它們與智能化一起將創(chuàng)造油氣工業(yè)美好未來。