自動(dòng)化鉆機(jī)向智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)分析

景佐軍智慶杰唐 飛秦羿涵王 輝尋 明冉 洋范 磊

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心,陜西 寶雞 721002)

近年來(lái)，伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，石油鉆機(jī)歷經(jīng)了柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械式鉆機(jī)、SCR直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)、VFD交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)等發(fā)展階段。目前，石油鉆機(jī)已經(jīng)進(jìn)入到了自動(dòng)化鉆機(jī)階段，即，在絞車、泥漿泵等關(guān)鍵設(shè)備采用變頻驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，配置輸送、拆接、排放用的全套管柱自動(dòng)化裝備[1-2]，并通過(guò)司鉆控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)各個(gè)設(shè)備的集中自動(dòng)化操作，以及相應(yīng)的邏輯保護(hù)功能。國(guó)外石油鉆機(jī)已經(jīng)初步進(jìn)入到智能化初期階段，在現(xiàn)有自動(dòng)化鉆機(jī)方面又有了諸多新的技術(shù)提升。本文從我國(guó)自動(dòng)化鉆機(jī)當(dāng)前狀態(tài)、存在的技術(shù)瓶頸問(wèn)題、后續(xù)智能化發(fā)展亟需攻克的關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行闡述。

1 我國(guó)自動(dòng)化鉆機(jī)相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 自動(dòng)化鉆機(jī)級(jí)別涵蓋較為齊全

近年來(lái)，伴隨著中國(guó)石油集團(tuán)公司油氣勘探開(kāi)發(fā)作業(yè)提出的“四化”(注：四化為“標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、機(jī)械化、信息化”)和“五省”(注：五省為“省人、省心、省力、省時(shí)、省錢”)目標(biāo)的大力推進(jìn)，國(guó)內(nèi)在自動(dòng)化鉆機(jī)研制方面也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有、從單臺(tái)到批量、從3 000 m到9 000 m的全級(jí)別覆蓋。

該系列鉆機(jī)配置了地面堆場(chǎng)、鉆臺(tái)面、二層臺(tái)全流程的管柱自動(dòng)化作業(yè)設(shè)備，全機(jī)械化裝備輔助自動(dòng)控制程序使得人工作業(yè)強(qiáng)度大幅降低；采用頂驅(qū)與轉(zhuǎn)盤(pán)變頻驅(qū)動(dòng)共用切換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了頂驅(qū)電控房與鉆機(jī)電控房的集成，進(jìn)一步減少了設(shè)備搬運(yùn)車次；主驅(qū)動(dòng)設(shè)備的全面直驅(qū)化，降低了設(shè)備外形尺寸以及整體質(zhì)量。該批次鉆機(jī)截止目前已由中石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司完成了數(shù)十臺(tái)的生產(chǎn)制造，并在國(guó)內(nèi)陸上各主要油氣勘探區(qū)塊進(jìn)行作業(yè)，歷時(shí)近2 a的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，累計(jì)實(shí)現(xiàn)近百口井的作業(yè)，為一線生產(chǎn)作業(yè)提供了有力支撐和保障。我國(guó)研制的2款自動(dòng)化鉆機(jī)產(chǎn)品如圖1～2所示。

1.2 自動(dòng)化排管技術(shù)初獲成功

伴隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)提質(zhì)增效需求，國(guó)內(nèi)各石油裝備研發(fā)制造企業(yè)也都紛紛投入大量精力進(jìn)行自動(dòng)化排管系統(tǒng)的研究攻關(guān)[3-7]，也形成了諸多各具特色的單元裝備，為鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展提供保證。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱寶石機(jī)械)研制的DM型動(dòng)力貓道如圖3所示，可實(shí)現(xiàn)3根鉆桿集中輸送，大幅提升管具在地面與鉆臺(tái)間輸送效率。北京捷杰西公司研制的JJC型鐵鉆工如圖4所示，采用連續(xù)鏈?zhǔn)叫坫Q，有效降低對(duì)鉆具的損傷。三一集團(tuán)研制的電動(dòng)化二層臺(tái)排管裝置如圖5所示，可實(shí)現(xiàn)二層臺(tái)無(wú)人化作業(yè)。

圖1 大慶鉆探7 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)

圖2 渤海鉆探8 000 m四單根自動(dòng)化鉆機(jī)

圖3 寶石機(jī)械研制的動(dòng)力貓道

圖4 捷杰西JJC型鐵鉆工

圖5 三一集團(tuán)研制的二層臺(tái)機(jī)械手

1.3 司鉆集成控制技術(shù)已經(jīng)突破

以寶石機(jī)械idriller系統(tǒng)(如圖6所示)為代表的國(guó)產(chǎn)化司鉆集成控制系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，并在國(guó)內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量化應(yīng)用。以前，此類技術(shù)均為國(guó)外少數(shù)標(biāo)桿企業(yè)所壟斷，包括美國(guó)NOV公司的Cyberbase產(chǎn)品、挪威AkerSolutions公司的Drive view產(chǎn)品等。國(guó)產(chǎn)化的集成司鉆系統(tǒng)在功能上基本具備了國(guó)外同類產(chǎn)品的使用性能，包括智能防碰、邏輯互鎖、數(shù)據(jù)記錄、互備冗余等，并通過(guò)在國(guó)內(nèi)數(shù)十套鉆機(jī)中進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，有效提升作業(yè)安全性以及操作人員舒適性。

1.4 鉆機(jī)遠(yuǎn)程信息化監(jiān)測(cè)技術(shù)路徑打通

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行各業(yè)中的迅速推進(jìn)，石油鉆機(jī)的遠(yuǎn)程信息化監(jiān)測(cè)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)驗(yàn)證[8]。石油鉆機(jī)的作業(yè)多處于人跡稀少、交通不便的區(qū)域，但又由于該裝備中電氣自動(dòng)化、液壓傳動(dòng)等專業(yè)性，通過(guò)4G或衛(wèi)星傳輸手段實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以及后端專家的專業(yè)技術(shù)指導(dǎo)，已成為未來(lái)鉆機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

a 寶石機(jī)械idriller集成司鉆效果圖

b 寶石機(jī)械idriller集成司鉆產(chǎn)品圖

中國(guó)石油集團(tuán)公司在十三五期間啟動(dòng)了石油裝備物聯(lián)網(wǎng)(C10)工程項(xiàng)目，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)、柴油機(jī)組等重大裝備的數(shù)據(jù)歸檔回傳，各裝備制造企業(yè)在該統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)下也紛紛建立遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端平臺(tái)，有力提升了裝備的信息化水平。寶石機(jī)械建立了“鉆機(jī)遠(yuǎn)程服務(wù)中心”，如圖7所示，初步具備了運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)維護(hù)提醒、報(bào)警信息提示、故障排查指導(dǎo)、設(shè)備檔案歸檔、音視頻協(xié)同等功能；并支持不同用戶采取在各自終端對(duì)所管理鉆機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)查看，如圖8所示。

2 自動(dòng)化鉆機(jī)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中面臨的技術(shù)瓶頸

我國(guó)批量自動(dòng)化鉆機(jī)歷經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用，作業(yè)流程能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工藝需求，各設(shè)備功能均得到驗(yàn)證。但是，仍然存在相關(guān)問(wèn)題，這也成為發(fā)展智能鉆機(jī)的技術(shù)瓶頸。

圖7 寶石機(jī)械“鉆機(jī)遠(yuǎn)程服務(wù)中心”

圖8 寶石機(jī)械某鉆機(jī)監(jiān)測(cè)界面信息

2.1 系統(tǒng)作業(yè)效率問(wèn)題

當(dāng)前自動(dòng)化鉆機(jī)的整體布局和作業(yè)流程與傳統(tǒng)作業(yè)模式相比并無(wú)本質(zhì)的變化，總體思想還是在原來(lái)需要人工干預(yù)的環(huán)節(jié)通過(guò)增加液動(dòng)機(jī)械臂或?qū)Ｓ脵C(jī)構(gòu)來(lái)代替人員，并無(wú)流程的縮減和本質(zhì)革新，個(gè)別環(huán)節(jié)動(dòng)作較人工還更加繁瑣。新增多個(gè)自動(dòng)化設(shè)備(如圖9～10所示,包括：鉆臺(tái)機(jī)械手、鐵鉆工、泥漿盒、緩沖機(jī)械手、動(dòng)力卡瓦等)，使得鉆臺(tái)面布局緊張。由于設(shè)備防撞保護(hù)，使得并行作業(yè)環(huán)節(jié)減少。機(jī)構(gòu)在面對(duì)不同規(guī)格鉆具，以及交接位置偏差，總的響應(yīng)靈活性與人體有著不可逾越的差距，在一定程度限制了自動(dòng)化鉆機(jī)效率的提升。因此，自動(dòng)化鉆機(jī)在短時(shí)作業(yè)過(guò)程中的效率優(yōu)勢(shì)不明顯。在長(zhǎng)時(shí)作業(yè)過(guò)程，由于機(jī)構(gòu)動(dòng)作的可重復(fù)性和人工體力的下降，自動(dòng)化鉆機(jī)的優(yōu)勢(shì)明顯。

以地面輸送單根入井口為例，自動(dòng)化鉆機(jī)動(dòng)作流程為：

鉆桿由排管架滾入貓道V型槽→貓道舉升鉆桿上鉆臺(tái)→貓道推移鉆桿伸出至井口→吊卡扣合鉆桿→游車上提鉆桿→緩沖機(jī)械手扶持鉆桿底部→游車下放鉆桿至井口。

圖9 自動(dòng)化鉆機(jī)鉆臺(tái)布局

圖10 自動(dòng)化鉆機(jī)鉆臺(tái)交接鉆桿過(guò)程

常規(guī)人工作業(yè)流程為：

人工旋錐帽到鉆桿→風(fēng)動(dòng)絞車提升鉆桿至井口→人工扶鉆桿入井口。

由于人工作業(yè)過(guò)程中無(wú)需吊卡扣合參與，且鉆桿在上鉆臺(tái)過(guò)程中邊提升邊翻轉(zhuǎn)，這是目前自動(dòng)化鉆機(jī)所不具備的。

2.2 自動(dòng)化工具穩(wěn)定性及作業(yè)成功率問(wèn)題

當(dāng)前，以動(dòng)力貓道、鐵鉆工等為代表的管柱自動(dòng)化設(shè)備大幅降低了作業(yè)過(guò)程中的人員勞動(dòng)強(qiáng)度，深受一線作業(yè)工人的歡迎，但目前各企業(yè)研制的上述設(shè)備或多或少存在著長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性的問(wèn)題。由于其多采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其受溫度以及油品清潔度的影響非常大。隨著外部氣候的變化以及環(huán)境的惡劣，上述設(shè)備在貓道自動(dòng)拾取鉆桿、鐵鉆工一次上/卸扣、吊卡有效扣合、緩沖機(jī)械手準(zhǔn)確導(dǎo)向扶持對(duì)中、鉆臺(tái)機(jī)械手重復(fù)精確排管定位等方面都存在著無(wú)法有效保障成功率的問(wèn)題，各相關(guān)設(shè)備也無(wú)自動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)以適應(yīng)微小位置偏差；加之絲扣油涂抹以及拆卸護(hù)帽等工作仍需人員手動(dòng)實(shí)現(xiàn)，使得管柱輸送、排放等作業(yè)過(guò)程仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)化。

2.3 個(gè)別狀態(tài)檢測(cè)手段尚不成熟問(wèn)題

限于檢測(cè)對(duì)象(鉆具)規(guī)格/長(zhǎng)度的多樣性，以及鉆桿輸送過(guò)程柔性環(huán)節(jié)，使得鐵鉆工、鉆臺(tái)機(jī)械手等設(shè)備有效檢測(cè)管具精確位置和狀態(tài)成為瓶頸(如圖11所示)。另外，安裝于頂驅(qū)下部的吊卡存在360°以上的旋轉(zhuǎn)工況，在吊卡本體進(jìn)行扣合、載荷、傾斜角度等電信號(hào)直接檢測(cè)方式存在傳輸困難；尤其是管柱輸送及排放作業(yè)過(guò)程中需要人工參與部分協(xié)助工作(如圖12所示)，由于缺少人員位置精確檢測(cè)，存在設(shè)備傷人的安全隱患，在人機(jī)協(xié)同作業(yè)方面尚不成熟。

圖11 鐵鉆工識(shí)別鉆桿高度

圖12 人工協(xié)助鉆桿導(dǎo)向入鼠洞

2.4 各類數(shù)據(jù)零散并缺少系統(tǒng)分析整理問(wèn)題

據(jù)相關(guān)資料介紹，鉆井成本占油氣勘探開(kāi)發(fā)總成本的50%以上，提高鉆井速度可以極大節(jié)省整體作業(yè)成本?；诖髷?shù)據(jù)分析的鉆井過(guò)程優(yōu)化成為將來(lái)的大勢(shì)所趨[9-11]。作為勘探開(kāi)發(fā)的核心裝備，石油鉆機(jī)向智能化發(fā)展也離不開(kāi)大數(shù)據(jù)的分析。通過(guò)對(duì)歷史井位的地質(zhì)數(shù)據(jù)、勘探開(kāi)發(fā)工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等數(shù)以百萬(wàn)計(jì)數(shù)據(jù)的綜合分析，可以實(shí)現(xiàn)鉆井工程設(shè)計(jì)優(yōu)化、鉆機(jī)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化、地下井筒風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、鉆后時(shí)效評(píng)估等功能，鉆機(jī)則可更加高效地按照工藝需求和地質(zhì)特性，在最優(yōu)的鉆壓/轉(zhuǎn)速等參數(shù)下工作。目前，國(guó)內(nèi)上述不同類別的數(shù)據(jù)信息還都隸屬于不同的部門(mén)或環(huán)節(jié)，尚未形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，缺少數(shù)據(jù)的分析整理機(jī)制，對(duì)于大數(shù)據(jù)的深度挖掘和應(yīng)用都造成一定瓶頸。

2.5 井下智能工具及近鉆頭數(shù)據(jù)檢測(cè)傳輸問(wèn)題

未來(lái)智能鉆井的發(fā)展必然是井下、地面一體化，即，以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等為代表的井下智能化工具，實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的自動(dòng)分析判斷、調(diào)整處理、修正執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)超深井、高難度定向井、水平井、叢式井、多分支井等復(fù)雜井開(kāi)發(fā)的井筒軌跡控制。同時(shí)，通過(guò)井下儀器檢測(cè)技術(shù)，高效地實(shí)現(xiàn)近鉆頭處的鉆壓、泥漿等特性參數(shù)實(shí)時(shí)采集，借助于智能鉆桿等高速數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，將井底真實(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋給地面[12]，從而使鉆機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)合上述信息，實(shí)現(xiàn)懸重、泵沖的自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)而完成地面鉆機(jī)與井下參數(shù)的大閉環(huán)控制。目前，世界上較為成熟的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具包括貝克休斯公司的AUTO TRAK RCLS系統(tǒng)、斯倫貝謝的POWER DRIVER SRD系統(tǒng)、SPERRY-SUN公司的GEO-PILOT系統(tǒng)等。上述工具在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中已為鉆探用戶取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院、西安石油大學(xué)、勝利油田鉆井工藝研究院等相關(guān)科研院所也先后在此方面進(jìn)行了研究攻關(guān)，并有相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)出進(jìn)入到應(yīng)用階段。但是，目前在市場(chǎng)認(rèn)可度等方面相對(duì)國(guó)外產(chǎn)品仍有一定差距。

3 國(guó)內(nèi)鉆機(jī)智能化發(fā)展建議

3.1 全新流程方式的鉆機(jī)總體技術(shù)開(kāi)發(fā)

如前面所述，我國(guó)相關(guān)企業(yè)已經(jīng)完成了以管柱自動(dòng)化裝備為核心配置的自動(dòng)化鉆機(jī)研發(fā)制造。上述鉆機(jī)采用的是模擬常規(guī)鉆機(jī)人工作業(yè)動(dòng)作流程進(jìn)行機(jī)械化替代的技術(shù)路徑，這也是自動(dòng)化鉆機(jī)發(fā)展的必然階段。通過(guò)應(yīng)用，反映出了單元設(shè)備過(guò)多造成鉆桿交接復(fù)雜、鉆臺(tái)有效作業(yè)空間壓縮、并行作業(yè)工序減少、設(shè)備重復(fù)精度以及可靠性不高、系統(tǒng)作業(yè)效率有待進(jìn)一步提升等問(wèn)題。為此，國(guó)外相關(guān)企業(yè)已經(jīng)從作業(yè)流程著手，進(jìn)行了顛覆性原始技術(shù)創(chuàng)新，并取得了良好效果。建議智能化鉆機(jī)首先需要解決作業(yè)流程革新問(wèn)題。

由West Group公司研制的連續(xù)運(yùn)動(dòng)鉆機(jī)(CMR)采用了連續(xù)不間斷循環(huán)鉆井系統(tǒng)、液缸直推式無(wú)絞車提升系統(tǒng)、雙提升機(jī)械手系統(tǒng)、獨(dú)立立根系統(tǒng)等全新設(shè)計(jì)理念，使得鉆機(jī)性能得到大幅提升，如圖13所示。該鉆機(jī)連續(xù)不間斷循環(huán)鉆井系統(tǒng)可避免接單根時(shí)停泵卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，減少窄壓力窗口地層起下鉆柱時(shí)引起的井筒溢流和井漏，解決遭遇復(fù)雜井況時(shí)對(duì)井筒安全挑戰(zhàn)等系列問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)2套提升系統(tǒng)和多個(gè)操作手臂之間配合，進(jìn)行起下鉆作業(yè)或完成各種鉆井作業(yè)，相對(duì)于常規(guī)鉆機(jī)的單提升作業(yè)模式，作業(yè)中途無(wú)任何間斷停留。2套提升系統(tǒng)交替起下鉆作業(yè)，可使起下鉆速度達(dá)到3 600 m/h，效率是目前人工的數(shù)倍，鉆井周期節(jié)約50%以上，鉆井成本節(jié)約40%～45%，減少動(dòng)力系統(tǒng)二氧化碳排放量60%。

圖13 CMR鉆機(jī)雙提升機(jī)械手系統(tǒng)

3.2 電動(dòng)化鉆井機(jī)器人裝備開(kāi)發(fā)

以電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)為代表的機(jī)器人自動(dòng)化裝備具有傳動(dòng)精準(zhǔn)、響應(yīng)靈敏、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，尤其是其電動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)便于提取監(jiān)測(cè)，更容易實(shí)現(xiàn)智能化過(guò)程的信息監(jiān)測(cè)。智能鉆機(jī)的可靠發(fā)展必須以此高精準(zhǔn)性的電動(dòng)化執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為支撐。該形式鉆機(jī)機(jī)器人具有強(qiáng)大的自主學(xué)習(xí)、自主決策分析等功能，不僅獨(dú)立完成工作，還能根據(jù)作業(yè)過(guò)程微小偏差進(jìn)行自我調(diào)整[13]。同時(shí)，充分進(jìn)行設(shè)備的集成設(shè)計(jì)，減少參與過(guò)程的單元設(shè)備數(shù)量，進(jìn)而減少由于多設(shè)備參與井口作業(yè)、相互避讓導(dǎo)致的關(guān)聯(lián)設(shè)備等待時(shí)間(泥漿防噴、絲扣油涂抹等盡量與鐵鉆工一體化集成設(shè)計(jì)，減少各個(gè)單元散件獨(dú)立機(jī)構(gòu)進(jìn)出井口的無(wú)效時(shí)間)，挪威RDS等公司已經(jīng)進(jìn)行了鉆井機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用(如圖14)，并取得階段性成果；國(guó)內(nèi)石油裝備制造商應(yīng)該加強(qiáng)與機(jī)器人行業(yè)的聯(lián)合，開(kāi)發(fā)出滿足石油鉆機(jī)的防爆型大負(fù)載鉆井機(jī)器人。

圖14 RDS公司系列鉆井機(jī)器人

3.3 跨學(xué)科引進(jìn)圖像識(shí)別等技術(shù)開(kāi)發(fā)

檢測(cè)系統(tǒng)作為智能化鉆機(jī)的自主決策的信息來(lái)源和判別依據(jù)，非常關(guān)鍵，如前面所述部分環(huán)節(jié)依賴于傳統(tǒng)傳感器進(jìn)行檢測(cè)的方式已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。但是，其他行業(yè)內(nèi)依靠圖像識(shí)別、人臉識(shí)別等新興技術(shù)進(jìn)行特征狀態(tài)提取，其技術(shù)已經(jīng)日益成熟。國(guó)外NOV等公司也已經(jīng)通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行鐵鉆工上/卸扣過(guò)程中鉆桿接箍高度的識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)鐵鉆工鉗頭的自主升降來(lái)適應(yīng)作業(yè)高度 ，檢測(cè)準(zhǔn)確率已達(dá)98 %，取得了較好的效果[14]，如圖15所示。

同時(shí)，依據(jù)圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)人機(jī)并行作業(yè)的鉆臺(tái)區(qū)域進(jìn)行人員動(dòng)態(tài)站位實(shí)時(shí)檢測(cè)，解決了人機(jī)協(xié)同過(guò)程中的安全性問(wèn)題。

圖15 NOV圖像識(shí)別在鐵鉆工中應(yīng)用

3.4 基于大數(shù)據(jù)的智能鉆井專家系統(tǒng)建設(shè)

未來(lái)智能化鉆井系統(tǒng)將以遠(yuǎn)端智能鉆井專家系統(tǒng)為決策核心[15]。該系統(tǒng)應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器深度學(xué)習(xí)等算法，結(jié)合鉆機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)返回的地質(zhì)、工藝、裝備綜合數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化分析，從而為勘探開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)提供最優(yōu)鉆具組合、泥漿參數(shù)、鉆機(jī)工作參數(shù)等信息，提高鉆機(jī)的系統(tǒng)作業(yè)時(shí)效。另外，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析比對(duì)，可對(duì)井漏、溢流、鉆具刺漏、斷鉆具、溜鉆、卡鉆等地質(zhì)事故和工程事故進(jìn)行提前預(yù)警，從而提醒司鉆人員采取相應(yīng)的預(yù)防措施。國(guó)外的斯倫貝謝公司依托其多年來(lái)勘探開(kāi)發(fā)服務(wù)過(guò)程中積累的全球海量鉆井?dāng)?shù)據(jù)，建立了其智能鉆井專家平臺(tái)——“DELFI”[16]。該平臺(tái)集地球物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、油藏工程學(xué)、鉆井工藝學(xué)、采油工藝學(xué)等多專業(yè)知識(shí)為一體，可為鉆井工程項(xiàng)目進(jìn)行井眼軌跡設(shè)計(jì)、套管等鉆具組合設(shè)計(jì)、鉆井液設(shè)計(jì)和固井設(shè)計(jì)等提供一體化最優(yōu)解決方案。該平臺(tái)具有自主輔助決策功能，還會(huì)根據(jù)作業(yè)井位不斷豐富其數(shù)據(jù)庫(kù)信息，進(jìn)一步自主學(xué)習(xí)，充實(shí)其優(yōu)化的準(zhǔn)確度。我國(guó)缺少統(tǒng)一的上述后臺(tái)大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，大量鉆井?dāng)?shù)據(jù)未進(jìn)行數(shù)字化歸檔提取。然而，國(guó)內(nèi)各個(gè)裝備制造企業(yè)與鉆探業(yè)務(wù)的專業(yè)化分工，其往往不掌握上述數(shù)據(jù)信息，故該系統(tǒng)亟需由鉆井工藝部門(mén)聯(lián)合專業(yè)公司進(jìn)行開(kāi)發(fā)，從而支撐智能化鉆井技術(shù)的開(kāi)展。

3.5 井下工具及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)攻關(guān)

井下智能工具作為鉆井作業(yè)的“車前燈”和“方向盤(pán)”，是智能化鉆井系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。目前，限于基礎(chǔ)材料等瓶頸，國(guó)內(nèi)與國(guó)外同行標(biāo)桿企業(yè)具有一定的技術(shù)差距。建議國(guó)內(nèi)加大進(jìn)行高溫、高壓、耐腐蝕電子檢測(cè)元件的開(kāi)發(fā)，同時(shí)進(jìn)行智能鉆桿等井下高速率通訊技術(shù)的攻關(guān)，為智能化鉆井的系統(tǒng)完整性提供保障。

4 結(jié)論

1) 介紹了我國(guó)自動(dòng)化鉆機(jī)相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。分析了自動(dòng)化鉆機(jī)總體技術(shù)、自動(dòng)化排管技術(shù)、司鉆集成控制技術(shù)、鉆機(jī)遠(yuǎn)程信息化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用情況和效果。

2) 結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，提出了國(guó)內(nèi)自動(dòng)化鉆機(jī)在系統(tǒng)作業(yè)效率、自動(dòng)化工具穩(wěn)定性及作業(yè)成功率、個(gè)別狀態(tài)檢測(cè)手段瓶頸、數(shù)據(jù)零散并缺少系統(tǒng)分析、井下智能工具及近鉆頭數(shù)據(jù)檢測(cè)傳輸?shù)确矫娲嬖诘膯?wèn)題。

3) 結(jié)合智能化鉆井作業(yè)需求，提出鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)向智能化方向發(fā)展，需要進(jìn)行全新流程方式的鉆機(jī)總體技術(shù)開(kāi)發(fā)、電動(dòng)化鉆井機(jī)器人裝備開(kāi)發(fā)；引進(jìn)圖像識(shí)別等技術(shù)，解決檢測(cè)技術(shù)問(wèn)題。同時(shí)在大數(shù)據(jù)的智能鉆井專家系統(tǒng)建設(shè)、井下工具及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等方面加大研究力度。