智能鉆井技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

顏江舟

摘要：智能鉆井包括但不只限于自動化鉆井，從本質(zhì)上來解釋，智能鉆井就是在鉆井過程中，融合應(yīng)用人工智能技術(shù)，使鉆井施工具有與人工智能特性以及功能相似的特點(diǎn)。本文介紹了智能鉆井技術(shù)的組成，從智能專家系統(tǒng)、計算機(jī)集成控制系統(tǒng)、井下導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)（旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)、地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)）、智能鉆桿技術(shù)傳輸?shù)确矫娼榻B了智能鉆井技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并分析了其未來在復(fù)雜地層超前探測與智能表征技術(shù)、復(fù)雜地層智能化破巖機(jī)理與導(dǎo)向控制技術(shù)、井筒穩(wěn)定性閉環(huán)響應(yīng)機(jī)制與智能調(diào)控技術(shù)等方面的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：智能鉆井;技術(shù)現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

1智能鉆井技術(shù)

智能化鉆井技術(shù)整體來說是一項(xiàng)多功能集成的技術(shù)工程，其本質(zhì)上是在自動化鉆井過程中，融合進(jìn)人工智能技術(shù)。整個技術(shù)流程依托于通訊和網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，能夠自動采集鉆井?dāng)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)井下和地面之間信息的高效傳輸，還能夠在線分析數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際情況改變策略，然后最終自動執(zhí)行。整個技術(shù)包括智能專家系統(tǒng)、計算機(jī)集成控制系統(tǒng)、井下導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、井下測量系統(tǒng)以及智能鉆桿等傳輸系統(tǒng)等[1]。

1.1智能專家系統(tǒng)

智能專家系統(tǒng)是整個技術(shù)的“大腦”，它的功能是接收井下傳上來的數(shù)據(jù)，由在線專家分析，然后根據(jù)結(jié)果重新再向井下發(fā)送指令。在計算機(jī)智能專家系統(tǒng)中安裝了數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫的編制由與鉆井相關(guān)的各行業(yè)專家共同參與，可以在實(shí)時分析井下數(shù)據(jù)時作為參考。井下儀器會將實(shí)時鉆井?dāng)?shù)據(jù)上傳到地面，智能專家系統(tǒng)對傳上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如果上傳的這些鉆井?dāng)?shù)據(jù)沒有超出數(shù)據(jù)庫范圍，那么系統(tǒng)就將指令實(shí)時反饋給井下。一旦鉆井?dāng)?shù)據(jù)不在數(shù)據(jù)庫的范圍內(nèi)，專家系統(tǒng)就會做相應(yīng)的判斷，向井下實(shí)時反饋原始設(shè)計的鉆井井眼軌跡指令，下發(fā)指令的同時，利用在線網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時的鉆井信息以最快的速度傳給鉆井專家，尋求他們的建議。

1.2計算機(jī)集成控制系統(tǒng)

計算機(jī)集成控制系統(tǒng)是智能鉆井系統(tǒng)的基礎(chǔ)，如果沒有網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，就無法實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備與遠(yuǎn)程專家系統(tǒng)的溝通互聯(lián)。另外，井下與地面之間的互聯(lián)也可以通過雙向高速通訊技術(shù)完成。地面計算機(jī)系統(tǒng)與井下測量、井下鉆井導(dǎo)向、智能鉆頭等系統(tǒng)一起組成構(gòu)成井下閉環(huán)鉆井系統(tǒng)。這樣一來，就能將地面與井下兩個單獨(dú)的系統(tǒng)聯(lián)系在一起。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)以及可視化圖像技術(shù)模擬實(shí)際的井下狀況，實(shí)現(xiàn)井下-地面-遠(yuǎn)程之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸[2]，完成鉆井施工的自動化決策、實(shí)時控制與調(diào)整。

1.3井下導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)

1.3.1旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)

目前，世界上最先進(jìn)的自動化鉆井技術(shù)就是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向。該技術(shù)的原理是，利用井眼軌跡，來實(shí)時了解鉆頭的鉆進(jìn)軌跡，并予以控制。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的技術(shù)重點(diǎn)是鉆井工具模塊，在井下可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向。鉆井施工過程中，可以通過系統(tǒng)來控制鉆柱，使其在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的同時，完成定向造斜、增斜、扭方位以及穩(wěn)斜鉆井，消除了常規(guī)鉆井必須要起下鉆才能調(diào)整的難題，這樣一來，受工藝改進(jìn)的影響，位移可以得到有效的延伸。

1.3.2地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)

除了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)，還有一種技術(shù)是從隨鉆測井上延伸過來的，成為地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)是通過收集井下的實(shí)時地質(zhì)參數(shù)，進(jìn)行分析和判斷，之后根據(jù)需要對最初的鉆井設(shè)計進(jìn)行調(diào)整，保證鉆頭順利到達(dá)目的層。該系統(tǒng)既能夠測量并控制井眼軌跡，又能實(shí)現(xiàn)隨鉆測井。地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)最形象的說法是給鉆頭安上了可以看到井下情況的“眼睛”。與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向數(shù)據(jù)不同的是，地質(zhì)導(dǎo)向上傳的數(shù)據(jù)是地層的孔隙流體以及巖石特性情況。這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬷?，地質(zhì)工作人員能夠?qū)崟r了解井下的地質(zhì)情況，與鉆井工程師結(jié)合，對鉆井的軌跡進(jìn)行評價，并作出實(shí)時的調(diào)整。

1.4智能鉆桿技術(shù)

很長一段時間內(nèi)，井下數(shù)據(jù)上傳是靠鉆井液，原理是將脈沖信息通過鉆井液上傳到地面，但是該技術(shù)傳輸速率太低，滿足不了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向以及地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)的要求，因此，一定程度上阻礙了鉆井新技術(shù)的推廣。鉆井過程中，數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸速率比較低，這是鉆井工程中一直存在的難題，而智能鉆桿技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，該技術(shù)在油氣勘探領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破。鉆井信息實(shí)時傳輸、實(shí)時分析等離不開智能鉆桿技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，大大減少了鉆井周期，降低了鉆井成本。

2智能鉆井未來發(fā)展

智能鉆井技術(shù)雖然已經(jīng)有了一定的發(fā)展，但是很多核心技術(shù)還需要更深入的研究。國外的智能鉆井技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了現(xiàn)場鉆井施工中，其可行性得到了很好的驗(yàn)證。而國內(nèi)的智能鉆井技術(shù)剛剛開始，水平上距離國外還有距離。智能鉆井技術(shù)在非常規(guī)、超深層等復(fù)雜地質(zhì)條件的油藏開發(fā)中能起到關(guān)鍵性的作用，所以，我國需要加大力度，從基礎(chǔ)理論入手，在關(guān)鍵技術(shù)與裝備的研發(fā)上加大力度，早日研發(fā)出全套的智能鉆井系統(tǒng)。

2.1復(fù)雜地層超前探測與智能表征技術(shù)

復(fù)雜地層鉆井施工中存在著一定程度的風(fēng)險，如果能提前對地層情況進(jìn)行超前探測，就會大大降低這種風(fēng)險，從而優(yōu)化鉆井參數(shù)，提高鉆井效率。這方面的研究內(nèi)容可以從智能鉆井傳感器的響應(yīng)速度入手，對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行更精確地采集。同時，可以促進(jìn)隨鉆測錄導(dǎo)的協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)智能一體化施工，以獲得更全面的井下參數(shù)，建立井下復(fù)雜地層的智能表征模型，以此為鉆井施工插上“翅膀”。

2.2復(fù)雜地層智能化破巖機(jī)理與導(dǎo)向控制技術(shù)

復(fù)雜地層的鉆井施工一直是個難題。在復(fù)雜井的智能鉆井過程中，為了能讓鉆頭按照設(shè)計軌跡鉆進(jìn)，需要從兩個方面的技術(shù)突破入手。其中一個是破巖原理，而另一個就是導(dǎo)向控制。破巖原理的主要核心技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)對破巖參數(shù)的動態(tài)響應(yīng)。而復(fù)雜井的智能導(dǎo)向控制技術(shù)則包括井眼軌跡的智能調(diào)控與優(yōu)化，智能鉆桿技術(shù)的深入研究以及智能鉆井過程的自適應(yīng)特性研究，最終目的是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地層智能鉆井過程的實(shí)時調(diào)整與控制。

2.3井筒穩(wěn)定性閉環(huán)響應(yīng)機(jī)制與智能調(diào)控技術(shù)

為了及時調(diào)控和優(yōu)化智能鉆井工程參數(shù)，實(shí)現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)鉆井的目標(biāo)，需要對復(fù)雜油氣井井筒穩(wěn)定性閉環(huán)響應(yīng)機(jī)制與智能調(diào)控技術(shù)攻關(guān)，主要是實(shí)現(xiàn)地面與井筒多參數(shù)雙向互聯(lián)，同時能夠完成多種井下參數(shù)的檢測，能夠智能識別井下鉆進(jìn)風(fēng)險。在對井下環(huán)境的響應(yīng)技術(shù)方面，加強(qiáng)智能材料的研發(fā)，提升鉆井液智能體系的自適應(yīng)水平，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜油氣井的全過程智能化管理。

3結(jié)束語

智能化是未來世界油氣工業(yè)發(fā)展的大趨勢。智能化鉆井技術(shù)已成為石油鉆井的核心要素，全面實(shí)現(xiàn)智能化、自動化鉆井新技術(shù)，不僅能增強(qiáng)石油鉆井的效率、減少人工操作失誤，還能降低作業(yè)成本、控制生產(chǎn)事故發(fā)生。隨著多年來的發(fā)展，我國的鉆井技術(shù)已經(jīng)得到了長足的進(jìn)步，鉆井過程的許多環(huán)節(jié)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)革新，大幅度提升了鉆井施工效率，提高了安全性能，為石油企業(yè)的效益提升起到了很大的推動作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜大巍.關(guān)于自動化智能化鉆井新技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2015，03（06）：69.

[2]毛軍.石油鉆井工程技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].西部探礦工程，2019，31（11）：50-51.