若干智能鉆井裝備發(fā)展現(xiàn)狀及應用前景分析
——以四川盆地頁巖氣開發(fā)為例

劉清友

1成都理工大學 2油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室

0 引言

在“雙碳戰(zhàn)略”的大背景下，我國對天然氣的需求不斷攀升，加強天然氣的勘探開發(fā)力度，保障能源安全，是實現(xiàn)我國能源結構安全轉(zhuǎn)型的關鍵。而四川盆地是重要的產(chǎn)氣區(qū)，尤其是近年來頁巖氣的開發(fā)進入了空前繁榮階段。通過10余年的大力攻關，四川盆地中淺層頁巖氣已建成200×108m3的年產(chǎn)氣量規(guī)模，然而，四川盆地深層(3 500 m以深)頁巖氣資源更為豐富，占頁巖氣總資源量65%以上，走向深層是四川頁巖氣發(fā)展的必由之路[1]。

然而，深層頁巖氣開發(fā)面臨著更加復雜的地質(zhì)—工程條件，鉆井作業(yè)遇到的挑戰(zhàn)更嚴峻。一方面，隨著井深增加，鉆井縱向上穿越的復雜層系多，復雜事故概率大幅度增大。以N219井為例，?311.2 mm井眼段長2 000 m左右，穿越嘉陵江、飛仙關、茅口等易漏失地層，若處理不當極易出現(xiàn)“溢漏同存”的局面；另一方面，深層頁巖氣儲層可鉆性差，水平段長，儲層鉆遇率和機械鉆速受限。以L203井為例，定向作業(yè)后平均鉆速僅2 m/h，鉆柱托壓問題也很突出，鉆井周期高達106.99 d[2]。近些年，我國頁巖氣鉆井技術雖然有了長足的進步，但對于一些復雜情況的處理仍依賴經(jīng)驗，難以完全用科學手段實現(xiàn)安全高效鉆井。而智能鉆井是借助微機電技術、自動控制技術、通信網(wǎng)絡技術、大數(shù)據(jù)人工智能理論與鉆井工程緊密結合形成的集成化技術。智能鉆井系統(tǒng)要求在鉆進過程中進行各項數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，通過人工智能算法對數(shù)據(jù)進行客觀、科學地處理，然后對各項鉆井參數(shù)進行動態(tài)優(yōu)化和復雜情況的診斷決策，并由自動化機構執(zhí)行，進而提升鉆井效率及復雜事故應對能力，有望成為深層頁巖氣鉆井提速增效的有力支撐。以美國Haynesville頁巖氣區(qū)塊鉆井為例[3]，2009年以前，該區(qū)塊鉆井周期普遍在100 d以上，通過使用智能鉆井技術，如智能控壓，機械比能智能監(jiān)測、鉆柱震動智能預警、鉆井參數(shù)智能優(yōu)化軟件等，大幅提升了鉆井效率，在兩年內(nèi)實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，2011年后該區(qū)塊鉆井周期已普遍降低至50 d以內(nèi)，一些井達到30 d左右。

四川深層頁巖氣地質(zhì)條件復雜，加速智能鉆機、鉆桿、鉆頭、導向系統(tǒng)等關鍵智能鉆井裝備及工具的攻關至關重要。為此，本文針對這些關鍵鉆井裝備及工具的智能化現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)調(diào)研，論述了其在頁巖氣鉆井提速增效的重要作用，并探討了未來攻關方向，以期推動深層頁巖氣安全高效智能化鉆井。

1 智能鉆井系統(tǒng)技術構架

智能鉆井是自動化鉆井的進一步發(fā)展，其融合了大數(shù)據(jù)人工智能等理論，通過實時監(jiān)測各項工程、地質(zhì)數(shù)據(jù)，開展鉆井參數(shù)學習優(yōu)化與自適應調(diào)節(jié)、鉆井系統(tǒng)故障診斷與排除、復雜事故的識別及決策與應對，最終實現(xiàn)真正的無人干預的科學鉆井作業(yè)。

1996年，易先忠[4]結合國外智能鉆井發(fā)展形式，總結了智能鉆井的技術構架，在鉆機自動化、鉆井工藝及過程自動化的基礎上，提出了信息智能監(jiān)控系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡及井場機器人。王以法[5]指出智能鉆井系統(tǒng)需要解決“實時性”、“穩(wěn)定性”、“可靠性”及“自學習性”。而“自學習性”，即是區(qū)分自動化鉆井和智能鉆井的關鍵，其涉及到鉆井裝備智能控制、數(shù)據(jù)傳輸、人工智能學習及決策算法等理論。周方成等[6]提出智能鉆井系統(tǒng)必須具有井眼軌跡精確控制技術、鉆井參數(shù)實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)技術、智能網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)等為依托的實時決策技術等。李根生等[7]在搭建智能鉆井技術構架的基礎上，論述了智能決策、井眼優(yōu)化、鉆速優(yōu)化、智能導向、智能控壓及智能監(jiān)控等幾項關鍵技術的突破路徑與有機聯(lián)系，以及其背后的先進技術支撐，如大數(shù)據(jù)、人工智能、高性能計算、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等,如圖1所示。通過應用地面自動化鉆機、井下智能執(zhí)行機構、智能監(jiān)控與決策技術等，實現(xiàn)鉆井超前探測、閉環(huán)調(diào)控、精準制導和智能決策，從而大幅提高鉆井效率。綜上所述，智能鉆井技術是大數(shù)據(jù)人工智能與自動化鉆井技術相融合的革命性技術。國際上，貝克休斯、斯倫貝謝、哈里伯頓、道達爾、殼牌等國際知名石油公司也共同制定了自動化鉆井技術發(fā)展路線DSA-R[8]，“智能化”是該技術路線的終極目標。該發(fā)展路線較為完整地搭建了智能鉆井整體技術架構，包括傳感器與測量系統(tǒng)、通信、鉆機設備、控制系統(tǒng)、建模與模擬、人機系統(tǒng)、標準及認證等7大研究領域。

圖1 智能鉆井系統(tǒng)組成示意圖[7]

頁巖氣開發(fā)多采用井工廠模式以凸顯其效益，然而，目前的智能鉆井技術構架大多針對單井作業(yè)。因此，智能鉆井技術構架還應上升到平臺層面。筆者認為智能鉆井技術構架應進一步融合“群智慧”策略，即將每口井的實時數(shù)據(jù)上傳至基于平臺優(yōu)化的數(shù)據(jù)處理器，在整個平臺層面進行處理，實現(xiàn)整個平臺的數(shù)據(jù)共享、學習優(yōu)化、故障及復雜應對等，進而促進整個平臺的安全高效鉆井。例如，當平臺某口井的鉆速明顯高于其他井時，該井的地層參數(shù)、鉆進參數(shù)、鉆井液性能、鉆具組合等數(shù)據(jù)將被視為當前“個體最優(yōu)解”，基于該“個體最優(yōu)解”，運用群智慧相關算法，如蟻群、粒子群算法等，去引導搜索“群體最優(yōu)解”，這種策略能夠加速學習過程，有望在較短時間內(nèi)實現(xiàn)平臺所有井的動態(tài)優(yōu)化和鉆速提升。此外，若某口井鉆至某層位時發(fā)生井漏，相應的井漏數(shù)據(jù)及處理措施也可上傳至平臺處理器，供后續(xù)其他井的智能決策提供參考。綜上所述，筆者認為，可考慮將“群智慧”策略納入智能鉆井技術構架，以幫助平臺加速學習，更快完成最優(yōu)鉆井參數(shù)搜索及相關數(shù)據(jù)庫的更新，提高平臺整體作業(yè)效率及智能決策水平，以適應頁巖氣井工廠作業(yè)模式。

2 智能鉆機

隨著自動化技術、信息技術以及大數(shù)據(jù)人工智能理論的快速發(fā)展，常規(guī)鉆機向自動化、智能化發(fā)展已是必然趨勢。國外智能鉆機技術起步相對較早，美國Hunble oil和Byron Jackson公司于上世紀40年代末就已經(jīng)開始了智能鉆井設備的探索，經(jīng)過50年的發(fā)展，逐步形成了以Foramatic 2號自動化鉆機等為代表的一系列早期智能鉆井設備[9]。2004年，斯倫貝謝公司的遠程控制鉆井試驗[10]，標志著世界鉆井開始步入自動化鉆井階段。2011年，國民油井公司研制了Rapid自動化鉆機[11]，該鉆機具有一套水平—垂直管具處理系統(tǒng)，并配備自動化貓道，鉆機占地面積小，可自行部署設計，便于運輸和更快地現(xiàn)場裝配。全自動鉆井平臺與新型的管具處理系統(tǒng)相結合，顯著縮短了鉆井周期，提高鉆井效率。2014年，意大利Drillmec推出全新一代AHEAD液壓與電動雙驅(qū)動自動鉆機[12]，配備有“2桅”井架，或者“3桅”井架，可在鉆井中實現(xiàn)鉆柱全自動離線處理。2015年，挪威West公司研制的連續(xù)運動智能鉆機投入使用，接單根時無需停鉆、停泵，從而提高作業(yè)效率，實現(xiàn)了連續(xù)送鉆，可以節(jié)約50%的鉆井時間，降低鉆井作業(yè)成本40%～45%，減少碳排放60%。意大利B Robotics W公司推出了Genesis自動液壓鉆機[13]，其關鍵技術之一是利用長沖程液壓缸實現(xiàn)鉆柱上提下放，替代了老式的絞車，鉆柱提升更敏捷、更平穩(wěn)，提升速度可達1.5 m/s；此外，該鉆機還有重量輕，組件少，占地面積小的特點，運行成本較低。2021年，Nabor公司宣稱研發(fā)了世界第一臺全自動陸地鉆機[14]，在沒有現(xiàn)場作業(yè)人員手動操作的情況下，在美國Permian盆地完成了其第一口井的鉆井作業(yè)，總井深6 071 m,如圖2所示。

圖2 Nabors研發(fā)的PACE-R801全自動陸地鉆機[14]

近些年，我國的智能鉆機領域處于快速追趕狀態(tài)。2010年，國內(nèi)知名石油裝備企業(yè)，如寶雞石油機械、山東科瑞、四川宏華和中曼石油等，開始研制與自動化鉆機相配套的單體設備，已基本完成了鉆臺自動化產(chǎn)品的配套，并著手進行智能化鉆機的研制與生產(chǎn)[15]。2014年,寶雞石油機械有限責任公司開展了管柱自動處理系統(tǒng)、井口自動化工具、遠程司鉆等技術研究[16]。2015年，山東科瑞成功研制出9 000 m智能鉆機，并交付沙特阿美公司完成6口超深井的鉆井作業(yè)[17]。2021年，寶雞石油機械有限責任公司[18]在“十三五”管柱自動化鉆機研究成果基礎上，突破“一鍵式”人機交互等多項技術，創(chuàng)新研制出7 000 m自動化鉆機，在四川長寧—威遠國家級頁巖氣示范區(qū)正式投入工業(yè)性試驗。

目前智能鉆機的“智能化水平”整體有待提升。雖然某種程度上大大減少了人力，但大部分鉆機還只能稱作自動化鉆機，并未真正實現(xiàn)智能化。在當前的自動化鉆機的基礎上還需結合前沿人工智能理論，開發(fā)鉆機故障診斷、排除及鉆井參數(shù)自適應調(diào)節(jié)，以及鉆井復雜情況識別及決策等控制算法與軟件，從而真正實現(xiàn)智能鉆井。鉆機是個龐大而復雜的系統(tǒng)，基于目前鉆機智能化程度，短期內(nèi)實現(xiàn)完全智能化難度較大，可以開展單個功能模塊的智能化研究。例如，學習Nabor鉆機[14]的SmartDRILL系統(tǒng)，持續(xù)優(yōu)化上扣時間，實現(xiàn)上扣卸扣的智能化；針對頁巖氣井工廠化的開發(fā)模式，重視智能鉆機的小型化、輕量化、模塊化研究，以滿足四川山區(qū)地理環(huán)境多臺鉆機快速部署及安裝的需求。

3 智能閉環(huán)鉆井工具

智能閉環(huán)鉆井是指通過井下測量設備對井底工況，如鉆壓、鉆速、振動、流體壓力、溫度、地層信息等參數(shù)進行實時監(jiān)測并上傳，通過大數(shù)據(jù)人工智能軟件對鉆井參數(shù)進行動態(tài)優(yōu)化，并將優(yōu)化后的參數(shù)下載到井下智能執(zhí)行機構，進行實時調(diào)整，提高鉆井效率。此外，還應包括井下工具故障診斷及糾錯等功能。智能鉆桿和智能鉆頭是實現(xiàn)智能閉環(huán)鉆井的關鍵工具。智能鉆桿為井下和地面的高速雙向數(shù)據(jù)傳輸提供保障；智能鉆頭可作為井下智能執(zhí)行機構，根據(jù)指令優(yōu)化調(diào)整自適應調(diào)節(jié)。

3.1 智能鉆桿

實現(xiàn)地面與井下雙向數(shù)據(jù)的高速傳輸是智能鉆井的關鍵技術之一。智能鉆桿是在常規(guī)鉆桿的基礎上進行改造的，使其具備數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)墓δ埽瑵M足井下—地面信息的雙向高效傳輸和閉環(huán)控制流程，多采用嵌入多芯導線的方式實現(xiàn)。相對于鉆井液脈沖、低頻電磁波和隨鉆聲波無線傳輸技術，智能鉆桿的數(shù)據(jù)傳輸受鉆井液與地層影響小，傳輸速率快、抗擾能力強，具備全天候傳輸信息的能力，應用前景廣闊。

上世紀40年代,國外學者最先開始利用電磁感應耦合原理實現(xiàn)了鉆桿間的非接觸式數(shù)據(jù)傳輸。在70年代，前蘇聯(lián)學者研制了智能鉆桿電磁信號傳輸系統(tǒng)[19]。到90年代，美國Grant Prideco公司[20]研制的高頻信號傳輸裝置，傳輸速率可達1 Mbps。2003年，美國IntelliServ公司[21- 22]研制出IntelliServ的信息傳輸鉆桿下井試驗樣機，在美國能源部洛基山試驗中心正鉆的一口1 800 m井中進行了試驗，獲得高達2 Mbps的傳輸速率。2007年,IntelliServ[23]信息傳輸鉆桿正式投入商業(yè)應用，在歐洲北海挪威海域的Troll油田的一口復雜井中，用這套系統(tǒng)成功地側鉆了兩口水平分支井。2018年挪威CoreAll公司[24]推出一種新型智能鉆桿取心工具，該工具可在鉆井過程中實時將地層各種參數(shù)通過鉆井液傳輸?shù)降孛?，還能自行決定取心位置，并會自動將鉆進鉆頭切換成取心鉆頭，完成取心作業(yè)。

我國也開展了大量智能鉆桿方面的技術攻關，2006年,劉選朝等[25]結合有線對接技術，推出了一種智能鉆桿數(shù)據(jù)與電力傳送新型方式，大幅度改善鉆井實時數(shù)據(jù)的傳輸延時性。2010年，我國海隆石油管材研究所[26]研制的智能鉆桿采用了高溫高壓密封接頭結構，此結構能適應溫度-250～600 ℃、壓力300 MPa的惡劣環(huán)境，有效解決了智能鉆桿在密封、絕緣上存在的問題。2013年，孫浩玉等[27]對智能鉆桿磁感應傳輸技術及其信道特性進行了實驗研究，采用電容補償方式實現(xiàn)了20節(jié)鉆柱中115 kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。中國石油集團工程技術研究院有限公司[28]研制的智能鉆桿成功開展了現(xiàn)場試驗。

除數(shù)據(jù)高效傳輸外，筆者認為智能鉆桿可以看作整個井眼的“神經(jīng)中樞”，在智能鉆桿上開設通用接口與協(xié)議，配套研發(fā)不同功能的智能外接設備，形成“智能鉆柱系統(tǒng)”，如圖3所示，可大幅度拓寬智能鉆桿的應用。例如，研發(fā)電控可變徑扶正器，通過智能鉆桿傳遞指令，實現(xiàn)扶正器直徑地面調(diào)節(jié)，解決深層頁巖氣超長水平段鉆柱托壓、卡鉆問題；可研發(fā)鉆井液環(huán)空壓力監(jiān)測裝置，將其分布安裝在鉆柱上，實現(xiàn)沿鉆柱的環(huán)空流動參數(shù)的實時監(jiān)測，達到及時發(fā)現(xiàn)并鎖定漏失層位的功能，為頁巖氣鉆井井漏監(jiān)測及科學、高效堵漏提供指導。

圖3 智能鉆柱系統(tǒng)

3.2 智能鉆頭

鉆頭在井下工作狀態(tài)一直是學術界和工業(yè)界關注的熱點。近年來，國外研發(fā)出了智能鉆頭，通過將電路板、傳感器、存儲設備、電池等封裝于鉆頭內(nèi)，實現(xiàn)鉆進過程中鉆頭振動、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等參數(shù)的實時監(jiān)測[29]。這些監(jiān)測數(shù)據(jù)后續(xù)可用于個性化鉆頭設計、鉆井參數(shù)優(yōu)化、鉆具優(yōu)選等研究，以提高機械鉆速及單只鉆頭進尺。高性能智能鉆頭已成為石油鉆頭行業(yè)未來的發(fā)展趨勢。

國民油井公司研發(fā)了鉆頭黑匣子，實現(xiàn)了鉆頭多參數(shù)實時監(jiān)測[30]。哈里伯頓公司推出了Cerebro Force鉆頭，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、側向位移、振動、溫度、鉆壓和扭矩參數(shù)的高頻(1 000 Hz)監(jiān)測[31]。Antech公司推出了傳感器地層界面識別技術，借助新一代連續(xù)管鉆井技術，集成了井下鉆壓、扭矩和機械鉆速等參數(shù)傳感器和高速有線遙測技術，實現(xiàn)了英寸級分辨率的機械比能監(jiān)測[32]。貝克休斯斯公司的自適應鉆頭Terr Adapt[33]，能夠根據(jù)實時監(jiān)測結果自動調(diào)節(jié)鉆頭上的伸縮機構，實現(xiàn)PDC牙齒切削深度的調(diào)控，可有效降低粘滑及鉆頭震動，進而提高機械鉆速和進尺，整個過程無需地面介入。

目前，受制于井下數(shù)據(jù)傳輸技術的限制，大多智能鉆頭采用存儲式，即實時監(jiān)測數(shù)據(jù)臨時保存在存儲設備里，待鉆頭出井后才可讀取數(shù)據(jù)并進行解釋。這種模式迫使后續(xù)一系列基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析優(yōu)化工作滯后，因而降低了井下實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的價值。近年來，隨著無線電磁波短傳技術的進步，可考慮通過無線短傳技術實現(xiàn)鉆頭數(shù)據(jù)跨越螺桿等動力鉆具并上傳至地面的方法，但大量數(shù)據(jù)上傳至地面仍存在諸多難題。

四川盆地深層頁巖鉆遇復雜層位多，如須家河組地層石英含量可高達90%，地層研磨性極強，平均鉆速僅2 m/h[34]；部分茅口—棲霞組地層含燧石結合[35]，局部地區(qū)龍?zhí)督M有玄武巖[36]，以及其他軟硬交錯地層等，均易導致鉆頭鉆速慢，劇烈震動，損傷嚴重。目前做法是針對某一復雜地層，建立鉆頭與地層相互作用模型及鉆柱系統(tǒng)動力學模型，并相應研發(fā)個性化鉆頭[37- 47]。然而一只鉆頭往往無法同時適應所有的復雜層位，因而難以實現(xiàn)一趟鉆，因此亟待進一步研發(fā)自適應智能鉆頭。結合前文提到的“群智慧”平臺智能鉆井系統(tǒng)，筆者建議開展智能鉆頭研究時，一方面將數(shù)據(jù)高速傳輸技術研究提上日程，例如智能鉆頭—無線電磁波短傳—智能鉆桿組合數(shù)據(jù)傳輸技術等，旨在將鉆頭工況及井底環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳，為整個區(qū)塊高效個性化鉆頭設計、優(yōu)快鉆井技術模板的制定提供數(shù)據(jù)保障。另一方面，采用邊緣計算策略，將DSP、FPGA技術大量應用于智能鉆頭，提高智能鉆頭井下數(shù)據(jù)實時處理、優(yōu)化能力，通過實時調(diào)節(jié)鉆頭上的控制單元(如伸縮機構等)，實現(xiàn)鉆頭切削深度、切削齒傾角等自適應調(diào)節(jié)，真正實現(xiàn)“鉆頭的智能”。

4 旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)開展隨鉆數(shù)據(jù)的實時獲取、傳輸與處理，通過井下工具機、電、液控制元件對鉆進方向進行調(diào)控，提高鉆井效率和儲層鉆遇率。上世紀90年代，國外大型油服公司相繼推出了商業(yè)化應用的旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)。斯倫貝謝公司的PowerDrive系統(tǒng)、貝克休斯公司的AutoTrak系統(tǒng)已迭代至第三代，造斜率達(15°～17°)/30 m，耐溫175 ℃[48]。2018年，哈里伯頓公司研制了智能旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)iCruise，該系統(tǒng)集成了先進的傳感器、電子設備及高速處理器，具備了400 r/min轉(zhuǎn)速和18°/30 m造斜能力，可大幅縮短了鉆井周期[49]。2015年，中海油田服務股份有限公司打破了國外長期技術壟斷，自主研發(fā)了旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)Welleader，在渤海油田成功進行海上作業(yè)，最小靶心距2.1 m[50]。川慶鉆探公司CG Steer系統(tǒng)迭代至第二代，頁巖氣井實際造斜率10.5 °/30 m(最大12 °/30 m)，目前已在四川頁巖氣、長慶頁巖油和長慶致密氣等地區(qū)使用40余井次，累計進尺30 088 m[51]。

四川深層頁巖氣地溫梯度高、井下振動劇烈和高密度的油基鉆井液，使旋轉(zhuǎn)導向工具易失效、卡鉆，造成作業(yè)成本增大；黃金靶體薄，起伏不平，是提高儲層鉆遇率的障礙。旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)還需要在高性能智能處理器、電子器件抗溫抗壓等方面開展深入研究，提高井下設備的穩(wěn)定性和自適應性，最終實現(xiàn)根據(jù)所測得的地層參數(shù)、鉆井參數(shù)自動識別地質(zhì)狀況，自動進行井眼軌跡設計及控制，自動對所需的鉆井參數(shù)進行優(yōu)化與調(diào)整，達到真正的利用科學技術手段實現(xiàn)智能化穿越儲層，提高甜點的鉆遇率。

5 連續(xù)油管鉆井機器人

1996年，Norman等[52]首次提出了井下鉆井機器人的概念。WWT公司發(fā)明的井下機器人直徑120 mm，長度6.9 m，牽引力可達65 770 N，但相應的理論研究及現(xiàn)場應用情況未見公開[53]。2001年Sigmund[54]提出了獾式鉆探機器人的概念，獾式鉆探機器人集成了鉆頭、動力鉆具等完整的鉆井系統(tǒng)，但作為一種不可重復使用的勘探工具，其無法用于常規(guī)油氣鉆井與油氣開發(fā)。2018年，國防科技大學針對鉆井機器人進行了初步探索，但樣機及現(xiàn)場應用情況未見報道[55- 56]。

筆者于2009年提出了“未來智能鉆井系統(tǒng)”的構想，即通過智能鉆井機器人攜帶連續(xù)油管下入井底，通過在近鉆頭處施加鉆壓、實時監(jiān)測鉆進參數(shù)并優(yōu)化，從而實現(xiàn)智能鉆井[57]。2013年，提出了主動螺旋驅(qū)動輪式井下鉆井機器人結構方案[58- 60]，如圖4所示，其驅(qū)動輪和管壁/井壁之間形成一個減速機構，在不增加機器人零件的前提下，提高了機器人的減速比。2017年，通過采用自鎖支撐原理，研制了雙斜塊大牽引力連續(xù)油管鉆井機器人[61- 64]，解決了由于支撐力原因?qū)е碌臓恳Σ蛔愕膯栴}，為連續(xù)油管鉆井奠定了基礎。2018年，實現(xiàn)了在機器人內(nèi)部設置鉆井液流道；同時，率先提出了連續(xù)油管鉆井機器人牽引力、牽引速度聯(lián)合控制方法，建立了連續(xù)油管鉆井機器人牽引力、牽引速度聯(lián)合控制數(shù)學模型[65]，并研制了最新一代鉆井機器人原理樣機[66]，完成了系列牽引力及動態(tài)破巖等關鍵測試[67]，取得了良好的效果,如圖4所示。

圖4 鉆井機器人動態(tài)破巖測試[67]

目前，鉆井機器人的結構及控制系統(tǒng)設計已逐漸趨于成熟，然而，機器人鉆井參數(shù)智能閉環(huán)控制技術是實現(xiàn)機器人智能鉆井的關鍵。智能閉環(huán)控制是指井下機器人對鉆壓、鉆頭扭矩、工具面、鉆頭傾角、鉆速、振動、機器人自身姿態(tài)等多項鉆進參數(shù)進行實時監(jiān)測，通過人工智能算法對鉆進參數(shù)進行實時優(yōu)化，并由智能執(zhí)行機構調(diào)整鉆進狀態(tài)，實現(xiàn)鉆速、井眼軌跡控制等的自適應鉆井，此外，還應包括智能化故障診斷、抗干擾容錯控制等。在增加智能鉆井機器人導向功能基礎上，有望取代旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)。此外，鉆井機器人只需攜帶連續(xù)油管入井，在水平段中牽引連續(xù)油管并對鉆頭施加鉆壓，因而可有效避免頁巖氣水平井鉆柱托壓問題，可大幅提升機械鉆速和水平段機械延伸能力，實現(xiàn)頁巖氣水平井降本增效。目前，鉆井機器人智能閉環(huán)控制技術仍處于理論研究階段，通常采用井下底部鉆具的經(jīng)典模型，簡化井下非線性時變鉆井系統(tǒng)的力學行為，需要克服模型參數(shù)過多或者控制模型不適配的難題。此外，現(xiàn)場部署鉆井機器人智能閉環(huán)控制技術還面臨著井下高溫高壓電子與液壓元件耐久性、鉆井機器人狀態(tài)與井筒工況智能感知、鉆井機器人姿態(tài)穩(wěn)定高效智能控制等技術瓶頸，亟需在這些方面取得突破。

6 結論與建議

深層頁巖氣開發(fā)面臨諸多復雜地質(zhì)—工程難題，智能鉆井技術及裝備的推廣應用，有望加速實現(xiàn)頁巖氣鉆井降本增效。當前，國際上智能鉆井技術仍處于發(fā)展初期階段，為此，本文針對幾項值得重視的關鍵智能鉆井裝備及工具，開展了系統(tǒng)調(diào)研，分析了其在頁巖氣開發(fā)中的關鍵作用，并對未來發(fā)展方向進行了展望，以期對四川頁巖氣安全高效智能鉆井提供支撐。

(1)當前的智能鉆井技術構架大多用于單井作業(yè)，針對頁巖氣開發(fā)的井工廠模式，智能鉆井技術構架應進一步融合“群智慧”策略，以實現(xiàn)平臺各井的數(shù)據(jù)共享、學習優(yōu)化、故障及復雜應對等，進而實現(xiàn)整個平臺的安全高效鉆井。

(2)目前大部分智能鉆機僅能稱作自動化鉆機，還需加強與人工智能理論的結合。可針對鉆機不同智能模塊，如作業(yè)流程排序、管柱智能裝卸等，開展智能化研究，逐步實現(xiàn)鉆機的“智能”。此外，針對山地井工廠的需要，強化小型化、輕量化研究。

(3)智能鉆桿可為智能鉆井提供強大的數(shù)據(jù)通訊保障。要把智能鉆桿開發(fā)成萬能井下通訊通道，配套研發(fā)不同功能的智能外接設備，如電控可變徑扶正器、環(huán)空壓力監(jiān)測器等，建立“智能鉆柱系統(tǒng)”，大幅拓寬智能鉆桿的應用。

(4)現(xiàn)有智能鉆頭大多為“存儲式”，應加快研發(fā)智能鉆頭—地面數(shù)據(jù)高速傳輸技術。此外，采用“邊緣計算”策略，提高鉆頭數(shù)據(jù)的井下智能優(yōu)化處理控制能力，實現(xiàn)鉆頭切削深度等破巖參數(shù)的自適應調(diào)節(jié)，提高四川頁巖氣復雜地層“一趟鉆”鉆井能力。

(5)旋轉(zhuǎn)導向工具已大量用于頁巖氣鉆井，但針對四川深層頁巖氣鉆井高溫、井下劇烈振動和高密度油基鉆井液等惡劣工況，還需在高性能智能處理器、抗溫抗壓電子及液壓器件等方面開展深入研究；此外，建議開發(fā)旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的鉆井參數(shù)調(diào)控功能，進一步實現(xiàn)提速增效。

(6)連續(xù)油管智能鉆井機器人是解決頁巖氣超長水平段鉆柱托壓問題的方法之一。然而，鉆井機器人智能閉環(huán)控制技術仍處于理論研究階段，還需針對井下底部鉆具動力學行為、機器人控制模型適配性、高溫高壓電子與液壓元件耐久性、鉆井機器人狀態(tài)與井筒工況智能感知，以及機器人姿態(tài)穩(wěn)定高效智能控制等方面加強研究。