鉆井自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究

王亞東

（大慶鉆探工程公司鉆井四公司，吉林 松原 138000）

經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展使世界各國對石油和天然氣等碳?xì)浠衔锬茉吹男枨罅看蠓仍黾覽1-2]。鉆井作業(yè)是石油和天然氣產(chǎn)業(yè)最重要的環(huán)節(jié)之一，也是獲得地下資源的主要途徑之一。與鉆井活動(dòng)相關(guān)的工藝和技術(shù)創(chuàng)新都有助于提高鉆井作業(yè)效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性。為了高效開采石油和天然氣資源，近幾十年來鉆井工程獲得了廣泛的關(guān)注并取得了突飛猛進(jìn)的技術(shù)進(jìn)步。在油田鉆井行業(yè)，鉆井自動(dòng)化可以大幅度提高生產(chǎn)效率、提升鉆井質(zhì)量、降低人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和管理風(fēng)險(xiǎn)。本文介紹了近年來鉆井自動(dòng)化的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[3-4]。

1 鉆井自動(dòng)化發(fā)展歷史

為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和提升鉆井質(zhì)量，降低人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和管理風(fēng)險(xiǎn)，鉆井工程行業(yè)對鉆井自動(dòng)化技術(shù)的研究給予了更多的關(guān)注。隨著鉆井自動(dòng)化系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，鉆井工藝從傳統(tǒng)方法向自動(dòng)化技術(shù)轉(zhuǎn)變。通過硬件和軟件相結(jié)合，大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)和人工智能等技術(shù)的整合為提高鉆井作業(yè)效率提供了基礎(chǔ)[5-6]。

1999 年Kaber 將自動(dòng)化水平分為10 級，其中最低級為手動(dòng)控制，最高級為全自動(dòng)化控制，中間的8個(gè)級別分別是：行動(dòng)支持、批處理、共享控制、決策支持、混合決策、剛性系統(tǒng)、自動(dòng)決策和監(jiān)督控制。自動(dòng)化的控制過程可以分為：監(jiān)控（即觀察系統(tǒng)性能）、生成選項(xiàng)（即提供建議）、選擇選項(xiàng)（即做出決定）和實(shí)施響應(yīng)（即控制）。Kaber認(rèn)為將人類決策與計(jì)算機(jī)處理相結(jié)合可以大幅度提升工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化水平。例如：井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)只需要監(jiān)督控制（自動(dòng)化分級為8～9 級），而地面方位控制是一個(gè)共享控制系統(tǒng)（自動(dòng)化分級為4級）。Kaber還研究了開放、協(xié)作計(jì)劃（例如為數(shù)據(jù)交換創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)化的開放環(huán)境）對促進(jìn)系統(tǒng)自動(dòng)化發(fā)展的影響。

2007 年Eustes 分析了鉆井平臺(tái)自動(dòng)化的演變過程：①機(jī)械化階段（用機(jī)械動(dòng)力代替人力）；②半自動(dòng)系統(tǒng)階段（人來控制機(jī)器）；③全自動(dòng)階段（自主操作）。最終的全自動(dòng)階段（LOA10），是鉆井技術(shù)上的一大進(jìn)步，意味著至少在鉆機(jī)工作期間，設(shè)備可以在沒有人工干預(yù)的情況下運(yùn)行。

2013 年S?ndervik 描述了自動(dòng)化鉆井平臺(tái)所需使用的智能機(jī)器人的性能。雖然目前鉆井系統(tǒng)自動(dòng)化基礎(chǔ)設(shè)施的一部分已經(jīng)處于高度自動(dòng)化水平，但其中涉及的其他系統(tǒng)和子系統(tǒng)仍有很多需要完善的技術(shù)。目前，部分井下儀器和測量系統(tǒng)（例如旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)）已經(jīng)可以將井下鉆頭的實(shí)時(shí)情況通過通信網(wǎng)絡(luò)傳遞到工程師的辦公室。2009年Daireaux等人開發(fā)的軟件模型可以監(jiān)控鉆井作業(yè)的全過程，并向鉆井人員和其他監(jiān)控人員提供建議。2013 年Beggs 和Abadie 的研究指出，數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建為鉆井信息的實(shí)時(shí)提取和處理提供了重要的基礎(chǔ)。

由于石油鉆井平臺(tái)等鉆井設(shè)備的自動(dòng)化對油氣資源的勘探和開發(fā)產(chǎn)生了重大影響，許多石油公司已經(jīng)開始為其鉆井設(shè)備（例如海上石油鉆井平臺(tái)）配備自主鉆井控制系統(tǒng)。目前歐洲石油和天然氣公司的海上平臺(tái)已經(jīng)能夠在沒有操作人員的情況下執(zhí)行鉆井作業(yè)。截止目前，自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)從海上平臺(tái)拓展到陸上平臺(tái)，特別是頁巖油氣和煤層氣勘探開發(fā)。

2020 年Creegan 和Jeffrey 開發(fā)了智能鉆井優(yōu)化程序，這項(xiàng)新技術(shù)使用人工智能算法使系統(tǒng)具有持續(xù)的自我學(xué)習(xí)能力，使其能夠主動(dòng)解決鉆井過程中發(fā)生的各種問題，同時(shí)最大限度地提高機(jī)械鉆速并優(yōu)化鉆井參數(shù)。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于它在鉆井過程中減少了對人的依賴，降低了鉆井事故發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)反應(yīng)緩慢或做出錯(cuò)誤指令的風(fēng)險(xiǎn)。該套系統(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用期間將機(jī)械鉆速提高了60%。

在3D可視化技術(shù)的推動(dòng)下，井下工具的自動(dòng)化能力也得到了提升。為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的井位布置，Haliburton推出了名為iCruise 的智能鉆頭產(chǎn)品，該智能鉆頭可以提高鉆具轉(zhuǎn)向性和鉆井性能，可實(shí)現(xiàn)精確轉(zhuǎn)向和準(zhǔn)確定位，使承包商獲得更可靠的鉆頭性能和更快的鉆井速度從而大幅度縮短井周期。

為了在鉆井作業(yè)過程中實(shí)現(xiàn)決策自動(dòng)化，Motive Drilling Technologies 公司開發(fā)了一種定向鉆頭引導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在鉆井平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)決策自動(dòng)化。該系統(tǒng)可以在不影響井筒質(zhì)量的情況下減少鉆井時(shí)間，從而提高鉆機(jī)效率。鉆頭引導(dǎo)系統(tǒng)使用最新的井下計(jì)算程序，并裝備具有自我完善功能的自動(dòng)決策算法。Baker Hughes 研發(fā)的i-Trak 鉆井自動(dòng)化設(shè)備也是一種具有井下狀況預(yù)測、診斷和高速處理功能的先進(jìn)電子設(shè)備，可幫助做出有效的鉆井決策和實(shí)時(shí)管理。

為了在鉆進(jìn)過程中減小阻力和降低狗腿度，NOV公司開發(fā)了井下自動(dòng)螺桿，該螺桿的轉(zhuǎn)速更高，可以改善井眼清潔狀況、改善井眼軌跡并提高機(jī)械鉆速。Schlumberger 公司的OptiDrill 實(shí)時(shí)智能鉆井工具能夠收集地面和井下數(shù)據(jù)，并使用先進(jìn)的算法實(shí)現(xiàn)事故預(yù)測并提交報(bào)告，該系統(tǒng)的開發(fā)可以幫助鉆井工程師進(jìn)一步降低鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、減少工具失效概率并提高鉆井效率。

井控也是鉆井作業(yè)過程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，美國的墨西哥灣井噴事件以及國內(nèi)開縣的井噴事故均表明，在鉆井作業(yè)過程中需要采取嚴(yán)格的井控措施。而井控自動(dòng)化系統(tǒng)則成為快速識(shí)別、決策和應(yīng)對井控事件的重要技術(shù)。Safe Influx 公司開發(fā)了自動(dòng)化井控解決系統(tǒng)，現(xiàn)場應(yīng)用證明，該系統(tǒng)可以為司鉆提供井控決策技術(shù)支持，大幅度降低司鉆在面臨井涌、井噴事故時(shí)容易因人為因素帶來的風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)能夠檢測井筒中是否存在流體涌入情況，并根據(jù)井控標(biāo)準(zhǔn)做出有利的決定，然后自動(dòng)啟動(dòng)井控操作，從而實(shí)現(xiàn)安全關(guān)井。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，這項(xiàng)革命性技術(shù)能夠減少井下流體的流入量，這意味著可以減少因?yàn)檠舆t操作帶來的損失和恢復(fù)鉆井所需要的時(shí)間，該技術(shù)可以提供自動(dòng)化二級井控，從而在提高鉆井效率的同時(shí)降低井控風(fēng)險(xiǎn)。

2021 年Sharma 等設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的試驗(yàn)臺(tái)（粘滑模擬器）來識(shí)別和預(yù)測井下鉆柱的環(huán)境情況（例如扭轉(zhuǎn)和振動(dòng)等）。該實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)使用機(jī)電一體化的機(jī)械和電氣組合來分析鉆柱振動(dòng)情況。測得的振動(dòng)模式是轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆壓、鉆頭卡阻時(shí)間和頻率等參數(shù)的函數(shù)。

Thakur 和Samuel 建立了一種新的方法來預(yù)測井下數(shù)據(jù)，該方法使用地面數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，可以通過提高機(jī)械鉆速和減少井下工具故障來提高鉆井效率。在該預(yù)測方法中，使用了泥漿泵參數(shù)傳感器等成本相對較低的技術(shù)來收集井下數(shù)據(jù)建立鉆井參數(shù)模型，然后使用該模型來預(yù)測井下數(shù)據(jù)。該項(xiàng)研究的成果尚未在鉆井領(lǐng)域得到驗(yàn)證，但是在模擬測試中，所開發(fā)的模型估值誤差低至3%，可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測井下數(shù)據(jù)。

Sliwa等人進(jìn)行了空氣鉆井過程中轉(zhuǎn)速、鉆頭直徑和鉆壓對機(jī)械鉆速的影響。研究過程中，使用直徑為4″的鉆頭在相同地質(zhì)剖面上鉆了九個(gè)井眼，井眼之間的水平距離為6m，通過研究結(jié)果得出以下結(jié)論：施加最大鉆壓時(shí)可以實(shí)現(xiàn)最高的機(jī)械速度，最慢的鉆速也是由最低鉆壓獲得的。此外，研究中發(fā)現(xiàn)到鉆桿中氣壓的增加會(huì)導(dǎo)致能量消耗的增加，從而導(dǎo)致施工成本增加。

Nystad等人研究了一種稱為極值搜索的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化方法，該方法使用新型自動(dòng)算法來實(shí)時(shí)評估井下狀況，其執(zhí)行參數(shù)在鉆井過程中隨鉆壓和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速變化。該系統(tǒng)所提供的算法可以幫助處理鉆井事故，可將機(jī)械鉆速提高20%左右。

Dumitrescu 等人使用現(xiàn)代復(fù)合材料系統(tǒng)對鉆井工具的腐蝕修復(fù)進(jìn)行了數(shù)值性能分析，該項(xiàng)研究成果主要應(yīng)用于修復(fù)腐蝕鉆具，選擇的修復(fù)材料具有與基礎(chǔ)鋼管兼容的一致機(jī)械性能。根據(jù)有限元模擬結(jié)果，腐蝕區(qū)域的寬度對修復(fù)區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)影響有限。

過去幾十年，鉆井液測量方面的自動(dòng)化進(jìn)展較為緩慢，常規(guī)的質(zhì)量和流量傳感器難以在高溫高壓、高固相含量、腐蝕性大、流變性復(fù)雜的惡劣井下環(huán)境中運(yùn)行，設(shè)備的可靠性、準(zhǔn)確性和維修成本阻礙了鉆井液傳感器的研發(fā)和應(yīng)用。密度、流變特性和溫度是鉆井液最基本和最重要的參數(shù)，目前主要的測量設(shè)備主要包括密度計(jì)、Marsh漏斗和粘度計(jì)。目前正在研究的自動(dòng)化設(shè)備有：“自動(dòng)化”漏斗、鉆井液密度記錄儀、自動(dòng)數(shù)字粘度計(jì)、用于測量密度和流變的連續(xù)測試模塊、用于巖屑回注的自動(dòng)密度/粘度模塊、用與變溫條件下測量的過程控制數(shù)字流變儀。目前用于測量鉆井液參數(shù)的自動(dòng)傳感器主要是其他行業(yè)開發(fā)的傳感器改造而來的，還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

2 鉆井自動(dòng)化技術(shù)展望

鉆井技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)漫長的過程。鉆井作業(yè)在油氣資源開發(fā)過程中仍然是最關(guān)鍵、最復(fù)雜和成本最高的部分。通過提高鉆井作業(yè)的自動(dòng)化程度，可以大幅度提高鉆井效率和作業(yè)人員的安全性。

盡管人們在鉆井自動(dòng)化領(lǐng)域取得了很多突破，但與航空、汽車、交通等其他行業(yè)相比，鉆井作業(yè)和管理系統(tǒng)的數(shù)字化仍處于起步階段。在其他行業(yè)中已經(jīng)廣泛使用的機(jī)器人和無人機(jī)等技術(shù)尚未在鉆井領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著石油和天然氣行業(yè)全面進(jìn)入自動(dòng)化和數(shù)字化過程控制階段，鉆井工程領(lǐng)域也將更多地使用數(shù)字化儀表和自動(dòng)化過程控制。機(jī)器人技術(shù)將改變鉆井作業(yè)過程。更多地使用數(shù)字化儀器來減少井場作業(yè)人員也有助于解決健康、安全和環(huán)境等相關(guān)問題，并且更有利于降低成本。機(jī)器人鉆井系統(tǒng)的最終階段是實(shí)現(xiàn)無人鉆井作業(yè)。此外，先進(jìn)的機(jī)器人鉆井技術(shù)將能夠?qū)崿F(xiàn)鉆機(jī)的整體搬遷。另一個(gè)提高鉆井自動(dòng)化程度的解決方案是無人機(jī)技術(shù)。無人機(jī)可以替代人檢查泥漿罐、儲(chǔ)罐、運(yùn)輸管道和其他復(fù)雜設(shè)備。但無人機(jī)通常需要通過地面控制中心進(jìn)行操作，它們的操作需要強(qiáng)大的飛行控制技術(shù)以及最先進(jìn)的導(dǎo)航、數(shù)據(jù)處理和跟蹤控制能力。未來無人機(jī)技術(shù)將更多地使用在位于惡劣環(huán)境中的油氣藏中。

3 結(jié)論

（1）鉆井作業(yè)在油氣資源開發(fā)過程中仍然是最關(guān)鍵、最復(fù)雜和成本最高的部分。通過提高鉆井作業(yè)的自動(dòng)化程度，可以大幅度提高鉆井效率和作業(yè)人員的安全性。

（2）鉆井作業(yè)的自動(dòng)化作業(yè)中主要涉及的自動(dòng)化包括井下控制、地面控制和遠(yuǎn)程控制，但這三個(gè)方面的發(fā)展速度差異較大。其中井下系統(tǒng)目前已經(jīng)達(dá)到了較高的自動(dòng)化水平（LOA9）。鉆井現(xiàn)場的地面系統(tǒng)是高度機(jī)械化的，具有自動(dòng)鉆機(jī)和扭矩系統(tǒng)（LOA5）等鉆井組件的自動(dòng)化。但遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)目前的自動(dòng)化水平較低（LOA2）。

（3）盡管人們在鉆井自動(dòng)化領(lǐng)域取得了很多突破，但與航空、汽車、交通等其他行業(yè)相比，鉆井作業(yè)和管理系統(tǒng)的數(shù)字化仍處于起步階段。在其他行業(yè)中已經(jīng)廣泛使用的機(jī)器人和無人機(jī)等技術(shù)尚未在鉆井領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著石油和天然氣行業(yè)全面進(jìn)入自動(dòng)化和數(shù)字化過程控制階段，鉆井工程領(lǐng)域也將更多地使用數(shù)字化儀表和自動(dòng)化過程控制。