周方成，么秋菊2, 張新翌,丁慶新

(1.中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；2.中國石油管道局工程有限公司 第一分公司,河北 廊坊 065000)①

智能鉆井區(qū)別于傳統(tǒng)鉆井的特點(diǎn)，是鉆井過程的智能化。這種智能化不僅包括鉆井工具的智能化，還包括鉆井過程中各種參數(shù)監(jiān)控的智能化[1]。通過建立理想鉆井軌跡的模型，引入計(jì)算機(jī)控制，最大幅度地減少人為因素對井眼軌跡精度的影響。

智能化鉆井在20世紀(jì)末期，人們對能源的探索向海洋大范圍轉(zhuǎn)變時(shí)得到了極大的發(fā)展。智能鉆井在經(jīng)歷了第1代以AIES(automatic inspection evaluation system)專家系統(tǒng)為代表的智能鉆井技術(shù)和第2代以電子鉆柱為關(guān)鍵技術(shù)的智能鉆井技術(shù)后，智能鉆井在當(dāng)下有了新的前進(jìn)方向。國內(nèi)的主要觀點(diǎn)認(rèn)為微電子技術(shù)及小型化的智能機(jī)器人是第3代智能鉆井技術(shù)的發(fā)展方向[2]。

石油的勘探、開采是一個(gè)先易后難的過程。隨著石油開采時(shí)間的增長，傳統(tǒng)鉆井工藝不可避免地產(chǎn)生了浪費(fèi)，進(jìn)而影響效益。海洋上可用的鉆井場地較小，1個(gè)鉆井平臺(tái)的造價(jià)動(dòng)輒數(shù)10億人民幣。所以，智能化鉆井在海洋平臺(tái)上就突出了其相對于傳統(tǒng)鉆井的優(yōu)越性。鉆井工人少，井眼軌跡精度高，鉆井過程的高度自動(dòng)化、鉆井事故發(fā)生率低等都是智能化鉆井的顯著特點(diǎn)。

智能化鉆井包括2個(gè)主要方面：其一為智能化的鉆井系統(tǒng)。智能化鉆井系統(tǒng)，通過對鉆井過程中井下檢測器反饋回來的鉆頭轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、鉆壓、鉆深、狗腿度等參數(shù)的分析，以確保井眼軌跡的精確[3]。 但是，智能化的鉆井系統(tǒng)目前多是大公司為用戶量身定訂做，其高昂的成本也是阻礙其推廣到市場的一個(gè)重要原因。其二為智能鉆井工具，井下工具的智能化是實(shí)現(xiàn)智能鉆井不可缺少的一部分[4-5]。自石油勘探、開采技術(shù)成熟以來，井下與地面的信息溝通問題一直是困擾鉆井過程智能化的主要原因。目前井下與地面溝通是通過檢測返回的鉆井液中的脈沖信息實(shí)現(xiàn)，這種脈沖信息具有蘊(yùn)含的信息量小、信息可靠度低等缺點(diǎn)。所以智能化的鉆井工具應(yīng)具有高效的井下與地面間的信息交流能力[6-7]。

1 智能鉆井系統(tǒng)

智能鉆井系統(tǒng)是智能鉆井的核心。智能鉆井系統(tǒng)所必須具備的功能包括：對井眼軌跡實(shí)現(xiàn)精確控制的能力；對井下鉆井各個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)能力[8-9]。以智能網(wǎng)絡(luò)，專家系統(tǒng)等為依托的實(shí)時(shí)解決問題的能力[10]；以自動(dòng)化，智能化、微電子、機(jī)器人技術(shù)等學(xué)科的綜合是智能鉆井系統(tǒng)的顯著特征[11-12]。

美國國民油井公司的EvolveTM鉆井系統(tǒng)，具備實(shí)時(shí)決策，對可能出現(xiàn)的各種問題進(jìn)行分析的能力。Evolve鉆井系統(tǒng)的功能主要分為信息服務(wù)、建議服務(wù)、控制服務(wù)、自動(dòng)化服務(wù)4個(gè)部分。

2019年威德福公司發(fā)布了自己的智能控壓鉆井系統(tǒng)Victus，該系統(tǒng)可以有效提高鉆井作業(yè)安全性和降低作業(yè)成本，迄今為止，Victus已經(jīng)被應(yīng)用在7 600多次鉆井作業(yè)中。

國外各大油服公司都是通過建立遠(yuǎn)程控制服務(wù)，來指導(dǎo)鉆井作業(yè)的施工。這種做法不僅可以大幅度提高鉆井效率，也可以降低事故的發(fā)生率。

2 智能鉆井工具

具備通信能力是區(qū)別傳統(tǒng)鉆井工具和智能鉆井工具的一個(gè)顯著特征，智能鉆井工具的出現(xiàn)使精確鉆井能力大幅度提高，同時(shí)使智能化鉆井成為了可能[13]。智能鉆井工具包括智能鉆柱、智能鉆桿、智能鉆頭、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具等[14]。

查閱相關(guān)的資料可知已經(jīng)應(yīng)用的智能化鉆井中，多為電動(dòng)連續(xù)油管鉆井。連續(xù)油管鉆進(jìn)省去了鉆井作業(yè)中最為消耗時(shí)間的接單根作業(yè)工序。因此鉆井周期較短。

智能化鉆頭是智能鉆進(jìn)的一個(gè)重要方面。鉆頭是鉆井作業(yè)中最核心的工具，在鉆井的過程中，影響鉆頭鉆進(jìn)的主要因素為鉆壓、鉆速、切削量、齒形材質(zhì)、齒形結(jié)構(gòu)等。傳統(tǒng)鉆井在鉆井的過程中，上述參數(shù)除鉆壓、鉆速外都是不可改變的。智能鉆頭必然與井下傳感器相結(jié)合，使鉆頭在鉆井過程中，能夠自動(dòng)感知地層壓力、地層溫度、鉆頭角度和深度等信息。智能鉆頭以TerrAdapt鉆頭為代表。

2017年貝克休斯發(fā)布了帶自適應(yīng)功能的TerrAdapt鉆頭[15]，結(jié)合傳感器反饋的信息，能夠根據(jù)地層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)自動(dòng)調(diào)節(jié)切削深度，降低粘滑效應(yīng)。該鉆頭在Delaware盆地的試驗(yàn)效果顯著，粘滑效應(yīng)大幅減少。

表1總結(jié)了國外石油公司生產(chǎn)的新型鉆頭和其特點(diǎn)及適用范圍[16-17]。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，國外油服公司在智能鉆頭的研發(fā)方面并沒有投入很多的精力，新型鉆頭的發(fā)布也只是把已有鉆頭的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合。

表1 國外新型鉆頭特點(diǎn)及適用范圍

智能鉆具有限公司(Intelligent Drilling Tools Ltd)開發(fā)的井下智能鉆井工具AVS(Annular Velocity Splitflow)是智能鉆井鉆井工具的代表。AVS具有3個(gè)不同的工作位置，如圖1所示。

圖1 AVS的不同工作位置

AVS處于Throughbore狀態(tài)時(shí)，為正常工作狀態(tài)，鉆井液全部從球閥中流過，鉆頭具有最大的鉆速。

AVS處于Splitflow狀態(tài)時(shí)，鉆井液被分流，一部分通過BHA(井下工具組合)和鉆頭返出，另一部分通過支路直接流進(jìn)套管和裸眼之間的環(huán)形空間。即增加了鉆井液流動(dòng)的速度，又可以保證BHA和鉆頭以所允許的最小的功率運(yùn)行。

AVS處于Bypass 狀態(tài)時(shí)，鉆井液不再流經(jīng)鉆頭。此時(shí)可以泵送堵漏液，而不需要考慮鉆頭和BHA與堵漏液之間的相互影響。

挪威的鉆井工人在庫爾德斯坦地區(qū)的DQE Rig 51井，使用AVS取得了很好的鉆井效果。

美國NOV公司基于電磁感應(yīng)原理研發(fā)的“軟連接”智能鉆桿[18]，如圖2。軟連接的智能鉆桿的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快，容量大；缺點(diǎn)是造價(jià)高，信號(hào)衰減快。所以每隔一段400 m左右就要有一個(gè)信號(hào)放大器，這也使得信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中容易發(fā)生失真。

圖2 NOV“軟連接”智能鉆桿結(jié)構(gòu)示意

美國Fiberspar 公司研發(fā)的有纜復(fù)合材料連續(xù)管，也叫智能連續(xù)管，如圖3。鉆桿內(nèi)部埋有電力和信號(hào)線，可以為井下工具提供電力，同時(shí)也可以作為井下隨鉆測量工具測得信息上傳至地面的高速信息通道。有纜復(fù)合材料連續(xù)管的優(yōu)點(diǎn)是成本低，信號(hào)不失真，容量大。

圖3 Fiberspar有纜復(fù)合材料連續(xù)管結(jié)構(gòu)示意

近年來旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具得到了很大的發(fā)展，也在各個(gè)油田中得到了實(shí)踐。國外各大油服公司都有自己成熟的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。國內(nèi)中石油勘探開發(fā)研究所、中石化勝利油田、西安石油大學(xué)等機(jī)構(gòu)都對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具進(jìn)行了研究，并做出了工程樣機(jī)。國內(nèi)外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具如表2。

表2 國內(nèi)外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具

3 智能鉆井的應(yīng)用

2015年，美國北達(dá)科州。鉆井運(yùn)營商選擇了帶有127 mm(5英寸)的有線鉆桿的井下自動(dòng)化系統(tǒng)(DHAS)，有線鉆桿中數(shù)據(jù)的傳輸頻率為0.4 Hz，在有線鉆桿的幫助下，可實(shí)現(xiàn)司鉆閉環(huán)控制。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)可視化的井下作業(yè)并將對井下工作環(huán)境的認(rèn)識(shí)應(yīng)用到對自動(dòng)化鉆井系統(tǒng)的完善中。同時(shí)，DHAS得來的大量數(shù)據(jù)也能夠完善PDCA(策劃—實(shí)施—檢查—改進(jìn))循環(huán)。該系統(tǒng)具備與其他成熟系統(tǒng)結(jié)合的能力。

該試驗(yàn)選擇了該油田A區(qū)塊作為試驗(yàn)場地，試驗(yàn)井?dāng)?shù)量為6口，并使用一個(gè)鉆井效率差的隊(duì)伍，檢驗(yàn)DHAS的效果。首先用常規(guī)的鉆井方法鉆一口井作為參照基準(zhǔn), 標(biāo)號(hào)為6#。采用批次作業(yè)，先鉆6個(gè)?225.4 mm(8英寸)的垂直/傾斜井段；然后鉆進(jìn)全部?149.2 mm(5英寸)的水平段。1#、2#、6#井鉆頭、馬達(dá)和BHA參數(shù)保持一致，3#、4#、5#井在鉆井過程中，DHAS系統(tǒng)加強(qiáng)了對鉆壓、鉆速、BHA等參數(shù)的管理，通過對比鉆井所消耗的時(shí)間，觀察新技術(shù)的改善效果。

經(jīng)過對比可得：1#～5#井相對于6#井都節(jié)約了較長的鉆井時(shí)間。其中3#井加強(qiáng)了各種參數(shù)的管理，節(jié)約鉆井時(shí)間48 h。

4 結(jié)論

1) 智能鉆井在鉆井質(zhì)量、鉆井時(shí)間、鉆井成本、鉆井事故發(fā)生率等方面都具有比傳統(tǒng)鉆井無可比擬的優(yōu)勢。

2) 智能鉆井與信息傳輸技術(shù)不可分割，重點(diǎn)是井下和地面之間的信息的傳遞。智能鉆井技術(shù)是智能鉆井系統(tǒng)和智能鉆井工具的綜合。

3) 智能鉆井是智能鉆井系統(tǒng)和智能鉆井工具的結(jié)合，卻少見智能鉆井工具和智能鉆井系統(tǒng)成套推出的消息。二者的聯(lián)合研發(fā)必然是智能鉆井發(fā)展的方向。

4) 智能鉆井需要井下與井上進(jìn)行高速有效信息傳遞，傳遞方式和效率的發(fā)展必然會(huì)推動(dòng)智能鉆井取得長遠(yuǎn)的進(jìn)步。如何進(jìn)行信息的高效傳遞是智能鉆井發(fā)展的另一個(gè)方向。

5) 近年來人工智能在鉆井行業(yè)中應(yīng)用廣泛，人工智能與鉆井行業(yè)的結(jié)合必然是鉆井行業(yè)發(fā)展的方向之一[19-20]。