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      智能鉆井發(fā)展現(xiàn)狀研究

      2019-11-28 03:07:36周方成么秋菊2張新翌丁慶新
      石油礦場機(jī)械 2019年6期
      關(guān)鍵詞:鉆桿鉆頭鉆井

      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]。

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