智能鉆進(一)：智能鉆井的發(fā)展背景、現(xiàn)狀與未來

隨著自動化、信息化技術的不斷發(fā)展，世界石油工業(yè)走智能化道路已成為大勢所趨。當前，國外鉆井自動化已進入完善和發(fā)展階段，智能化總體還處于探索研究(起步)階段，在高新技術的推動下，預計到2030年將進入智能化時代。為了把握地質鉆探行業(yè)未來的發(fā)展方向，本刊將以連載的方式介紹國內外油氣工業(yè)在智能鉆井領域的最新進展、關鍵技術與發(fā)展趨勢，以期對業(yè)界有所啟發(fā)。

自動化；智能化；油氣；鉆井；鉆探

1 概述

世界新技術革命推動了石油科學技術的大發(fā)展。在過去十幾年中，國內外鉆井技術也取得了長足進步，顯著提高了鉆井效率，減少了非生產(chǎn)時間和鉆井事故，大幅降低了鉆井成本。隨著鉆井技術、新材料技術、檢測控制、微電子技術、通信和計算機、機器人等的進一步發(fā)展，未來的鉆井技術將向更加精確、高效、低成本的方向發(fā)展，智能鉆井將會成為未來鉆井技術的主要發(fā)展方向。

1 智能鉆井的技術背景

1.1 電力拖動技術

電力電子技術起源于20世紀50年代末60年代初，70年代開始廣泛應用于電力拖動行業(yè)。

自從國外將電力電子技術應用于石油鉆采裝備行業(yè)后，鉆機的驅動模式發(fā)生了很大改變，出現(xiàn)了電驅動鉆機，尤其是全數(shù)字交流變頻驅動技術的應用，使鉆機的機械結構得到簡化，提高了安全性、可靠性和運移性能，容易實現(xiàn)自動化控制及安全互鎖，設備操作、故障診斷及維修保養(yǎng)方便；同時有利于提高鉆井時效、優(yōu)化鉆井工藝及處理井下事故等作業(yè)，成為鉆機的主流模式。經(jīng)過近40年的發(fā)展，電驅動鉆機的性能已經(jīng)成熟。

1.2 自動控制技術

為了滿足質量和效益要求，許多工業(yè)領域大量采用自動控制技術。

石油天然氣工業(yè)也力求實現(xiàn)鉆井自動化以提高鉆井效率和安全性，保證鉆井質量，降低鉆井成本。通過自動控制技術與交流變頻技術、傳感檢測技術和液壓驅動技術的結合，使鉆機不僅可以實現(xiàn)自動送鉆，還出現(xiàn)了大量自動化設備，如鐵鉆工和動力貓道等；也使各種鉆井裝備更易實現(xiàn)智能化，性能更加優(yōu)良，如德國Bentec公司的轉盤軟扭矩控制、鉆井泵軟泵功能、TPC的扭矩安全功能、泵同步功能和防反轉功能等。

自動化鉆機的出現(xiàn)是自動控制技術在油氣鉆機中成熟應用的典型代表，如英國BP公司與阿拉斯加技術公司研發(fā)的輕型自動化鉆井系統(tǒng)(LADS)。

智能鉆井則是自動控制技術在鉆機系統(tǒng)中應用的高度體現(xiàn)。智能鉆井系統(tǒng)具備隨著不確定環(huán)境、地面和井下數(shù)據(jù)的變化實時調整司鉆參數(shù)，并進行自動送鉆；要求鉆機系統(tǒng)具有基于計算機控制的適用性和交互式控制，同時具備數(shù)據(jù)信息的管理能力。

1.3 傳感檢測技術

傳感檢測技術是實現(xiàn)自動控制的關鍵。最初，鉆機在儀表系統(tǒng)使用傳感器主要是用于進行鉆井過程的工藝參數(shù)監(jiān)視，包括各種流量傳感器和壓力變送器等。

隨著鉆機控制系統(tǒng)的完善以及各種自動化設備在鉆機中的配套，使得各種先進的傳感檢測技術在鉆機系統(tǒng)中得到廣泛應用，如位移傳感器、各種編碼器、接觸及非接觸式探頭等采用超聲波、紅外線、電磁等先進技術作為鉆機配套的檢測技術。

鉆機配套用傳感器的接口形式也由最初的直接電信號輸出，演變成基于CAN、AS-i、PROFIBUS等多種現(xiàn)場總線技術的網(wǎng)絡結構，工業(yè)電視監(jiān)控探頭也由最初的模擬信號單點輸入變?yōu)楝F(xiàn)在的基于TCP/IP的720P甚至1080P的高清網(wǎng)絡攝像頭，大大提高了傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，減少了現(xiàn)場的布線，使用和維護更方便。

1.4 機器人技術

機器人是集機械工程、電子、控制、計算機、傳感檢測等一系列先進技術的綜合應用。20世紀后期，機器人技術在鉆井裝備中也得到應用，如挪威阿克(Aker)美國公司的MH機器人運動控制系統(tǒng)應用于垂直排管機、折臂抓管機等管柱處理系統(tǒng)。隨著納米技術和各種微型傳感器的發(fā)展，未來安置在井下鉆頭上的微型機器人可用于直接觀察和檢測所有井下參數(shù)，并通過納米電纜傳輸?shù)降孛婵刂浦行摹?/p>

1.5 網(wǎng)絡信息化技術

網(wǎng)絡信息化技術在鉆機中的應用也非常廣泛，使用電纜、光纖、無線等各種通信介質及方式來實現(xiàn)鉆機各個系統(tǒng)及設備之間的數(shù)據(jù)交換及共享。

誕生于1999年的物聯(lián)網(wǎng)技術(Internet of Things)也已用于鉆機系統(tǒng)。2012年6月，挪威國家石油公司(Statoil)的鉆井跟蹤系統(tǒng)(DOTS-Drilling Operations Tracking System)采用射頻身份識別(RFID-Radio Frequency Identification)技術記錄鉆井設備的使用數(shù)量、使用頻率及使用期，讓作業(yè)公司能更好地管理設備，同時還將該技術應用于鉆井管柱的自動記錄。

未來的智能鉆井可通過將實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡系統(tǒng)中來實現(xiàn)對鉆井過程的遠程控制，這種雙向通信既可將鉆井數(shù)據(jù)傳遞給遠程控制中心的專家， 也可將專家們的信息傳回鉆井現(xiàn)場，實現(xiàn)遠程協(xié)同工作。

1.6 計算機集成控制技術

在電驅動引入鉆井裝備的同時，計算機技術也被引進鉆機系統(tǒng)，從最初的一次儀表、機械操控開始進入PLC控制，到目前的工控機控制、嵌入式控制系統(tǒng)等計算機集成控制技術已經(jīng)在鉆井裝備中廣泛應用。

一般鉆井裝備采用PLC實現(xiàn)設備控制，為保證穩(wěn)定及可靠性，還在很多場合采用冗余結構，如冷備份方案或直接采用冗余系統(tǒng)，如西門子S7-400H系統(tǒng)；也有采用工業(yè)計算機直接參與控制，如阿克公司采用工控機配置西門子的軟PLC(Win AC)實現(xiàn)控制設備控制。根據(jù)設備的復雜程度，通常1個設備對應1臺控制器，控制器之間相互通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

隨著鉆機配置的提高，鉆機控制系統(tǒng)已成為包含控制站、視頻監(jiān)控、參數(shù)監(jiān)控站、操作站及數(shù)據(jù)庫服務器等多子站的計算機集成控制系統(tǒng)。同時配置的鉆井軟件系統(tǒng)也不斷更新，使鉆機的功能更完善、操作更安全、人機界面更友好、鉆井參數(shù)配置更優(yōu)化，如美國國民油井(National Oilwell)公司的電子司鉆CyberBase、阿克公司的鉆井可視系統(tǒng)Drillview(圖1)等。該系統(tǒng)不僅集中動態(tài)顯示鉆井過程和設備的參數(shù)，同時還將工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)也集成顯示，系統(tǒng)具備多客戶端，通過接入局域網(wǎng)或者廣域網(wǎng)具備遠程監(jiān)控功能，能在線實時查看或回看各種數(shù)據(jù)。

圖1 阿克公司的鉆機集成控制系統(tǒng)示意圖

2 國外智能鉆井的發(fā)展現(xiàn)狀

在油氣鉆井領域，隨著自動化鉆機、隨鉆測量和隨鉆測井(MWD/LWD)、自動垂直鉆井、旋轉導向鉆井、自動控壓鉆井、智能鉆桿、遠程專家決策支持中心等具有里程碑意義的重大技術裝備的出現(xiàn)，鉆井自動化和信息化水平大幅提升，標志著鉆井已進入自動化鉆井完善階段(圖2)。

從鉆井前沿技術、重點攻關技術和超前儲備技術來看，隨著人工智能逐漸引入鉆井工程，鉆井智能化研究不斷深入，推動了鉆井逐漸向智能鉆井方向邁進(表1)。

表1 主要智能鉆井方面的研究項目

圖2 國外鉆井技術的發(fā)展歷程與趨勢

挪威機器人鉆井系統(tǒng)(Robotic Drilling System)公司正在與美國國家航空航天局合作開展機器人鉆井系統(tǒng)(圖3)的研制，它主要由地面智能鉆機和井下智能鉆井系統(tǒng)組成，地面和井下作為一個整體進行大閉環(huán)控制。智能鉆機配備智能鉆臺機器人、智能排管機器人等智能化設備，可取代鉆臺工人和井架工，具備連續(xù)起下鉆和連續(xù)下套管、連續(xù)循環(huán)和自動控壓等功能(圖4)。

圖3 研制中的機器人鉆井系統(tǒng)

國外還在研制電動智能連續(xù)管鉆井系統(tǒng)(圖5)，通過智能連續(xù)管向井下供電，驅動井下電動智能導向鉆井系統(tǒng)，具備連續(xù)起下鉆和連續(xù)循環(huán)功能，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速、大容量、雙向傳輸。電動智能連續(xù)管鉆井系統(tǒng)將會成為實現(xiàn)未來智能鉆井的另一個重要途徑。

圖4 研制中的連續(xù)起下鉆鉆機

圖5 研制中的電動智能連續(xù)管鉆井系統(tǒng)

3 未來的智能鉆井系統(tǒng)

根據(jù)目前現(xiàn)有技術及鉆機的應用情況分析，未來有關鉆機的新技術研究及應用主要圍繞以下4個方面開展。

3.1 集散控制

集散控制是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機、通信、顯示和控制技術，基本思想就是集中操作、分散控制、分級管理，具有配置靈活、組態(tài)方便的特點。

隨著自動化設備的普及，單一控制器已不能滿足鉆機的控制要求，基于多控制站協(xié)同作業(yè)、多層級網(wǎng)絡的集散控制系統(tǒng)能更好地發(fā)揮作用。在目前鉆機集成控制的基礎上，完善鉆機控制網(wǎng)絡，添加工程師站，為鉆機配置的更改提供柔性接口；同時加強遠程監(jiān)控能力，鉆井公司將每臺鉆機作為1個設備建立統(tǒng)一的監(jiān)控中心，組成一個基于鉆機為基本單元的鉆井監(jiān)控網(wǎng)絡，為加強信息資源整合、鉆井工作日常管理、實現(xiàn)鉆井數(shù)據(jù)共享奠定基礎。

3.2 遠程司鉆

目前，鉆機的操控都在井口旁邊的司鉆房，相應的控制系統(tǒng)等都在井口附近，環(huán)境惡劣，對司鉆等操作人員的人身安全存在一定威脅?；诰W(wǎng)絡信息通信技術、自動控制技術和全方位視頻監(jiān)控的遠程司鉆技術，將司鉆及監(jiān)視中心遠離井口，對提高安全性以及降低控制系統(tǒng)對環(huán)境的要求有重要意義。

美國斯倫貝謝(Schlumberger)公司曾在英國劍橋研究中心控制了遠在8000 km以外的得克薩斯州卡麥龍(Cameron)的一口試驗井鉆機作業(yè)，這是鉆機走向自動化鉆井的里程碑式標志性工程之一，為鉆機的遠程操控開啟了序幕。制約這一技術應用的關鍵因素在于鉆臺機械化程度、系統(tǒng)的可靠性、隨機事故的處理機制和安全機制不完善，圍繞這些問題開展研究工作，進行相關技術研究，實現(xiàn)鉆機的遠程監(jiān)視和控制亦將成為現(xiàn)實。

3.3 在線故障檢測與診斷

石油鉆機尤其是海洋平臺鉆機在作業(yè)過程中，因設備故障停鉆會帶來重大的經(jīng)濟損失甚至是重大事故，而鉆機系統(tǒng)是十分復雜的機械、電氣和液壓系統(tǒng)，設備的維護不僅工作量大，而且故障不易查找。因此，在鉆機系統(tǒng)中集成在線故障檢測與診斷技術不僅可以提前發(fā)現(xiàn)設備故障，消除事故隱患，同時也為設備改進優(yōu)化提供原始數(shù)據(jù)。

檢測鉆機系統(tǒng)中的液壓及電氣控制系統(tǒng)故障主要依靠傳感檢測技術，一般根據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)可直接判斷，而基于振動測試技術、計算機信息等技術和故障模式識別理論來實現(xiàn)對鉆機機械系統(tǒng)的檢測與診斷將成為鉆機系統(tǒng)研究的新內容。

3.4 智能鉆井

目前，雖然國外已經(jīng)在鉆機上實現(xiàn)了自動化鉆井技術，但進行智能鉆井及大規(guī)模應用還存在一些關鍵技術需要解決和完善。智能鉆井技術主要包括隨鉆監(jiān)測和決策系統(tǒng)的建立兩個方面。隨鉆監(jiān)測是基礎，為自動鉆井提供原始分析數(shù)據(jù)，同時也是保證鉆井安全的關鍵環(huán)節(jié)；決策系統(tǒng)是關鍵，主要包括專家系統(tǒng)、在線建模和模型優(yōu)化等。

傳感檢測技術要滿足高溫高壓條件下的井下參數(shù)檢測，電力及信號在鉆井過程的傳輸，以及決策系統(tǒng)的建立、試驗和完善將是智能鉆井配套技術需要持續(xù)研究的內容。

圖6 未來的智能鉆井系統(tǒng)

未來的智能鉆井系統(tǒng)如圖6所示。井下鉆具主要由高智能微型機器人、智能鉆桿及接頭、高壽命智能鉆頭、軸承組、變速箱、電機等組成；地面設備將全部集中安裝在一臺標準的貨運汽車車廂中，主要包括全自動鉆機、數(shù)據(jù)采集及顯示系統(tǒng)、工藝控制系統(tǒng)、井控系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)及固控系統(tǒng)等。在每個鉆井現(xiàn)場，通過電纜形成井下與地面的閉環(huán)信息流程，實現(xiàn)遙控智能鉆井；在遠程控制中心，通過通信網(wǎng)絡技術對鉆井操作進行控制，實現(xiàn)遠程鉆井協(xié)同工作。

在鉆井過程中，井下電動機直接驅動高壽命智能鉆頭進行鉆井作業(yè)，高性能泥漿由小型高壓泵通過鉆桿送入井下，安置在井下鉆頭上的高智能微型機器人直接觀察和檢測井下鉆壓、鉆速、扭矩、泥漿性能、巖石性能、地層孔隙壓力、井眼軌跡、鉆頭磨損等所有井下參數(shù)，并通過電纜傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，在鉆井的同時完成測井工作。地面控制中心的技術人員(1～2名)負責監(jiān)控，并根據(jù)井下工況及鉆井工藝要求，通過調整井下鉆頭噴嘴方向和泥漿流速、流量來控制鉆頭運動軌跡，實現(xiàn)對軌跡的實時控制；通過調節(jié)井下變速箱實現(xiàn)對鉆速的控制；同時，起下鉆等鉆井作業(yè)均由地面機器人按指令自動完成。當遇到特殊鉆井問題時，可以通過高速可視化智能網(wǎng)將信息傳輸?shù)竭h程控制中心，鉆井專家根據(jù)現(xiàn)場的實況及時分析與處理。

4 結束語

智能鉆井將大幅度減少現(xiàn)場作業(yè)人員，顯著提高鉆井效率和安全性，簡化井身結構，縮短鉆井周期。在遠程控制技術的支持下，有望實現(xiàn)無人鉆井，鉆井專家只需身處公司總部或地區(qū)中心的監(jiān)控室就可對鉆井全過程進行遠程監(jiān)控，從而充分發(fā)揮總部專家團隊的作用，避免安全隱患。

展望未來，在大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、自動控制、人工智能和量子通信等高新技術的推動下，鉆井作業(yè)的自動化、信息化、智能化水平將會越來越高，不僅可以實現(xiàn)全自動鉆井，并且能通過現(xiàn)場智能控制平臺將地面智能化和井下智能化組成一個有機的整體，實現(xiàn)鉆井現(xiàn)場的閉環(huán)控制；再通過新一代互聯(lián)網(wǎng)或物聯(lián)網(wǎng)，將現(xiàn)場智能鉆井與遠程實時智能控制中心構成一個大的有機整體，實現(xiàn)現(xiàn)場+遠程的大閉環(huán)控制。

預計到2030年，油氣鉆井將進入智能化時代，并將成為未來油氣工業(yè)提質、降本、增效的有效途徑和核心競爭力。

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TE928

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1009-282X(2017)06-0011-05

(本刊編輯部 整理)