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)械與儲運工程學(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，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、開采是一個先易后難的過程。隨著石油開采時間的增長，傳統(tǒng)鉆井工藝不可避免地產(chǎn)生了浪費，進(jìn)而影響效益。海洋上可用的鉆井場地較小，1個鉆井平臺的造價動輒數(shù)10億人民幣。所以，智能化鉆井在海洋平臺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化、鉆井事故發(fā)生率低等都是智能化鉆井的顯著特點。

智能化鉆井包括2個主要方面：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重要原因。其二為智能鉆井工具，井下工具的智能化是實現(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現(xiàn)，這種脈沖信息具有蘊含的信息量小、信息可靠度低等缺點。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：對井眼軌跡實現(xiàn)精確控制的能力；對井下鉆井各個參數(shù)的實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)能力[8-9]。以智能網(wǎng)絡(luò)，專家系統(tǒng)等為依托的實時解決問題的能力[10]；以自動化，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)，具備實時決策，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)、自動化服務(wù)4個部分。

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)點相結(jié)合。

表1 國外新型鉆頭特點及適用范圍

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，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，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的速度，又可以保證BHA和鉆頭以所允許的最小的功率運行。

AVS處于Bypass 狀態(tài)時，鉆井液不再流經(jīng)鉆頭。此時可以泵送堵漏液，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)點是傳輸速度快，容量大；缺點是造價高，信號衰減快。所以每隔一段400 m左右就要有一個信號放大器，這也使得信號在傳輸?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)部埋有電力和信號線，可以為井下工具提供電力，同時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)點是成本低，信號不失真，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，也在各個油田中得到了實踐。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。鉆井運營商選擇了帶有127 mm(5英寸)的有線鉆桿的井下自動化系統(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，可實現(xiàn)司鉆閉環(huán)控制。該系統(tǒng)可實現(xiàn)可視化的井下作業(yè)并將對井下工作環(huán)境的認(rèn)識應(yīng)用到對自動化鉆井系統(tǒng)的完善中。同時，DHAS得來的大量數(shù)據(jù)也能夠完善PDCA(策劃—實施—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。

該試驗選擇了該油田A區(qū)塊作為試驗場地，試驗井?dāng)?shù)量為6口，并使用一個鉆井效率差的隊伍，檢驗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)號為6#。采用批次作業(yè)，先鉆6個?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)約了較長的鉆井時間。其中3#井加強(qiáng)了各種參數(shù)的管理，節(jié)約鉆井時間48 h。

4 結(jié)論

1) 智能鉆井在鉆井質(zhì)量、鉆井時間、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)展必然會推動智能鉆井取得長遠(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]。