李根生， 宋先知， 田守嶒

（油氣資源與探測國家重點實驗室（中國石油大學（北京）），北京 102249）

當前，我國油氣勘探開發(fā)領域正在由常規(guī)油氣資源向低滲透、深層超深層、海洋深水、頁巖油氣等非常規(guī)油氣資源拓展，面臨著資源劣質(zhì)化、勘探多元化、開發(fā)復雜化、環(huán)境惡劣化等挑戰(zhàn)[1]。鉆井是油氣資源發(fā)現(xiàn)、探明和開采的關鍵環(huán)節(jié)，但現(xiàn)有鉆井技術在經(jīng)濟、安全、高效、環(huán)保等方面還無法滿足復雜油氣資源的開發(fā)需求，亟需發(fā)展新一代變革性鉆井技術。智能鉆井技術是融合了大數(shù)據(jù)、人工智能、信息工程、井下控制工程學等理論與技術的一項變革性鉆井技術（基本組成見圖1），通過應用地面自動化鉆機、井下智能執(zhí)行機構、智能監(jiān)控與決策技術等，實現(xiàn)鉆井作業(yè)的超前探測、閉環(huán)調(diào)控、精準制導和智能決策，能大幅提高鉆井效率和儲層鉆遇率，降低鉆井成本，顯著提高復雜油氣藏單井產(chǎn)量和采收率。

圖 1 智能鉆井系統(tǒng)組成示意Fig.1 Composition of intelligent drilling system

目前，國外智能鉆井技術尚處于發(fā)展初期，關鍵基礎理論與核心技術有待突破。國內(nèi)智能鉆井技術處于起步階段，研究深度與國外相比存在一定差距。為此，在系統(tǒng)分析智能鉆井關鍵技術及裝備發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，探討了我國智能鉆井的重點攻關方向，以推動智能鉆井基礎理論研究，完善智能鉆井技術體系，實現(xiàn)我國智能鉆井技術的跨越式發(fā)展。

1 智能鉆井關鍵技術研究現(xiàn)狀

智能鉆井關鍵技術包括井眼軌道智能優(yōu)化、鉆速智能優(yōu)化、智能導向鉆井、井下閉環(huán)調(diào)控、智能監(jiān)測與決策等技術。近年來，國內(nèi)外對智能鉆井關鍵技術進行了初步探索，并取得了一定的研究進展。

1.1 井眼軌道智能優(yōu)化技術

井眼軌道智能優(yōu)化技術主要是基于地質(zhì)-工程多源數(shù)據(jù)，利用人工智能算法對井眼的井斜角、方位角及井深等參數(shù)進行動態(tài)優(yōu)化設計。J. Lee 等人[2]利用遺傳算法，以網(wǎng)格節(jié)點為基礎，通過調(diào)整造斜點位置等，進行了水平井井眼軌道優(yōu)化。S. Vlemmix等人[3]采用梯度搜索法，結合伴隨矩陣函數(shù)與數(shù)值模擬軟件，分析了分支井眼對油氣井產(chǎn)能的影響，采用重復迭代方法優(yōu)化分支井井眼軌道。A. N.Morales 等人[4]利用改進的遺傳算法，以累計產(chǎn)量為目標函數(shù)，分析了不同開采條件下油氣井的產(chǎn)能，優(yōu)化了凝析氣藏水平井井眼軌道。Z. LYU 等人[5]以單位長度井眼產(chǎn)能的最大化為目標，利用克里金方法，建立了儲層權重圖，確定了儲層的甜點區(qū)域，然后采用快速行進法優(yōu)化了三維非均質(zhì)砂巖儲層中多分支井的井眼軌道?？傮w來說，目前國內(nèi)外井眼軌道優(yōu)化技術的智能化水平較低，未充分利用地質(zhì)-工程多源數(shù)據(jù)，尚無法滿足復雜油氣藏高效開發(fā)的需求。未來隨著鉆井信息高效傳輸和多源數(shù)據(jù)智能化處理技術的發(fā)展，有望實現(xiàn)復雜油氣鉆井的地質(zhì)-工程三維模型實時更新，據(jù)此形成更加完善的井眼軌道智能優(yōu)化技術。

1.2 鉆速智能優(yōu)化技術

鉆速智能優(yōu)化技術主要是根據(jù)實時獲取的井下參數(shù)，采用大數(shù)據(jù)和智能優(yōu)化算法等手段對鉆井多目標參數(shù)進行分析和計算，進而優(yōu)化和調(diào)控鉆井參數(shù)，以獲取最優(yōu)機械鉆速。C. Hegde 等人[6]采用基于隨機森林算法的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，建立了鉆速模型、鉆頭扭矩模型和機械比能模型，將鉆壓、流量、鉆頭旋轉速度和巖石強度等作為輸入?yún)?shù)，利用元啟發(fā)式優(yōu)化算法對鉆井模型進行優(yōu)化，得出了最佳鉆井參數(shù)。R. Arabjamaloei 等人[7]利用試驗結果和現(xiàn)場數(shù)據(jù)建立了機械鉆速與鉆井參數(shù)之間的關系，設計了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的鉆速預測模型，并利用遺傳算法進一步優(yōu)化了該模型，獲取了最優(yōu)機械鉆速條件下的鉆井參數(shù)，目前已經(jīng)進行了初步應用。M. Bataee 等人[8]利用神經(jīng)網(wǎng)絡，建立了鉆頭轉速、鉆井液流變性、鉆壓、鉆頭齒磨損、地層特性和靜液柱壓力等參數(shù)之間的關系，通過預測的機械鉆速實時優(yōu)化鉆井參數(shù)，最終獲得了最優(yōu)機械鉆速。X. Liao 等人[9]測量和收集了轉速、巖石抗壓強度等618 組數(shù)據(jù)集，并將巖石抗壓強度作為巖石分類的重要指標，利用智能系統(tǒng)對3 種不同等級的巖石進行建模，采用改進的人工蜂群算法，在不同條件下對模型進行了優(yōu)化，得到了最優(yōu)機械鉆速。C. Gan等人[10]針對鉆井過程中數(shù)據(jù)的不完備性、耦合性、強非線性等特點，基于改進粒子群算法優(yōu)化徑向基函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡，建立了鉆速預測模型，為復雜地層鉆井的智能優(yōu)化控制提供了重要手段。中國石油集團工程技術研究院通過將機器學習與梯度搜索及決策樹算法結合，研制了鉆井智能提速導航儀，榮獲了第45 屆美國EP 工程技術創(chuàng)新獎，目前已應用50 余井次，機械鉆速提高了18.8%～46.6%[11-12]?？傮w來說，實時獲取井下數(shù)據(jù)、優(yōu)化分析井下參數(shù)、智能調(diào)控鉆井參數(shù)是實現(xiàn)鉆速智能優(yōu)化控制的關鍵。因此，未來需要進一步優(yōu)選或研發(fā)出高可靠性的智能優(yōu)化算法，以保證參數(shù)調(diào)控的準確性。

1.3 智能導向鉆井技術

智能導向鉆井技術主要是利用人工智能算法，通過實時監(jiān)控和分析井眼軌跡，實現(xiàn)井眼軌跡的動態(tài)調(diào)整，最終實現(xiàn)沿著優(yōu)化的井眼軌道進行靶向鉆進的目標。該技術為智能導向鉆井系統(tǒng)的應用提供了重要支撐。目前，斯倫貝謝基于一種新的靜態(tài)連續(xù)測量方法，建立了井眼軌跡智能控制算法，通過將近鉆頭連續(xù)測量數(shù)據(jù)與實際井眼軌跡數(shù)據(jù)進行對比，可以對導向參數(shù)進行智能調(diào)控[13]。上海交通大學基于雙環(huán)反饋協(xié)同控制方法，提出了一種基于區(qū)間型模糊邏輯控制和一階數(shù)字低通濾波器的強化學習算法，已用于旋轉導向鉆井中三維井眼軌跡的跟蹤和控制[14]。哈里伯頓提出了一種基于旋轉導向工具面追蹤的井眼軌跡控制技術，可實現(xiàn)旋轉導向鉆井系統(tǒng)工具面的實時定位[15]。挪威斯塔萬格大學采用離散隨機動態(tài)規(guī)劃方法優(yōu)化井眼軌跡，顯著提高了儲層鉆遇率，同時降低了鉆井成本[16]。沙特法赫德國王石油與礦業(yè)大學研究了鉆井方向的自適應和智能優(yōu)化控制技術，目的是開發(fā)實時控制系統(tǒng)，從而實時優(yōu)化鉆井參數(shù)，提高機械鉆速，消除井眼軌跡的偏差[17]。目前，智能導向鉆井技術尚未成熟，雖然部分研究成果獲得較好的試驗效果，但是還未進行大規(guī)模的現(xiàn)場應用。

1.4 井下閉環(huán)調(diào)控技術

井下閉環(huán)調(diào)控技術是實現(xiàn)智能鉆井的關鍵，井下數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛婧?，地面專家系統(tǒng)據(jù)此對井內(nèi)工況進行動態(tài)分析，然后向井下執(zhí)行機構發(fā)出控制指令，通過信息的雙向傳輸形成閉環(huán)調(diào)控，從而實現(xiàn)鉆井參數(shù)的實時優(yōu)化，大幅提高鉆井速度和儲層鉆遇率。F. Abdulgalil 等人[18]提出了基于滑動控制方法的PID（proportion integration differentiation）模型，提高了鉆井系統(tǒng)處理非線性問題的穩(wěn)定性。A.Huo 等人[19]將積分滑?？刂品椒ê妥赃m應干擾評估模型進行耦合，降低了計算誤差，提高了閉環(huán)調(diào)控的可靠性。J. Matheus 等人[20]建立了兩級混合閉環(huán)控制模型，提高了閉環(huán)調(diào)控的效率，其中內(nèi)部控制主要為井下工具之間的閉環(huán)調(diào)整，外部控制主要是根據(jù)內(nèi)部控制的反饋信息，由地面系統(tǒng)發(fā)出控制指令，進一步調(diào)整內(nèi)部控制。牛海峰等人[21]建立了PID 增量型控制模型，動態(tài)響應更快，抗干擾能力更強，可以滿足復雜環(huán)境中井下數(shù)據(jù)快速處理和控制的要求。李遠志等人[22]提出了基于電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)控制的井下執(zhí)行機構三閉環(huán)PID 模型，可以根據(jù)導向調(diào)整的快速性和超調(diào)量對系統(tǒng)進行超前校正。目前井下閉環(huán)調(diào)控技術主要是基于傳統(tǒng)控制理論建立模型，存在諸多簡化和假設，模型的穩(wěn)定性和準確性等存在較大不足，未來需要與人工智能算法和自動控制新理論進行深入結合，研究鉆井工程多變量協(xié)同響應機制，形成智能鉆井閉環(huán)控制技術。

1.5 智能監(jiān)測與決策技術

智能監(jiān)測技術可以實時獲取井下數(shù)據(jù)，用于井下復雜工況的實時診斷與預測，為智能決策提供重要數(shù)據(jù)支撐。貝克休斯開發(fā)了基于連續(xù)管的智能監(jiān)測技術，實現(xiàn)了井深、地層壓力和溫度等參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測[23]。Marconi 公司提出了基于互聯(lián)網(wǎng)的智能鉆井監(jiān)測技術，利用其可以實時監(jiān)測鉆井液在井筒內(nèi)的流動狀態(tài)[24]。廖明燕等人[25]基于多傳感器信息融合原理，對鉆井過程中的大鉤載荷、扭矩、立管壓力、鉆速、鉆井液進出口流量等參數(shù)進行監(jiān)測，提出了不依賴精確數(shù)學模型的神經(jīng)網(wǎng)絡和證據(jù)理論多傳感器信息融合方法。李浩等人[26]結合油田現(xiàn)場鉆井條件，建立了無線傳感器網(wǎng)絡信道衰落模型，優(yōu)化了無線傳感器網(wǎng)絡技術，有效提升了井下信息監(jiān)測的可靠性。

智能決策技術主要是利用鉆井過程中的地質(zhì)與工程數(shù)據(jù)，通過地面或井下智能決策系統(tǒng)進行分析，對鉆井過程進行智能化診斷與實時決策。貝克休斯基于多維大數(shù)據(jù)智能解釋，能夠?qū)︺@井關鍵參數(shù)進行動態(tài)評價，通過遠程系統(tǒng)實時控制，從而實現(xiàn)鉆進過程最優(yōu)化，已經(jīng)得到大規(guī)模推廣應用[27]。同時，哈里伯頓和斯倫貝謝等公司相繼成立了大數(shù)據(jù)中心，對井下信息進行實時智能分析，進而確定最佳鉆井方案[28]。李琪等人[29]基于數(shù)據(jù)倉庫技術，形成了鉆井工程決策模型，可為鉆井全過程智能管理提供參考。高曉榮等人[30]利用實例推理技術對井下復雜工況進行智能診斷和處理，可以快速得到最佳鉆井方案。中國石化針對西北油田的復雜地質(zhì)條件，通過優(yōu)選監(jiān)測參數(shù)和完善判斷規(guī)則，建立了溢流預警模型，有效提高了溢流事件的判別效率[31]。總體上看，我國已實現(xiàn)了部分鉆井工況的智能化監(jiān)測與診斷，但尚未形成鉆井全過程智能監(jiān)測與決策系統(tǒng)，需要進一步結合多參數(shù)智能監(jiān)測、多源數(shù)據(jù)快速融合、云計算/邊緣計算等技術，促進鉆井智能監(jiān)測與決策技術的快速發(fā)展。

2 智能鉆井裝備研究現(xiàn)狀

智能鉆井作業(yè)中，根據(jù)儲層條件與地面控制指令，需要利用智能鉆機、智能鉆桿、智能鉆頭、智能控壓鉆井系統(tǒng)和智能導向鉆井系統(tǒng)等對鉆井參數(shù)進行實時優(yōu)化，從而有效規(guī)避鉆井風險，達到形成高質(zhì)量井眼、大幅度提高鉆井速度和儲層鉆遇率的目的[32]。近年來，國內(nèi)外已經(jīng)研制出部分智能鉆井裝備，并且在現(xiàn)場進行了應用。

2.1 智能鉆機

鉆機是鉆井作業(yè)的核心裝備，為整個鉆井作業(yè)提供動力和支撐。智能化鉆機具有高度自動化的控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)鉆臺無人化操作、鉆井過程與鉆井參數(shù)的自動化精準控制，有利于大幅提高鉆井效率，降低鉆井風險和人力成本。1991 年，德國Bentec 公司為挪威Norsk Hydro 公司研制了自動化鉆機，采用現(xiàn)代鉆井控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對鉆井作業(yè)進行遠程控制和管理[33]，可節(jié)省20%的人力。英國Strachan and Henshaw 公司研制了一種輕型自動化海上鉆機，采用自動化技術及安全可控的方式，通過操作臺上的按鈕和指示器控制鉆井作業(yè)，從而大幅節(jié)省了人力，提高了作業(yè)效率[34]。2001 年，美國Phoenix Alaska Technology 公司研制了適用于美國阿拉斯加North Slope 地區(qū)鉆井的自動化智能鉆機，其自動化程度高，僅需1 人操作，且能夠適應復雜環(huán)境[35]。2014 年，我國寶雞石油機械有限責任公司為研制鉆深不超過3 000 m 的小型智能鉆機，開展了管柱自動處理系統(tǒng)、井口自動化工具、遠程電子司鉆及其集成技術等研究工作，其井口控制系統(tǒng)-雙集成司鉆系統(tǒng)如圖2所示[36]。挪威國家石油公司基于遠程控制技術，研發(fā)了無人智能鉆井平臺，鉆井專家在公司總部或地區(qū)中心的監(jiān)控室就可以對鉆井全過程進行遠程監(jiān)控[37]。目前，智能鉆機仍停留在自動化階段，真正實現(xiàn)精準控制和智能鉆進還需要在鉆井智能控制系統(tǒng)和智能分析系統(tǒng)等方面進行攻關。

圖 2 我國小型智能鉆機的井口控制系統(tǒng)-雙集成司鉆系統(tǒng)Fig. 2 Wellhead control system-dual integrated driller system for small scale intelligent drilling rig in China

2.2 智能鉆桿

鉆桿是溝通井下與地面的關鍵設備。為了滿足智能鉆井中井下信息的高效傳輸、供電和鉆井過程閉環(huán)控制的需求，需要研發(fā)智能鉆桿[38]。

智能鉆桿實質(zhì)上是一種有纜鉆桿，把電纜嵌入鉆桿內(nèi)，以實現(xiàn)信息和電能的傳輸。它最早由美國Intelliserv 公司提出，并得到了美國能源部的支持[39]。2002 年，該公司研制了能夠高效傳輸井下數(shù)據(jù)和地面控制信號的智能鉆桿，測試數(shù)據(jù)傳輸速率高達2 Mb/s[40]。2003 年，M. J. Jellison 等人[41]研制成功了能夠高效傳輸井下數(shù)據(jù)和地面控制信號的鉆桿，該鉆桿中包含了一個嵌在高壓導管內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)的電纜，鉆桿接頭處通過磁感應傳輸信號。2004 年，石崇東等人[42]提出了智能鉆柱的設計方案，鉆桿內(nèi)安置用特殊絕緣材料包覆的銅導線，接頭采用金屬面密封連接方式。2006 年，劉選朝等人[43]設計了智能鉆柱的信息及電力傳輸系統(tǒng)，鉆柱采用有線對接方式，智能鉆柱接頭采用電力與信息同線同步傳輸?shù)姆绞健?010 年，我國海隆石油管材研究所研制了一種電導通鉆桿（見圖3），向井下傳輸電能的功率可達1 kW，適用環(huán)境溫度為180 ℃，循環(huán)泵壓不低于40 MPa[38]。NOV 公司通過智能鉆桿遙測系統(tǒng)構建了一個井下寬帶數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，不僅可以進行井底隨鉆測量，還能實現(xiàn)全井眼隨鉆監(jiān)測[39]。貝克休斯公司研發(fā)了一種基于微型中繼器的有線智能鉆桿，微型中繼器放置在每節(jié)鉆桿和完全封裝的雙射頻諧振天線的盒子中，用于傳輸數(shù)據(jù)，并進行了2 次現(xiàn)場試驗[41]。2018 年，挪威CoreAll 公司推出了一種智能鉆桿取心工具，它可以將井下海量數(shù)據(jù)快速傳輸至地面，通過數(shù)據(jù)智能分析，優(yōu)選井下取心層位，從而提高取心品質(zhì)[44]。中國石油集團工程技術研究院攻克了磁耦合有纜鉆桿的關鍵技術瓶頸，研制了一種高速信息鉆桿，其傳輸速率達到100 kb/s，具有高速、雙向、全天候傳輸信息的能力，已經(jīng)在吉林油田、大慶油田等進行了現(xiàn)場試驗[45]。目前，國外尤其是美國，智能鉆桿已經(jīng)初步實現(xiàn)了現(xiàn)場應用，國內(nèi)處于技術跟蹤和試驗階段?？傮w來講，智能鉆桿要具有傳輸速度快、傳輸信息量大的特點，其是實現(xiàn)智能鉆井的關鍵，具有非常廣闊的發(fā)展前景。

圖 3 我國研制的電導通智能鉆桿Fig. 3 Electrically conductive smart drill pipe developed by China

2.3 智能鉆頭

智能鉆頭能實時獲取和監(jiān)測井下信息及其工作狀態(tài)，并對獲取的信息進行處理分析，再根據(jù)地層特性和井底環(huán)境自動調(diào)整自身形態(tài)和鉆進參數(shù)，從而實現(xiàn)高效鉆進[46]。1998 年，A. Leseultre 等人[47]提出了一種可感知井底環(huán)境的鉆頭，該鉆頭帶有多種傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以直接測量鉆井參數(shù)。2001 年，L. A. Sinor 等人[48]提出了一種可以調(diào)節(jié)和控制切削齒加載力和切削深度的鉆頭。2003 年，王以法[46]構想了一種由傳感器測量部分、計算機數(shù)據(jù)處理和存儲部分、電源供給部分和通訊控制部分組成的智能鉆頭。2017 年，貝克休斯公司發(fā)布了行業(yè)內(nèi)第一款自適應鉆頭——TerrAdapt 鉆頭（見圖4），該鉆頭上有一個調(diào)節(jié)裝置，可以根據(jù)地層巖石的情況，自動調(diào)節(jié)鉆頭的切削深度，避免切削齒咬入地層過深，從而可以減少鉆頭的震動、粘滑和地層對鉆頭的沖擊，從而大幅提高鉆井速度[49]。同時，哈里伯頓公司也推出了自適應鉆頭——CruzerTM深切削滾珠元件鉆頭，可以根據(jù)井下工況自動調(diào)整鉆進參數(shù)，有利于大幅降低扭矩和提高機械鉆速[50]。此外，由于該鉆頭具備較高的抗沖擊性、抗研磨性和熱機械完整性，因此也初步具備了鉆穿復雜地層的能力。國內(nèi)智能鉆頭的研究起步較晚，目前主要處于技術攻關和測試階段。未來智能鉆頭會朝著復雜環(huán)境中自動獲取井下信息與實時智能調(diào)整鉆進參數(shù)等方向發(fā)展。

圖 4 貝克休斯公司的TerrAdapt 智能鉆頭Fig. 4 Baker Hughes’ TerrAdapt smart bit

2.4 智能控壓鉆井系統(tǒng)

智能控壓鉆井系統(tǒng)主要根據(jù)井筒數(shù)據(jù)自動識別井下工況，并智能調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度，從而實現(xiàn)鉆井過程中井內(nèi)壓力的智能控制。智能控壓鉆井系統(tǒng)有助于解決窄密度窗口地層鉆進過程中存在的井涌、漏失、坍塌和卡鉆等井下故障，確保安全高效鉆進[51]。斯倫貝謝公司的動態(tài)環(huán)空壓力控制（dynamic annular pressure control, DAPC）系統(tǒng)，通過高速網(wǎng)絡自動調(diào)節(jié)回壓，能實現(xiàn)井下壓力的動態(tài)控制[52]。威德福公司的MicrofluxTM控制系統(tǒng)，可以通過傳感器和節(jié)流控制裝置檢測鉆井液進出口壓力的微小變化并快速改變井口回壓，從而滿足鉆井要求[53]。哈里伯頓公司的控制壓力鉆井（managed pressure drilling, MPD）系統(tǒng)，可通過鉆井液返出井口及回壓泵入口的流量計，實現(xiàn)鉆井液循環(huán)系統(tǒng)出入口流量差和壓力差的精確測量與分析，可有效預防井下溢漏[53]。中國石油集團研制的精細控壓鉆井系統(tǒng)（pressure control drilling system，PCDS），集恒定井底壓力控制與微流量控制于一體，可實現(xiàn)欠/近/過平衡精細控壓鉆井，能滿足多種復雜地質(zhì)條件與工程需求[54-55]。威德福公司的Victus 智能控壓鉆井系統(tǒng)將全球數(shù)千口井的數(shù)據(jù)進行整合，其分析系統(tǒng)可準確預測井底壓力并在數(shù)秒內(nèi)確定所需的井口回壓[56]。相較于傳統(tǒng)的控壓系統(tǒng)，智能控壓鉆井系統(tǒng)的準確性、安全性和時效性顯著提高，而這也是智能控壓鉆井系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

2.5 智能導向鉆井系統(tǒng)

智能導向鉆井系統(tǒng)主要是利用隨鉆數(shù)據(jù)的實時獲取、傳輸與處理，通過井下控制元件對鉆進方向進行智能調(diào)控，從而提高鉆井效率和儲層鉆遇率。目前，該系統(tǒng)的研究仍處于起步階段，但上世紀90 年代，斯倫貝謝、貝克休斯、哈里伯頓、威德福等公司相繼推出了商業(yè)化應用的旋轉導向鉆井系統(tǒng)。其中斯倫貝謝公司的PowerDrive 系統(tǒng)已升級至第三代，造斜率達（15°～17°）/30m，工具耐溫150 ℃[57]，不僅能夠準確預測側鉆位置，而且還實現(xiàn)了井下在線實時控制，可在井斜及方位發(fā)生偏差時進行自動校正或糾斜。貝克休斯公司的AutoTrak?系統(tǒng)基于對地層信息的實時獲取和評價，并結合基于連續(xù)比例控制方法的導向鉆井工具，顯著改善了井眼的光滑度，實現(xiàn)了更加精準的靶向鉆進，在挪威Jotun 油田的現(xiàn)場應用中，該系統(tǒng)最大機械鉆速為39 m/h，單次進尺達到3 400 m[58]。2018 年，哈里伯頓公司發(fā)布了全球首款智能旋轉導向系統(tǒng)iCruise（見圖5），該系統(tǒng)集成了先進的傳感器、電子設備及高速處理器，具備了400 r/min 轉速和18°/30m 造斜能力，同時可以智能調(diào)控鉆井方向，大幅縮短了鉆井時間。該系統(tǒng)在北美某地區(qū)的薄油藏應用中單次進尺超過1 600 m，中靶率達100%[59]。2015 年，中國海油自主研發(fā)了旋轉導向系統(tǒng)Welleader，在渤海油田成功進行海上作業(yè)，最小靶心距2.1 m[60]?？傮w來說，智能導向鉆井系統(tǒng)距大規(guī)模商業(yè)化應用仍有較大距離，需要在高性能智能處理器、智能導向工具等方面取得突破。

圖 5 哈里伯頓公司iCruise 智能旋轉導向系統(tǒng)Fig.5 Halliburton’s iCruise intelligent rotary steering sys- te m

3 智能鉆井攻關方向

目前，全球智能鉆井技術仍處于發(fā)展初期，諸多關鍵基礎理論與核心技術尚待突破。其中，歐美等發(fā)達國家的智能鉆井技術研究已取得了一定進展，獲得較好的現(xiàn)場應用效果，驗證了智能鉆井技術的可行性和適應性，國內(nèi)仍處于起步階段，智能鉆井技術整體水平與國外存在一定差距。因此，需要突破智能鉆井核心基礎理論，研發(fā)智能鉆井關鍵技術與裝備，形成完善的智能鉆井工程技術體系，為非常規(guī)、低滲透、深層、深水等復雜油氣資源的高效開采提供技術支撐。

3.1 復雜地層超前探測與智能表征技術

為了實現(xiàn)鉆井風險的實時預警和破巖參數(shù)的動態(tài)優(yōu)化，大幅提高鉆井效率，需要在復雜地層地質(zhì)參數(shù)超前探測和地質(zhì)構造智能表征方面取得突破，主要包括：研究復雜地質(zhì)、工程環(huán)境下井下智能傳感器的響應機理，提高源頭數(shù)據(jù)質(zhì)量；建立多源數(shù)據(jù)智能井下感知傳感系統(tǒng)，形成隨鉆測錄導智能一體化協(xié)同作業(yè)技術；建立復雜地層巖石物理參數(shù)智能表征模型，形成地質(zhì)目標體精細識別和超前探測技術。

3.2 復雜地層智能化破巖機理與導向控制技術

為了確保沿設計井眼軌道高效鉆進，大幅提高復雜油氣儲層鉆遇率，需要在智能化破巖機理與智能導向控制方法方面進行重點攻關，主要包括：開展復雜條件下自適應智能破巖作用機理研究，分析智能鉆頭破巖參數(shù)動態(tài)響應機制；開展復雜結構井井眼軌道智能優(yōu)化與調(diào)控技術研究，建立智能鉆頭優(yōu)化設計方案；建立海量數(shù)據(jù)雙向高效傳輸智能鉆桿；研究安全精細智能控壓鉆井系統(tǒng)和高性能自適應智能導向鉆井系統(tǒng)；形成智能導向鉆井實時優(yōu)化調(diào)控技術。

3.3 井筒穩(wěn)定性閉環(huán)響應機制與智能調(diào)控技術

為了及時調(diào)控和優(yōu)化智能鉆井工程參數(shù)，實現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟鉆井的目標，需要進行復雜油氣井井筒穩(wěn)定性閉環(huán)響應機制與智能調(diào)控技術攻關，主要包括：研究地面-井筒-地層多參數(shù)閉環(huán)響應機制，建立地面-井下鉆井工程參數(shù)閉環(huán)控制方法；形成多參數(shù)檢測、風險智能識別與表征技術；研發(fā)環(huán)境響應智能材料，構建自適應智能鉆井液體系；研究基于大數(shù)據(jù)的鉆井液性能智能化設計、評價與調(diào)控技術；建立復雜油氣井閉環(huán)調(diào)控智能管理平臺。

3.4 復雜油氣井鉆井智能監(jiān)控、診斷與決策系統(tǒng)

為了實現(xiàn)復雜油氣井鉆井方案的動態(tài)智能優(yōu)化，以大幅提高單井產(chǎn)量和采收率，需要在鉆井全過程的智能監(jiān)控、診斷與決策方面取得突破，主要包括：搭建地質(zhì)-工程數(shù)據(jù)平臺；建立多源數(shù)據(jù)融合與地質(zhì)-工程模型重構方法，形成鉆井工程實時可視化技術；研究基于分布參數(shù)模型的智能控制技術，建立多事件體（AGENT）機制下的鉆井過程全工況智能協(xié)調(diào)控制策略；形成基于大數(shù)據(jù)和深度學習的鉆井方案智能決策系統(tǒng)。

4 結束語

智能鉆井技術是全球前沿技術和行業(yè)發(fā)展趨勢，反映了一個國家的油氣科技發(fā)展水平，而我國智能鉆井技術起步較晚，與國外先進水平相比存在一定差距，亟需開展頂層設計，制定我國智能鉆井的發(fā)展規(guī)劃與技術路線，系統(tǒng)開展智能鉆井基礎理論研究與技術裝備研發(fā)。當前，全球科技正朝著數(shù)字化、信息化、智能化方向迅速發(fā)展，我國人工智能技術的研究也進入爆發(fā)期，部分研究處于世界前沿，這也為智能鉆井技術的快速發(fā)展奠定了基礎。

由于智能鉆井技術涉及大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)與新材料等關鍵基礎理論與技術，因此，有必要推進多學科交叉，加強鉆井工程與前沿理論及技術的跨界融合。同時，也需要強化協(xié)同創(chuàng)新，搭建產(chǎn)學研合作平臺，完善人才培養(yǎng)和團隊建設機制，進一步推動智能鉆井技術的快速發(fā)展，為實現(xiàn)非常規(guī)、低滲透、深層、深水等復雜油氣資源的高效勘探開發(fā)提供技術支撐。