賀會群 張行 巴莎 于楠 張慧筠 王逸達 汪潔

經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，我國油氣工程技術(shù)裝備整體水平步入國際先進行列，實現(xiàn)了從初期的機械化到自動化和信息化，以及目前部分數(shù)字化與智能化的跨越。分析和描述了萬米特深井鉆機、“一鍵式”自動化鉆機、智能鉆井系統(tǒng)、5G加持的壓裂機組、自動化連續(xù)管裝備、連續(xù)管作業(yè)智能支持中心、智能導(dǎo)向鉆井控制系統(tǒng)、萬米自動化頂驅(qū)、智能鉆桿等國內(nèi)典型油氣工程技術(shù)裝備的關(guān)鍵技術(shù)特征和智能化水平。認為國內(nèi)油氣工程技術(shù)裝備的智能化依然以第一代“自動化”、第二代“數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化”為主，要全面實現(xiàn)第三代智能化，任重道遠。論述了智能制造的內(nèi)涵、國內(nèi)油氣工程技術(shù)裝備智能制造的發(fā)展概況，認為國內(nèi)油氣工程技術(shù)裝備的智能制造取得了長足進步，尤其是在應(yīng)用層面已經(jīng)跟上了全球發(fā)展步伐，在某些方面形成了中國特色。以連續(xù)管作業(yè)裝備為制造對象，構(gòu)建了“基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的連續(xù)管裝備智能制造整體解決框架”，剖析了智能工廠、制造知識、精益生產(chǎn)、智能裝備、工業(yè)軟件等關(guān)鍵要素。研究結(jié)果可為全面實現(xiàn)油氣工程技術(shù)裝備智能制造提供參考。

油氣工程技術(shù)裝備；智能化；智能制造；萬米深井；國內(nèi)發(fā)展；典型案例

Exploration and Practice of Intelligence and Intelligent Manufacturing

of Oil and Gas Engineering Equipment in China

After decades of development，the overall level of oil and gas engineering equipment in China has entered the international advanced ranks，achieving a leap from early mechanization to automation and informatization，and then to part of digitization and intelligence at present.In the paper，the key technical characteristics and intelligence level of typical oil and gas engineering equipment in China，including the 10 000 m deep well drilling rig，“one click” automated drilling rig，intelligent drilling system，5G supported fracturing unit，automated coiled tubing equipment，intelligent support center for coiled tubing operation，intelligent steering drilling control system，10 000 m automated top drive and intelligent drill rod，were analyzed and described， believing that the intelligence of oil and gas engineering equipment in China is still dominated by the first generation of “automation” and the second generation of “digitalization + networking”，and there is still a long way to go to fully achieve the third generation of intelligence.The connotation of intelligent manufacturing and the development overview of intelligent manufacturing of oil and gas engineering equipment in China were discussed，believing that the intelligent manufacturing of oil and gas engineering equipment in China has made significant progress，especially in terms of application，it has caught up with the global development pace and formed Chinese characteristics in some aspects.Moreover，taking coiled tubing operation equipment as the manufacturing object，an “integrated solution framework for intelligent manufacturing of coiled tubing equipment based on industrial internet” was constructed，and the key elements such as intelligent plant，manufacturing knowledge，lean production，intelligent equipment and industrial software were analyzed.The research results provide reference for fully realizing the intelligent manufacturing of oil and gas engineering equipment.

oil and gas engineering equipment；intelligence；intelligent manufacturing；over 10 000 meters deep well;development in China；typical case

0 引 言

石油和天然氣是重要的戰(zhàn)略資源，能源安全關(guān)系到我國經(jīng)濟社會發(fā)展全局。中國已成為全球第二大石油消費國和第三大天然氣消費國，原油和天然氣對外依存度長時間居高不下，巨量的原油和天然氣需求，對油氣資源勘探開發(fā)提出了更高要求。油氣勘探開發(fā)總體向“老、非、海、深、極、水”等領(lǐng)域拓展。以深層超深層為例，39%的剩余石油和57%的剩余天然氣分布其中，是我國油氣重大戰(zhàn)略接替領(lǐng)域。高效開發(fā)深層超深層油氣資源是踐行國家“四深”戰(zhàn)略的實際體現(xiàn)，也是國家能源接替戰(zhàn)略的重大需求?，F(xiàn)代油氣工業(yè)正在從“資源優(yōu)劣主導(dǎo)”向“技術(shù)裝備主導(dǎo)”轉(zhuǎn)變，技術(shù)裝備進步已成為推動油氣增儲上產(chǎn)、降本增效、清潔環(huán)保開發(fā)的關(guān)鍵。預(yù)計依靠科技進步帶來的油氣增量將占到剩余可采資源總量的10%，桶油成本降幅將達到30%以上。

油氣勘探開發(fā)新領(lǐng)域、新趨勢和新挑戰(zhàn)給油氣工程技術(shù)裝備提出更新、更高的要求。在國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、國家能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃與中國制造2025戰(zhàn)略的引領(lǐng)下，亟需開展一場從理念到應(yīng)用的全方位創(chuàng)新，快速突破復(fù)雜工況環(huán)境下油氣工程技術(shù)裝備研發(fā)所面臨的諸多理論與技術(shù)難題，形成一批走向國際市場的高端自主品牌裝備，大幅提升油氣勘探開發(fā)規(guī)模和效益。

我國油氣工程技術(shù)裝備歷經(jīng)了20世紀80年代初期的大規(guī)模引進消化吸收、仿制改進提升，到自主創(chuàng)新研制、整體步入國際先進行列的蛻變，實現(xiàn)了從初期的機械化到自動化和信息化，以及目前部分數(shù)字化與智能化的跨越。特別是近年來，12 000 m特深井自動化鉆機、7 000 m“一鍵式”自動化鉆機、智能鉆井系統(tǒng)、5G加持的壓裂機組、電驅(qū)自動化連續(xù)管作業(yè)裝備、連續(xù)管作業(yè)智能支持中心、智能導(dǎo)向鉆井控制系統(tǒng)、15 000 m自動化頂驅(qū)、智能鉆桿等一批油氣工程裝備利器相繼問世，有力支撐了萬米特深層油氣資源勘探開發(fā)等重大工程技術(shù)項目的實施［1］。同時，智能化和智能制造成為油氣工程技術(shù)裝備加速迭代升級、持續(xù)打造國之重器的重要途徑和手段。

1 油氣工程技術(shù)裝備智能化發(fā)展

針對油氣工程技術(shù)裝備智能化，主要存在以下3種認識。①認為只要具備自動控制元素和功能，就是智能化技術(shù)裝備。②認為只有做到全要素、全過程無人干預(yù)，才有“資格”稱之為智能化技術(shù)裝備。例如，成套鉆井裝備從基地移運至井場，完成安裝、鉆井、完井，全過程無人值守，這才能稱得上智能鉆井裝備和智能鉆井。③或許因為產(chǎn)品宣傳的需要，或許因為認識的局限，經(jīng)常將電氣化、自動化、信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等詞匯，任性組合，用以定義和描述油氣工程技術(shù)裝備智能化。前2個認識過于“極端”，第三個認識較為普遍。

借鑒國家智能制造專家委員會對智能制造3種范式的定義與界定，可以將智能化油氣工程技術(shù)裝備劃分為3代：第一代智能化油氣工程技術(shù)裝備的典型特征是“自動化”，第二代智能化油氣工程技術(shù)裝備的典型特征是“數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化”，第三代智能化油氣工程技術(shù)裝備的典型特征是“數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化+人工智能”。目前，國內(nèi)油氣工程技術(shù)裝備的智能化依然以第一、二代為主，想要全面實現(xiàn)和達到第三代智能化水平，依然任重道遠。

1.1 全球首臺12 000 m特深井自動化鉆機

經(jīng)過279 d的艱苦努力，2024年3月4日，中國石油塔里木油田深地塔科1井鉆探深度突破10 000 m，成為世界陸上第二口、亞洲第一口垂直深度超萬米井，創(chuàng)造了當今世界上鉆探萬米深井用時最短紀錄，標志著中國自主攻克了萬米級特深井鉆探技術(shù)瓶頸，深地油氣鉆探能力及裝備配套能力躋身國際領(lǐng)先水平［2］。

為了完成這口萬米深井的鉆探任務(wù)，中國石油集團協(xié)同我國油氣技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)鏈“產(chǎn)學研用”核心企業(yè)攜手攻關(guān)，配置了寶雞石油機械有限責任公司自主研制的全球首臺12 000 m特深井自動化鉆機（見圖1），這臺鉆機在電動化、自動化和國產(chǎn)化方面均有突破性進展［3］。

12 000 m特深井自動化鉆機關(guān)鍵技術(shù)特征體現(xiàn)在［4］：基于材料優(yōu)選、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、非線性動載仿真分析計算等，揭示了重載工況下大型桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布與變形規(guī)律，研制了滿足萬米鉆探工程的新型塔形井架；基于狀態(tài)空間優(yōu)化方法，攻克了超高鉆臺大載荷提升系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)；研制了15 m超高鉆臺，滿足了超高壓井控設(shè)備的安裝需求；配置了6 000馬力、最大鉤載9 000 kN的絞車，實現(xiàn)了關(guān)鍵部件的參數(shù)強化與國產(chǎn)化；基于“機-電-液-數(shù)”控制技術(shù)，開發(fā)了鉆臺機械手、二層臺排管裝置、電動輔助絞車、電驅(qū)鉆井液閘閥組等自動化設(shè)備，提升了控制精準性、運行環(huán)保性和低溫適應(yīng)性，實現(xiàn)了超大容量管柱的全流程自動化處理與遠程操控；基于狀態(tài)空間重構(gòu)和整機布局優(yōu)化，綜合分析了國內(nèi)道路運輸和井場條件，解決了萬米鉆機關(guān)鍵裝備對國內(nèi)山地、沙漠、戈壁、平原等全區(qū)域的適應(yīng)性和移運難題；配套了9 000 kN頂驅(qū)裝置、智能化井口自動化設(shè)備，創(chuàng)新研發(fā)了220 ℃超高溫鉆井液、抗高溫螺桿鉆具、高性能PDC鉆頭、抗230 ℃高溫和175 MPa高壓測井儀器、高抗擠毀管材等高端技術(shù)裝備和高性能鉆井器材，儲備了萬米取芯裝備、175 MPa特高壓壓裂車等一批關(guān)鍵核心裝備，形成了12 000 m自動化成套鉆井裝備與系統(tǒng)，充分展示了中國油氣鉆探技術(shù)裝備的實力和技術(shù)水平。

1.2 “一鍵式”人機交互7 000 m自動化鉆機

寶雞石油機械有限責任公司研制的“一鍵式”人機交互7 000 m自動化鉆機（見圖2）繼入選2022年全國油氣勘探開發(fā)十大標志性成果之后，又成功入選國家高端裝備陣列。該鉆機突破了多設(shè)備聯(lián)動協(xié)同控制等技術(shù)瓶頸，首創(chuàng)了具有并聯(lián)作業(yè)模式的獨立建立根系統(tǒng)，突破了虛擬重構(gòu)、視覺識別等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了智能安全管控系統(tǒng)，建立了鉆機在線監(jiān)測與遠程運維平臺，實現(xiàn)了“流程自動化、作業(yè)少人化、操控一鍵化”［4］。

該鉆機主要技術(shù)特點為：動力排管系統(tǒng)采用了液壓同步控制技術(shù)，具備了多層鉆具排放及倒運功能，實現(xiàn)了堆場鉆具輸送與回收作業(yè)的無人化和自動化，明顯降低了場地工的勞動強度；新型堆場管柱吊運及自動化處理裝置實現(xiàn)了鉆具在地面排管區(qū)到貓道間的自動化、非滾動輸送作業(yè)，解決了井場作業(yè)區(qū)域受限、井隊現(xiàn)場人工輔助作業(yè)勞動強度大、安全性差等諸多難題；動力貓道采用電液控制及自動化遠程操作技術(shù)，實現(xiàn)了鉆具輸送作業(yè)的自動化，解決了井隊現(xiàn)場鉆具輸送效率低、安全性差等問題；鐵鉆工（見圖3）

實現(xiàn)了鉆具的自動上、卸扣作業(yè)，集成了對扣、涂抹螺紋油及鉆井液防噴等輔助功能，解決了建立根、起下鉆需要人工輔助、自動化程度低、井口作業(yè)風險大等問題；扶管機械手實現(xiàn)了管柱處理的遠程控制和一鍵自動精準排放，解決了井隊現(xiàn)場立根及甩單根依靠人力完成的問題；二層臺排管裝置（見圖4）實現(xiàn)了二層臺無人化，有效降低了高空作業(yè)風險，明顯改善了作業(yè)環(huán)境。整機集成控制系統(tǒng)采用了“功能復(fù)用、一鍵多能、人機交互”的設(shè)計理念，實現(xiàn)了對鉆機各設(shè)備全集成化操作、信息統(tǒng)一管理、工序動態(tài)銜接及智能化安全管控。

1.3 鉆機控制系統(tǒng)Unison和智能鉆井系統(tǒng)OPERA

傳統(tǒng)鉆井作業(yè)中，常常因為個人經(jīng)驗、精力等人為因素影響鉆井工程質(zhì)量。東方宏華開發(fā)的智能鉆井系統(tǒng)OPERA（見圖5）能夠?qū)@進、起鉆、下鉆等重復(fù)性鉆井工序制成標準流程，寫入系統(tǒng)，并且自動優(yōu)化鉆井參數(shù)。通過搭載鉆機控制系統(tǒng)Unison，布署智能鉆井系統(tǒng)OPERA，可以實現(xiàn)鉆機的“自動駕駛”。

作為油氣工程技術(shù)數(shù)字化鉆井解決方案的重要組成部分，智能鉆井系統(tǒng)OPERA將鉆井作業(yè)從基本的功能控制、設(shè)備控制升級至鉆井工藝控制、流程控制。平臺不僅集成了鉆井過程中常用的起下鉆、鉆井流程，還包括AI試鉆、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向指令下傳、自動滑動定向等高階APP。在搭載數(shù)字化鉆井解決方案的鉆井平臺上，操作人員只需簡單點擊幾下屏幕，就能完成接單根和鉆井操作。

基于自動控制技術(shù)和人工智能算法，可建立鉆井參數(shù)優(yōu)化、鉆井工藝過程精準協(xié)同控制的數(shù)字化鉆井解決方案，該方案能夠?qū)?shù)千米乃至萬米的復(fù)雜鉆井操作“孿生”到操控屏上，簡化了司鉆操作，提高了鉆井效率和安全性，現(xiàn)已應(yīng)用于海內(nèi)外。

此外，東方宏華的遠程專家系統(tǒng)Drill Studio實現(xiàn)了鉆井作業(yè)的“遠程駕駛”，用戶能夠在辦公室集中監(jiān)控多臺鉆機，在線瀏覽和查詢各個井隊的井場數(shù)據(jù)，遠程在線調(diào)整鉆井參數(shù)，實現(xiàn)“云鉆井”，滿足鉆井信息管理、用戶管理、日志管理、文件管理、數(shù)據(jù)分析、遠程定向、數(shù)據(jù)監(jiān)控等需求，實時通信鉆井現(xiàn)場端OPERA系統(tǒng)，安全上傳參數(shù)和下發(fā)指令，實現(xiàn)專家資源的最大化利用［9］，讓傳統(tǒng)鉆機搖身一變成為“會思考”的智慧型鉆機。

1.4 數(shù)字化賦能大功率壓裂機組

近年來，中國石化機械公司針對油氣工程技術(shù)成套裝備智能化進行了嘗試與探索，且成效明顯。自主開發(fā)的“基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的石油成套裝備智能化平臺”具備裝備定位、運行工況監(jiān)控、指標分析、備件管理、運維檢修管理等功能，為油氣裝備運維和診斷提供數(shù)據(jù)支撐，入選湖北省基于互聯(lián)網(wǎng)的制造業(yè)“雙創(chuàng)”平臺（企業(yè)）試點示范項目；“SOFELink石油裝備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能云平臺”入選工信部2022年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺創(chuàng)新領(lǐng)航應(yīng)用案例，為客戶打造裝備物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)裝備全生命周期管理；充分利用5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智慧云平臺等技術(shù)，推動油氣裝備數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展。

在5G應(yīng)用上，布署可移動、輕量化5G網(wǎng)絡(luò)終端，滿足各類油田現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信需求。2024年1月6日，該公司開發(fā)的大功率壓裂機組及5G無線控制系統(tǒng)（見圖6），在勝利油田壓裂施工作業(yè)成功應(yīng)用?，F(xiàn)場壓裂施工作業(yè)規(guī)模大、設(shè)備布署集中、作業(yè)時間長，共布署16套壓裂設(shè)備，包括12臺主壓電驅(qū)壓裂橇、2臺泵送電驅(qū)壓裂橇、1臺雙擴數(shù)字化控制中心和1套低壓全流程系統(tǒng)，設(shè)備及視頻全部接入壓裂機組5G系統(tǒng)，引領(lǐng)壓裂增產(chǎn)作業(yè)邁入全機組5G無線時代。

現(xiàn)場試驗進一步驗證和展示了5G控制大功率壓裂機組的技術(shù)特點：①高帶寬、低時延、廣連接，能滿足現(xiàn)場可視化遠程監(jiān)控需求，可實現(xiàn)高清視頻并發(fā)傳輸；②控制操作及時準確可靠，實時監(jiān)測與控制現(xiàn)場設(shè)備；③機組設(shè)備統(tǒng)一高速率、低時延的集群控制，提升控制系統(tǒng)承載能力；④系統(tǒng)穩(wěn)定運行40余天，各項功能和指標達到預(yù)期。

1.5 連續(xù)管技術(shù)與裝備的自動化

這些年，中石油江漢機械研究所有限公司、中石化石油機械股份有限公司、煙臺杰瑞石油服務(wù)集團股份有限公司均先后研制了電驅(qū)、自動化、智能化連續(xù)管作業(yè)裝備（見圖7），且相繼投入了實際應(yīng)用［5-6］?？偟膩碚f，電驅(qū)+自動化的特征略顯突出，智能化程度與水平明顯不足。具體體現(xiàn)在以下幾點。①連續(xù)管裝備自動化（或部分智能）控制系統(tǒng)將連續(xù)管實時模擬分析、連續(xù)管缺陷檢測、電動控制、智能維護保養(yǎng)等多系統(tǒng)深度融合，實現(xiàn)了連續(xù)管從動態(tài)入井到動態(tài)出井的實時監(jiān)測與分析。當檢測到超載、超壓、超速、失速、井控失效等異常狀況時，可智能化啟動應(yīng)急安全控制系統(tǒng)，自動降速或停機，確保作業(yè)安全。②與柴油機驅(qū)動的連續(xù)管裝備相比，裝載iMill智能低速控制單元的自動化電驅(qū)連續(xù)管裝備擁有更佳的低速穩(wěn)定性和最低速度運行表現(xiàn)，能夠更好地滿足油氣井測試、水平井鉆磨等作業(yè)需求。③人性化智能座艙，內(nèi)設(shè)集成式控制座椅，化繁為簡，將操控桿和屏幕集成在座椅上，使控制觸手可得。④實現(xiàn)了GPS跟蹤、實時設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查看，以及遠程系統(tǒng)維護和移動端實時設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等功能。⑤綜合能耗相比柴油機驅(qū)動的連續(xù)管裝備下降60%以上，節(jié)能效果顯著。

連續(xù)管技術(shù)與裝備因連續(xù)管而“得名”，因此，連續(xù)管的制造、使用和狀態(tài)監(jiān)測備受關(guān)注。洛陽威爾若普檢測技術(shù)有限公司基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+磁記憶弱磁感知技術(shù)+機器視覺AI監(jiān)測技術(shù)（見圖8），開發(fā)了連續(xù)管智慧監(jiān)測裝置，該裝置展示了連續(xù)管的狀態(tài)感知、監(jiān)測、預(yù)警、處置和評估能力，實現(xiàn)了連續(xù)管從靜態(tài)分析向動態(tài)感知、事后應(yīng)急向事前預(yù)防、人工檢測向智慧監(jiān)測的轉(zhuǎn)變，提升了連續(xù)管在油田作業(yè)過程中的本質(zhì)安全水平。

該裝置的機器視覺識別技術(shù)功能尤其值得關(guān)注。利用成像設(shè)備對連續(xù)管表面進行采集，經(jīng)過圖像預(yù)處理、高質(zhì)量的增強和減噪之后，應(yīng)用圖像分割、特征提取和分類等技術(shù)，將連續(xù)管表面圖像中的細節(jié)和異常部分進行快速準確地識別和提取。然后，基于機器視覺的連續(xù)管制造缺陷精密檢測算法，在對連續(xù)管圖像邊緣進行空間矩陣亞像素定位的基礎(chǔ)上，利用相鄰分辨率邊緣像素的亞像素位置關(guān)系，精確計算質(zhì)量缺陷，包括鋼管通孔、凹坑、刻槽缺陷、表面劃傷、橢圓度、直徑誤差和撞擊坑等，實時進行大數(shù)據(jù)量化分析，從而實現(xiàn)對連續(xù)管安全狀態(tài)的有效評估。

1.6 連續(xù)管作業(yè)智能支持中心（EISC）

中石油江漢機械研究所有限公司開發(fā)的連續(xù)管作業(yè)智能支持中心（EISC）（見圖9），基于中國石油集團工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系，以遠程風險管控與技術(shù)支持為重點，以EISC技術(shù)架構(gòu)為基礎(chǔ)，完全自主研發(fā)了連續(xù)管作業(yè)智能支持平臺［7］。該平臺充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，圍繞井、井筒、裝備、區(qū)塊、人員組織等主數(shù)據(jù)，以及鉆井、測井、井下等工程數(shù)據(jù)與成果數(shù)據(jù)，將連續(xù)管作業(yè)現(xiàn)場產(chǎn)生的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、裝備數(shù)據(jù)、作業(yè)實時視頻等信息，通過遠傳網(wǎng)絡(luò)實時傳入工程技術(shù)連續(xù)管專業(yè)數(shù)據(jù)湖，構(gòu)建了以“業(yè)務(wù)中臺”和“數(shù)據(jù)中臺”為基礎(chǔ)支撐的協(xié)同工作平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)集成、分析、共享應(yīng)用等功能。通過打通連續(xù)管一級技術(shù)支持中心與各二級支持中心及油田作業(yè)隊信息傳遞通道，形成了多級協(xié)同體系，保證數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)協(xié)同，完善了連續(xù)管作業(yè)動態(tài)管理、設(shè)備維保、生產(chǎn)安全、知識共享等功能，形成了連續(xù)管作業(yè)數(shù)據(jù)的采、存、算、管、用等一體化能力，保障了中國石油連續(xù)管作業(yè)大數(shù)據(jù)的及時性、準確性、完整性和一致性。在此基礎(chǔ)上，提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享服務(wù)，促進了業(yè)務(wù)產(chǎn)生數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)服務(wù)業(yè)務(wù)的閉環(huán)管理，打造了連續(xù)管作業(yè)裝備協(xié)同、維保服務(wù)、實時監(jiān)測、設(shè)計與優(yōu)化分析、現(xiàn)場安全監(jiān)控、專家支持等6大應(yīng)用場景。各級遠程支持中心能夠利用平臺功能，充分享用專家資源，實現(xiàn)集團內(nèi)專家協(xié)同“把脈”的技術(shù)管理模式創(chuàng)新，實現(xiàn)連續(xù)管遠程技術(shù)支持與全業(yè)務(wù)鏈數(shù)字化管理，助力連續(xù)管技術(shù)專家指導(dǎo)作業(yè)由“現(xiàn)場”模式向“現(xiàn)場+遠程”前后方聯(lián)動的遠程智能支持模式轉(zhuǎn)變，由此推動生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)連續(xù)管作業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，支持中國石油連續(xù)管作業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

目前中國石油已經(jīng)完成新疆、川渝、大慶、長慶等4個二級遠程支持中心的建設(shè)并投入使用。特別是在西部鉆探井下作業(yè)公司的全面推廣應(yīng)用與成效受到了用戶高度評價，提升了現(xiàn)場作業(yè)效率和業(yè)務(wù)運營效率，促進了連續(xù)管作業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展，重塑了管理架構(gòu)和業(yè)務(wù)流程，展示了連續(xù)管作業(yè)生產(chǎn)管理過程的精準決策、實時交互、高效共享和緊密協(xié)同。

1.7 首臺15 000 m自動化頂驅(qū)

隨著國內(nèi)油氣勘探不斷向深層、超深層挺進，開展15 000 m特深井鉆機配套頂驅(qū)研究，掌握超深井關(guān)鍵裝備配套與應(yīng)用關(guān)鍵核心技術(shù)，支撐我國鉆井技術(shù)向深地鉆探進軍刻不容緩。北京石油機械有限公司研制的15 000 m自動化頂驅(qū)（見圖10）承載能力達到11 250 kN，整機功率2 200 kW，本體質(zhì)量達45 t。該頂驅(qū)多項技術(shù)指標達到國際領(lǐng)先水平，在安全性、可靠性、便捷性方面實現(xiàn)大幅提升頂驅(qū)。頂驅(qū)首次采用了雙提環(huán)+雙負荷通道的全新結(jié)構(gòu)設(shè)計，保障承載安全，提升了抗沖擊性能；采用雙電機冗余設(shè)計和新型單級減速傳動結(jié)構(gòu)，有效降低了長周期作業(yè)過程中頂驅(qū)電機失效導(dǎo)致的停機概率，可大幅提高系統(tǒng)可靠性；其首次采用具有自動浮動和實時位置檢測功能的新型背鉗，可大幅降低更換保護接頭和IBOP作業(yè)的工作復(fù)雜度和操作時長；采用102 mm通徑、70 MPa超高壓主循環(huán)通道，可滿足超深井作業(yè)中大排量、高泵壓的要求；創(chuàng)新形成了自翻轉(zhuǎn)頂驅(qū)運移裝置，提高頂驅(qū)安裝便捷性，降低大型吊裝作業(yè)風險，集成了扭擺減阻、軟扭矩等北京石油機械有限公司獨創(chuàng)頂驅(qū)先進技術(shù)。

此外，北京石油機械有限公司首創(chuàng)了頂驅(qū)智能化監(jiān)測與維護系統(tǒng)，基于頂驅(qū)多參數(shù)傳感器，搭建了頂驅(qū)機電液虛擬仿真平臺，結(jié)合鉆井作業(yè)運行歷史數(shù)據(jù)，建立了頂驅(qū)數(shù)字鏡像系統(tǒng)；研發(fā)了多通道復(fù)合通信技術(shù)，可確保特深井鉆井作業(yè)中頂驅(qū)信號的可靠傳輸，頂驅(qū)的自動化和智能化顯著提升。

1.8 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井與隨鉆測井技術(shù)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井與隨鉆測井技術(shù)是極其復(fù)雜的高難度油氣工程技術(shù)，涉及1 000余道高端工藝，橫跨20多個學科，軟件代碼多達數(shù)百萬條，自1995年問世以來，一直被西方3家知名油服公司壟斷［8-9］。面對西方的技術(shù)封鎖、專橫壟斷、居高難下的服務(wù)費用（每年近2億美元），中國海洋石油集團油田技術(shù)服務(wù)公司歷經(jīng)7年艱苦卓絕的攻關(guān)，成功研發(fā)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井與隨鉆測井系統(tǒng)并實現(xiàn)海上作業(yè)（見圖11）。該系統(tǒng)實現(xiàn)了精準控制幾千米地下鉆具在0.7 m薄油層中橫向或斜向穩(wěn)定穿行1 000 m以上的“遙控駕駛”功能，同時可以實現(xiàn)對地層資料的實時分析，使我國成為世界第二個擁有此項“代表當今世界鉆井、測井技術(shù)發(fā)展最高水平”技術(shù)的國家［10］，為高效開發(fā)海洋油氣資源、大幅降低油氣田開發(fā)成本提供了重要工程利器。

基于此項石油鉆井、測井領(lǐng)域的顛覆性和革命性技術(shù)，在廣東佛山正式建成投產(chǎn)了我國首條旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井與隨鉆測井系統(tǒng)智能化生產(chǎn)線，這也是中國海洋石油集團公司建設(shè)高端油氣勘探開發(fā)裝備智能制造產(chǎn)業(yè)鏈的核心內(nèi)容之一，標志著由我國自主研發(fā)的系統(tǒng)正式邁入規(guī)模產(chǎn)業(yè)化新階段，制造能力躋身國際一流。

1.9 智能鉆桿

隨著旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)、鉆井動態(tài)參數(shù)的井下診斷和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，對鉆井過程中地質(zhì)和井眼的各種信息采集、傳輸、處理、反饋的時效性要求也越來越高。油氣鉆井工程逐步進入信息化、自動化和智能化階段，對井下隨鉆測量數(shù)據(jù)與地面的實時傳輸速率提出了更高要求［11］。傳統(tǒng)隨鉆數(shù)據(jù)與信息的實時傳輸主要通過鉆井液脈沖方式，其實際傳輸速率僅為2～5 bit/s，遠遠不能滿足眾多參數(shù)隨鉆實時快速傳輸要求，智能鉆桿呼之欲出。

中國石油集團工程技術(shù)研究院黃衍福教授團隊依托國家重大科技專項，攻關(guān)研制了有纜信息傳輸鉆桿（智能鉆桿）。其實質(zhì)是一種內(nèi)置電纜的鉆桿，單根鉆桿間的電纜通過鉆桿接頭端面預(yù)埋的磁感應(yīng)耦合環(huán)實現(xiàn)軟連接，也就是將帶電纜的細長承壓管嵌入鉆桿兩端接頭，經(jīng)拉緊并貼于鉆桿水眼內(nèi)壁的一側(cè)；而鉆桿兩端接頭螺紋采用雙臺階結(jié)構(gòu)，且端面各預(yù)埋裝有磁感應(yīng)耦合環(huán)；鉆桿連接后，兩耦合環(huán)雖沒有物理接觸，但可以依靠電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)信息在鉆桿間的高速傳輸，如圖12所示。

井下有纜信息傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成不僅包含有纜信息傳輸鉆桿（若干），還包含井口旋轉(zhuǎn)短節(jié)、方鉆桿、旋塞閥、中繼鉆桿（若干）、止回閥、加重鉆桿（若干）、鉆鋌（若干）、震擊器、減震器、隨鉆測量工具等均要具備有纜通道及兩端磁耦合結(jié)構(gòu)，如圖13所示。

經(jīng)過10多年的持續(xù)攻關(guān)和現(xiàn)場試驗，中國石油集團已經(jīng)建成了有纜信息傳輸鉆桿制造、檢驗試驗、維護保養(yǎng)、系統(tǒng)集成等生產(chǎn)體系。產(chǎn)品性能與美國Intelliserv公司（美國Grant Predico公司與Novatec工程公司成立的合資公司）最新2代各項指標相比，除無中繼傳輸距離（200 m）不及后者外，其余指標均與之相當或略優(yōu)，比如傳輸速率（100 kbit/s）是后者（Intelliserv傳輸速率是57 kbit/s）的1.75倍。國產(chǎn)智能鉆桿已分別在大慶油田、吉林油田成功應(yīng)用。

2 我國油氣工程技術(shù)裝備智能制造探索

2.1 智能制造的內(nèi)涵與發(fā)展概況

美國能源部對智能制造的定義是：智能制造是先進傳感、儀器、監(jiān)測、控制和過程優(yōu)化的技術(shù)和實踐的組合，它們將信息和通信技術(shù)與制造環(huán)境融合在一起，實現(xiàn)工廠和企業(yè)中能量、生產(chǎn)率、成本的實時管理。廣義而論，包括油氣工程技術(shù)裝備在內(nèi)的智能制造是一個不斷豐富的大概念，一個不斷演進的大系統(tǒng)，是新一代信息技術(shù)與先進制造技術(shù)的深度融合，貫穿于產(chǎn)品、制造、服務(wù)全生命周期的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)制造的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，不斷提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、效益、服務(wù)水平，推動制造業(yè)創(chuàng)新、綠色、協(xié)調(diào)、開放、共享等高質(zhì)量發(fā)展［12］。全球工業(yè)革命歷經(jīng)18世紀末的機械化時代、20世紀初的電氣化時代、20世紀70年代的數(shù)字化時代之后，如今正在邁向智能化時代。如果說“數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化”制造是新一輪工業(yè)革命的開始，那么新一代智能制造的突破和廣泛應(yīng)用將推動形成這次工業(yè)革命的高潮，引領(lǐng)真正意義上的第四次工業(yè)革命［13］。

國際智能制造聯(lián)盟榮譽主席、中國工程院院士周濟指出，幾十年來，在實踐中不斷發(fā)展的智能制造，演化形成了諸多范式，包括計算機集成制造、并行工程、柔性制造、精益生產(chǎn)、數(shù)字化制造、敏捷制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、云制造、智能化制造等，在制造業(yè)的智能轉(zhuǎn)型中發(fā)揮了指導(dǎo)和推動作用［14］。目前，可以認為智能制造包含3個基本范式：第一范式是數(shù)字化制造，稱之為第一代智能制造；第二范式是“數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化”制造，或者互聯(lián)網(wǎng)+制造，稱之為第二代智能制造；第三范式是新一代智能制造“數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化+智能化”［8］。工業(yè)人工智能時代，智能制造將被賦予新內(nèi)涵：智能制造是以賽博（CyberPhysical Systems）物理系統(tǒng)為物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，數(shù)字技術(shù)、制造知識和智能裝備深度融合，貫穿產(chǎn)品全生命周期各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型制造方式，其本質(zhì)特征是信息系統(tǒng)增加了認知和學習功能（見圖14）。

經(jīng)過近10來年探索與實踐，我國包含油氣工程技術(shù)裝備在內(nèi)的智能制造，取得了明顯進步，注重了應(yīng)用成效，形成了中國特色。培育了140余家主營業(yè)務(wù)收入達10億的系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商；建成了2 500余家具備相當水準的智能化工廠或數(shù)字化車間，培育了209家具備世界智能制造先進水平的示范工廠；自主攻關(guān)研制了一批以工業(yè)機器人為典型代表的智能裝備和年均復(fù)合增長率達到11.4%的工業(yè)軟件；形成了網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造、共享制造、個性化定制、遠程運維等諸多新型制造模式［1］。針對油氣工程技術(shù)裝備智能制造，寶雞石油機械有限責任公司、北京石油機械有限公司、三一集團有限公司、煙臺杰瑞石油服務(wù)集團股份有限公司等知名公司均有不俗表現(xiàn)，但總體來說，仍處于第一、第二范式，要實現(xiàn)第三范式的“強智能化”，依然需要“跋山涉水”。

2.2 智能制造的系統(tǒng)構(gòu)成與關(guān)鍵要素

智能制造的系統(tǒng)構(gòu)成頗為復(fù)雜、要素繁多、功能完整。經(jīng)常出現(xiàn)的偏見是，將智能制造完整系統(tǒng)構(gòu)成中智能工廠的某條自動化生產(chǎn)線當成整個智能制造的全部。在種類繁多的油氣工程技術(shù)裝備中，選擇連續(xù)管及連續(xù)管作業(yè)裝備為具體對象和案例，討論油氣工程技術(shù)裝備的系統(tǒng)構(gòu)成和關(guān)鍵要素。

制作連續(xù)管的原材料鋼帶經(jīng)過自動化生產(chǎn)線的諸多工序后，完成連續(xù)管的生產(chǎn)，如圖15所示。圖15展示的是一條典型的連續(xù)管自動化生產(chǎn)線，盡管其自動化程度頗高，但不能稱之為連續(xù)管智能制造系統(tǒng)。

構(gòu)建與描述智能制造系統(tǒng)的方式和角度有多種，有的圍繞智能工廠構(gòu)建，有的重點針對數(shù)字孿生展開，有的按照智能制造的學科構(gòu)成描述。在此，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和連續(xù)管裝備自身特點，綜合考慮營銷、研發(fā)、生產(chǎn)、經(jīng)營、管理等方面，構(gòu)建了“基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的連續(xù)管裝備智能制造整體解決框架”（見圖16）。

智能制造的關(guān)鍵要素主要有智能工廠、制造知識、精益生產(chǎn)、智能裝備、工業(yè)軟件等。其中，智能工廠是智能制造的精髓［1］，是智能制造的基本載體，賽博物理系統(tǒng)（CyberPhysical Systems，CPS）是智能工廠的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。利用數(shù)字孿生、人工智能等技術(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)連接，在虛擬空間對物理實體進行全息重建和數(shù)字重構(gòu)，實現(xiàn)物理實體與數(shù)字虛體的相融相生和精準映射，虛擬制造平臺、物理實體工廠、智能決策系統(tǒng)共同組成了智能工廠。以連續(xù)管作業(yè)裝備為例，物理實體工廠包括連續(xù)管全自動化生產(chǎn)線，連續(xù)管注入頭軸承總成、鏈條總成、特殊軸的智能加工中心，注入頭夾持塊數(shù)控線切割機床，組裝調(diào)試平臺及現(xiàn)代化廠房；虛擬制造平臺是基于這些制造資源和制造過程的數(shù)字化模型；智能決策系統(tǒng)既可以在虛擬制造中對制造過程進行迭代優(yōu)化，也可以在實際制造中實時監(jiān)控和優(yōu)化制造過程。

制造知識是智能制造的靈魂，制造知識只有融入制造體系中才能發(fā)揮出價值。例如，體現(xiàn)連續(xù)管作業(yè)裝備智能制造知識的數(shù)學模型如何建立，數(shù)學模型所需數(shù)據(jù)如何獲取，這些數(shù)據(jù)如何表征、如何分析、如何驅(qū)動、如何賦能等。要回答與解決這些問題需要依賴制造知識，不掌握核心技術(shù)、不懂得制造機理、不了解工藝特點，就無法構(gòu)建完善的智能制造系統(tǒng)。制造知識不斷生成和積累，不斷自我學習、自我進化而產(chǎn)生新的制造知識，新制造知識的應(yīng)用不斷推動生產(chǎn)方式創(chuàng)新與變革。由此可見，制造知識是智能制造中起決定和主導(dǎo)作用的因素。

精益生產(chǎn)是一種管理方法和哲學，旨在通過消除浪費、提高價值流程和持續(xù)改進來提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。其核心思想是在需要的時候，按需要的量，生產(chǎn)所需的產(chǎn)品。連續(xù)管作業(yè)裝備是個性化特征十分鮮明的油氣工程技術(shù)裝備，特別適合精益生產(chǎn)、量身定制。精益生產(chǎn)把“完美”作為不懈追求的目標，即持續(xù)不斷地改進生產(chǎn)，消除廢品，降低庫存，降低成本，實現(xiàn)產(chǎn)品品種多樣化。精益生產(chǎn)是推行智能制造必須具備的基本功。

智能裝備、工業(yè)軟件是智能制造系統(tǒng)不可或缺的關(guān)鍵要素。制造設(shè)備的智能化、制造知識的軟件化、制造流程的數(shù)據(jù)化、制造過程的自動化是智能制造的基本標志，杰出的工業(yè)軟件源于豐富的工業(yè)技術(shù)積累。特別值得關(guān)注的是，緊密連接、驅(qū)動上述“4個化”的是數(shù)據(jù)，構(gòu)建賽博物理系統(tǒng)和數(shù)字孿生模型的基礎(chǔ)也是數(shù)據(jù)，創(chuàng)建數(shù)字虛體源于數(shù)據(jù)驅(qū)動，物理實體和數(shù)字虛體的數(shù)據(jù)完全相同，從而實現(xiàn)從基礎(chǔ)材料、產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)計劃、制造執(zhí)行到使用維護的全過程數(shù)字化，通過集成設(shè)計和生產(chǎn)，幫助企業(yè)實現(xiàn)全流程可視化、規(guī)劃細節(jié)、規(guī)避問題、閉合環(huán)路、優(yōu)化整個系統(tǒng)。

3 基本結(jié)論和發(fā)展建議

工程技術(shù)裝備肩負著直面油氣勘探開發(fā)嚴峻挑戰(zhàn)、保障國家能源安全提供裝備支撐的時代重任。油氣工程技術(shù)裝備的智能化和智能制造將成為產(chǎn)品和技術(shù)加速迭代升級的重要抓手，加速推進油氣工程技術(shù)裝備智能化和智能制造已成為行業(yè)共識。

油氣工程技術(shù)裝備的研發(fā)、制造與應(yīng)用不斷創(chuàng)新，相繼成功研制和應(yīng)用了萬米特深井鉆機、7 000 m“一鍵式”自動化鉆機、智能鉆井系統(tǒng)、數(shù)字化大功率壓裂機組、自動化連續(xù)管作業(yè)裝備、智能導(dǎo)向鉆井控制系統(tǒng)、萬米頂驅(qū)等一批工程裝備利器，油氣工程技術(shù)裝備智能化整體水平快速提升，但依然處于第一、二代智能化“段位”。

發(fā)展油氣工程技術(shù)裝備智能制造是個長期戰(zhàn)略，做好頂層設(shè)計、明確正確方向顯得至關(guān)重要。要切實瞄準油氣工程技術(shù)裝備智能制造的場景模式推廣、系統(tǒng)解決方案攻關(guān)、標準體系建設(shè)等3大要素［15］，精準發(fā)力，逐一突破。要客觀評價和科學評估油氣工程技術(shù)裝備企業(yè)的智能制造能力，辨析其強項、短板和漏項，為決策的制訂提供科學依據(jù)。

國家制訂了發(fā)展智能制造的2個目標階段：到2027年，規(guī)模以上企業(yè)基本實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，這是第一階段；從2028—2035年，規(guī)模以上企業(yè)基本實現(xiàn)智能化升級，此為第二階段。對于油氣工程技術(shù)裝備裝備企業(yè)而言，推行智能制造是一個艱難而痛苦的涅槃重生過程，需要充分提高認識，打破傳統(tǒng)意識束縛，沖破重重障礙和藩籬，分階段分層級不斷探索、實踐、推進。油氣工程技術(shù)裝備企業(yè)推動智能化轉(zhuǎn)型的節(jié)奏，總體應(yīng)與國家發(fā)展智能制造的2個階段和目標協(xié)調(diào)一致。同時，還得基于自身的發(fā)展基礎(chǔ)、發(fā)展水平、環(huán)境差異和實際痛點，探索適合本企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的實際目標、計劃和實施路徑。要重點激勵支持發(fā)展基礎(chǔ)好、成熟度高、資源條件優(yōu)良的專精特新企業(yè)、隱形冠軍企業(yè)和頭部企業(yè)先行先試、快速推進，為其他規(guī)模以上企業(yè)和中小企業(yè)打造示范工程，展現(xiàn)示范效應(yīng)，實現(xiàn)油氣工程技術(shù)裝備智能制造的全面推進與發(fā)展。

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