智能鉆井技術研究現狀

郭旭濤

（長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023）

引言

隨著近年來對常規油氣資源的不斷開采，剩余油氣資源日漸減少，開采難度逐漸升高，成本逐漸增加，急需采用新技術提高企業的勘探開發效益。而鉆井是油氣開發中的重要環節，各大石油公司亟需發展新一代革命性鉆井技術，提高井下鉆井工藝質量和勘探開發水平。智能鉆井是融合了多學科的新興技術，主要包括兩個方面：智能鉆井系統和智能鉆井裝備。智能鉆井關鍵技術包含井眼軌跡控制技術、鉆井提速技術、智能旋轉導向技術、智能監測與決策技術等。智能鉆井裝備包含智能鉆頭、智能鉆桿、智能鉆機等。

1 智能鉆頭

鉆頭作為鉆井中破巖的重要工具，鉆頭破巖過程中影響因素主要是轉速、鉆壓、材料和齒形種類等，傳統常用的牙輪鉆頭、PDC 鉆頭上述因素除轉速、鉆壓外都是無法改變的[1]。智能鉆頭在安裝井下傳感器后根據井下地質儲層特性和井底參數自動調節工作狀態與切削參數，使鉆頭達到最佳工作狀態實現高效作業。2016 年，貝克休斯公司引入自適應PDC 鉆頭，鉆頭能隨著鉆井環境變化自動調整鉆頭切削深度，提高鉆進效率。次年公司發布業界首款自適應鉆頭TerrAdapt，可依據地質條件自動調節切削深度，緩解鉆進時的振動、黏滑?？仆厥凸驹诳仆乇辈康貐^首次部署了具有BHGE AutoTrakTMeXpress 旋轉導向系統的BHGE TerrAdaptTM自適應鉆頭，從而實現了最高的鉆頭鉆速，創新的組合減少了至少33%的鉆井振動，同時使油田平均機械鉆速提高42%。2017 年哈里伯頓公司也推出新一代CruzerTM深切削滾珠元件鉆頭技術，技術核心在于滾珠的抗研磨性強、抗沖擊性高、熱機械完整性好，有效降低鉆井發熱與摩阻，可在很多地質條件復雜的地層中使用。

2 智能鉆機

鉆機是鉆井過程的核心裝備，是帶動井下鉆具向地下鉆進，獲取實物地質資料的機械設備。以往鉆機需人工手動操作，步驟繁瑣且風險較高。智能鉆機集成了自動化的控制系統，實現了鉆臺無人化操作，同時通過遠程控制系統，實時監控井下工作狀況，對鉆機進行精準化參數控制。2004 年，斯倫貝謝公司在英國劍橋的研究中心遠程控制了在8 000 km 以外的美國得克薩斯州卡麥龍的一口試驗井鉆機作業，這是鉆機實現自動化鉆井的標志性工程，也為后續鉆機的遠程操控研究拉開了序幕。美國NOV 公司研發的RAPID 智能鉆機可以實現全自動起下鉆工作，能夠適應多種非常規井下作業環境。美國斯倫貝謝公司研制了名為FUTURE RIG 的智能鉆機，其功率設定為1 103 kN，作業深度為5 000 m，其設有主、輔兩個司鉆操作臺，鉆機二層臺配備有多臺機械手，司鉆系統內置超過1 000 個各種傳感器，主要對鉆機安全狀態、設備健康狀態、設備運行狀態和作業流程等進行全方位監測[2]。2021 年，寶雞石油機械公司研制的7 000 m 自動化鉆機順利通過出廠驗收，標志著我國成為全球少數可自主研制自動化鉆機的國家。鉆機在四川長寧—威遠頁巖氣示范區正式投入工業性試驗。通過一個按鍵實現鉆機多個設備自動化運行，減少了作業時間，提高了作業效率。鉆機整體起升由原來的絞車牽引升級為地面遙控液缸起升，極大提高了本質安全和起升速度，每口井可減少輔助作業時間2～3 天。該鉆機目前已獲得10 項發明專利。

3 智能鉆桿

鉆桿是用于連接地面鉆機設備和井底鉆模設備的裝置，隨著旋轉導向等技術技術的不斷發展，信息傳輸技術不能保證井下隨鉆測量數據的實時傳輸和鉆進過程閉環控制，并成為制約智能化鉆井技術發展與應用的瓶頸。而智能鉆桿的出現正是解決了井下數據實時傳輸效率低的難點，是鉆井技術的重大突破。目前智能鉆桿依據傳輸方式可分為對接式和感應接頭式兩種。美國Novatec 公司在1997 年就開始研究電纜通過電磁感應原理實現信息交互的鉆桿。在美國能源部的資助下，Grant Predico 公司與Nevotek 公司從2000 年開始合作開發了感應接頭式智能鉆桿Intelipipe 智能鉆桿系統，信息傳輸數據速率可達1 Mbit/s，電子數據同時傳輸的速率也可達100 kbits/s。2003 年，美國Intelle Serv 公司發布一款能高速傳遞電磁信號的鉆桿，電纜裝在鉆桿內壁，電纜兩端靠線圈相連，信息傳送速度可達1.9 Mbps，滿足了隨鉆測量儀器的數據傳送要求。2010 年，海隆石油工業公司試制的智能鉆桿實現電導通，且不受鉆井介質干擾，工作功率可達10 kW，工作環境溫度可達180 ℃，循環泵壓不低于40 MPa。2018 年，挪威CoreAll 公司發布了一種新型智能鉆桿取芯工具，能實時測量地層參數并切換取芯鉆頭，優選取芯層位自動完成作業。中國石油集團工程技術研究院研制一種智能鉆桿，高頻磁耦合有纜鉆桿利用磁耦合原理實現數據在鉆桿間的無線傳輸。

4 智能鉆井系統

智能鉆井系統也被譽為智能鉆井的核心，智能鉆井系統是對所有鉆井過程進行數字化整合，包括地面鉆井設備、操作人員等，使其在遠程控制平臺上進行數據交互與操作，在智能監控與決策技術的輔助下，實現鉆井作業的超前探測、閉環調控、精準制導和智能決策。系統主要包括：智能旋轉導向技術、隨鉆測量技術、智能控壓鉆井技術、監測與智能決策技術等[3]。

智能旋轉導向鉆井技術的核心是利用機器學習算法，通過對井下地層特性與目標井眼軌跡的實時監控分析，采用近鉆頭測量技術等技術，實現鉆井過程的隨鉆預測及自動控制。美國斯倫貝謝公司推出的Power Drive Archer 混合旋轉導向系統滿足高造斜率的要求，實現鉆進過程全程監控與自動糾正井眼軌跡。貝克休斯公司推出AutoTrak 閉環旋轉導向系統能夠完善井眼的清潔度與軌跡的平滑度。國內旋轉導向技術已有突破但穩定性問題還有待解決，對未來投入商用還有很長一段路要走。

鉆井提速優化領域，目前使用智能優化算法對多目標鉆井參數進行調整，使地層－鉆頭－參數三者之間達到最優解，實現井斜、方位等參數動態實時優化，與鉆機聯動，自動發出操作指令，從而智能調節鉆機鉆速。常用的算法包括隨機森林、蟻群算法、粒子群算法等。

隨鉆測量技術起于1980 年美國斯倫貝謝公司推出第一支隨鉆測量工具M1，該工具僅能提供井斜、方位和工具面測量，但并不能滿足復雜地質條件的鉆井要求。斯倫貝謝公司的XEM電磁波MWD 系統具有井下定向測量、鉆鋌內部（環空壓力）測量等功能。在接單根時系統開始測量井斜、方位角、工具面角等參數，接好單根后系統發送測量數據到地面數據中心，實現井下數據高效、精確的傳輸。

智能控壓鉆井技術可以根據井內的的數據信息，自主識別井下工作狀況，并調節節流閥的流通，將井底壓力控制在所需要的范圍內。防止地層的流體進入井筒造井涌、井漏等風險，可在鉆進安全密度窗口較窄的地層使用。斯倫貝謝公司推出的DAPC系統把井場設備連接為一個整體，根據流量和鉆頭深度自動回壓。哈里伯頓公司推出的MPD 系統改進了循環泵使回壓更加穩定，具有檢測井下溢流、漏失的特點[4]。

智能導向鉆井技術一直是鉆井領域的一大難題，通過井下地層參數和隨鉆測量的數據對井眼軌跡實時優化，調整鉆頭方向和鉆井液泥漿流量，確保鉆頭抵達目標地層。斯倫貝謝公司的Power Drive Archer 系統可以精準預估側鉆位置，在井眼軌跡發生偏斜時，對鉆井參數及時調整糾正。貝克休斯公司推出一種Auto-Trak Curve 導向鉆井系統能在改善井眼光滑度的同時修正鉆進角度。

智能監測與智能決策技術是在井下工具獲取動態數據后，通過智能決策系統做出相應的決策與分析。中海油公司針對互聯網大數據對鉆完井作業支持技術，開發了渤海油田鉆井決策系統，形成了井筒全壽命周期數據采集與存儲技術、數據分類與快速檢索技術，該系統實現鉆井作業實時科學決策[5]。

5 結語

隨著人工智能等技術的快速發展，油氣行業迎來了新的發展拐點。在持續低油價環境下，智能鉆井技術的使用可以有效節約人工成本，提高油田勘探開發效率，在石油行業具有廣闊的應用前景。智能鉆井技術是全球前沿的技術與發展趨勢，中國在智能鉆井技術上的研究起步較晚，與發達國家還有一定距離，加強智能鉆井技術的研究，加大智能化在我國石油行業中的應用規模，促進油氣行業整體轉型升級。