智能鉆井技術

1主要內容智能鉆柱2。3圖2自動化鉆臺4圖3自動化司鉆系統(tǒng)52.1鉆機和裝備的智能化、自動化：①自動給進〔送鉆〕：從19世紀60年代就開始研究，1935年Westinghouse公司第一個自動送鉆專利，20世紀40年代氣動送鉆控制，1955年有了第一個液壓動力水龍頭和水力卷揚機，有恒鉆壓模式、恒給進〔鉆速〕模式、智能優(yōu)化模式；②剎車系統(tǒng)：離合〔盤式/帶式〕片，比例控制電磁剎車等；③井口鐵鉆工〔IronRoughneck〕：“三吊一卡〞機械化；④井口－二層臺的井架〔管架〕機械手：起下立根〔鉆柱〕拉入/推出—扣/摘；⑤循環(huán)系統(tǒng)—固控系統(tǒng)：全自動監(jiān)控密閉循環(huán)—凈化系統(tǒng)；6⑥井控－防噴及應急系統(tǒng)：井口裝置、防噴器組、電液井控〔可控硅、音頻聲控〕、節(jié)流管匯系統(tǒng)；⑦頂驅系統(tǒng)：20世紀70年代Brown公司開發(fā)了電驅水龍頭，現(xiàn)在以美Varco公司生產的TDS系列為最好，可以不開轉盤而用頂驅鉆進，例如荷蘭市區(qū)作業(yè)等；⑧信息與數(shù)據(jù)采集、處理、決策、貯存、傳輸、通訊、管理等功能的軟硬件裝備；⑨海洋：半潛式/浮式鉆井平臺及其專用裝備；⑩鉆具、管具、鉆頭等的相應進展。7自動化石油鉆機都是“機電儀計〞一體的智能化、信息化、自動化鉆機，具有完善的性能，集先進性、可靠性、適應性〔惡劣環(huán)境與地質條件〕和經濟性于一體。主要產品有：①德國Prostar-2000型自動化鉆機〔鉆深7000m〕是當代水平最高的，已商業(yè)化應用；②美國NSCO及Apache、Pool等公司生產的A10-32型等自動化鉆機〔鉆深6100m〕；③英國S&R公司生產的RD-D型自動化鉆機〔鉆深6100m〕；④挪威、法國等也研制了中深井用自動化鉆機；⑤我國寶石廠生產的ZJ70、ZJ90鉆機及廣漢生產的鉆機也都在向自動化鉆機進展。8①1979年首次應用了MWD。被譽之為：MWDistheeyeofdrilling。是把鉆后有線測量及傳輸井下參數(shù)的方法改變?yōu)殡S鉆無線測量及傳輸?shù)姆椒?，隨鉆測量是一個重大進步。無線傳輸方法主要有泥漿脈沖法和電磁波法。但它們目前仍有很多缺點：傳輸參數(shù)數(shù)目少、傳輸速率低〔10bps±〕、傳輸距離小〔應用井深小〕以及循環(huán)流體性能受限等。9101112圖4PowerV整體結構PowerV主要有2個組成局部，即上端的ControlUnit(電子控制局部，簡稱CU)、下端的BiasUnit(機械局部，簡稱BU)。在兩者中間還有1個輔助局部ExtensionSub(加長短節(jié)，簡稱ES)，如圖4所示。13為了自主創(chuàng)新，我國從20世紀90年代中期開始理論及室內實驗研究RSS已10年。2002年承擔863工程研發(fā)的RSS/MRST并成立了國內第一個SDI。MRSS是一套調制式全旋轉閉環(huán)導向鉆井系統(tǒng)，鉆柱旋轉時整個工具外筒與執(zhí)行機構全都旋轉，與井壁沒有靜止點，旋轉的巴掌拍打井壁產生可控的導向力以控制軌跡，具隨鉆測控傳貯等功能。14MRSS包括三個子系統(tǒng)：①智能型、機電儀自計一體化的旋轉導向鉆井工具〔MRST〕，由上下渦輪發(fā)電機和電子倉組成的穩(wěn)定平臺、液控閥與液流分配系統(tǒng)及控制和執(zhí)行導向力的巴掌等組成〔圖5〕，具有導向和不導向兩種功能；②地面與井下雙向閉環(huán)通信子系統(tǒng)〔圖6〕；上行通信由電磁波短程把MRST的實時信息上傳至MWD，再由MWD傳至地面監(jiān)控中心；下行通信采用有規(guī)律的變排量方法下達指令；③智能化地面監(jiān)控顯示及信息管理、決策子系統(tǒng)。幾年來，經過理論研究及多項單元試驗，現(xiàn)已設計研制成樣機〔圖7〕。在此根底上，還可進一步研發(fā)自主制導的旋轉導向鉆井系統(tǒng)。15圖5旋轉導向鉆井系統(tǒng)原理圖16171-穩(wěn)定平臺上支撐聯(lián)接；2-上軸承保護器；3-上渦輪發(fā)電機；4-電子倉；5-扭矩發(fā)生器〔下渦輪發(fā)電機〕；6-下軸承保護器及穩(wěn)定平臺下支撐聯(lián)接；7-工作液泥漿過濾裝置；8-工作液控制分配〔上、下盤閥等〕；9-柱塞、銷軸及“巴掌〞。圖7旋轉導向鉆井工具三維CAD結構圖18圖9下盤閥結構圖

圖10推靠“巴掌〞結構圖圖8上盤閥結構圖

19圖11加工完成的旋轉導向鉆井工具功能樣機局部照片2021美國Grant公司研制的智能鉆桿用銅導線輸送電能，可以根據(jù)井下硬件用電量大小的要求來確定輸電功率的大小。智能鉆柱的數(shù)據(jù)傳輸速率可達104bps〔電導鉆桿ElectricDrillpipe〕、105bps〔導線式智能鉆桿，wiredIntellipipe〕和106bps〔光纖式智能鉆桿，Intellipipewithfibreopticcables〕，最大已達1.56×106bps。智能油管用光纖為主。222324圖12電子鉆柱25圖13電子鉆柱接頭26圖14感應式電子鉆柱27這套工作可以概括為“模型－測值－指令〞的實時閉環(huán)鉆進系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。圖15給出了智能SOD總體結構設計方案。圖15智能SOD總體結構設計28圖15中，從井下采集的數(shù)據(jù)有地質參數(shù)、井身軌跡幾何參數(shù)、井下鉆進參數(shù)及評價參數(shù)四大類約40～50個參數(shù)。在井下經過數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)字信號處理等初步處理后，使用1000Hz的傳輸頻率經過智能鉆柱上傳到地面信息監(jiān)控處理和可視化系統(tǒng)。再把地面CPU處理后的信息送入SOD〔鉆井導向－優(yōu)化－診斷〕集成系統(tǒng)以作出決策。29SOD系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：〔1〕把不確定和復雜的地質因素隨鉆實時地確定下來使地質情況透明化；〔2〕把井身剖面和井身軌跡的不確定性和復雜性隨鉆實時地確定下來并下達指令使導向按需要隨鉆精確控制并對井身軌跡可視化顯示；〔3〕把鉆頭、BHA、旋轉導向鉆井工具等的力學行為及井下不確定性工況在處理后以數(shù)字化顯示出來，供決策者下達指令和控制之用；〔4〕隨鉆實時地調整導向與優(yōu)化之間的矛盾，優(yōu)化鉆井過程，能實時預報并診斷井下跳鉆、憋鉆、粘滑、渦動、縱橫振動等復雜情況，隨鉆量化確定所診斷現(xiàn)象的嚴重級別程度；30〔5〕SOD系統(tǒng)能兼顧“導向－優(yōu)化－診斷〞多方面需求，單獨或統(tǒng)一下達指令實現(xiàn)智能化處理；隨鉆測井可代替電纜測井因而使鉆井過程簡化并提高鉆井效率；〔6〕SOD具有鉆前設計和隨鉆實時地進行鉆井工程再設計和隨鉆生成電子報表及網絡化生產管理的功能；〔7〕運用智能鉆柱和SOD系統(tǒng)的綜合效果能降低鉆井本錢約20％。SOD系統(tǒng)是新一代的鉆井工程智能決策支持系統(tǒng)。圖15說明基于智能鉆柱可使鉆井信息的采集、處理、決策及反響形成閉環(huán)和井下網絡；同時還表示了SOD與存儲器、動靜態(tài)數(shù)據(jù)庫、知識庫、專家系統(tǒng)以及綜合錄井儀等地面儀表相互關連的關系等等。312.6信息、網絡與遠程自動化鉆井32圖16橫跨大西洋的遠程遙控鉆井作業(yè)33智能鉆柱必要性：智能鉆柱的原理、功能、優(yōu)點原理：研發(fā)電子鉆柱以建立地面向井下供電并同時在地面與井下之間雙向通信的油井網絡系統(tǒng)，該網絡再與Internet/Internet相聯(lián)形成油井與作業(yè)者、決策指揮者等學科及部門的立體網絡系統(tǒng)，并配有機電儀一體化的專用硬件與相應軟件，實現(xiàn)信息化、智能化、自動化的智能鉆井系統(tǒng)，即智能鉆井。34智能鉆井應選用電驅動鉆機并配以先進的輔助設備；智能鉆井系統(tǒng)本身主要包括三大子系統(tǒng)：①地面電氣及地面監(jiān)控子系統(tǒng)；②電子鉆柱系統(tǒng)；③井下專用電子硬件〔工具〕及其軟件子系統(tǒng)。智能鉆柱35主要功能與優(yōu)點：①由地面向井下供給電能，不必再在井下使用電池或渦輪發(fā)電機等；可以改進井下工具〔為LWD、旋轉導向鉆井工具等〕的結構，提高它們的性能，還可以縮短它們的長度，有利于實現(xiàn)“近鉆頭安置〞。智能鉆柱36智能鉆柱④隨鉆把鉆井、測井、錄井等作業(yè)實時集成起來并予以智能化同步處理，隨鉆測井可取代常規(guī)電纜測井作業(yè)，簡化了作業(yè)程序，提高了自動化程度，提高了時效，實時優(yōu)化智能分析鉆井綜合本錢可降低5%-20%。37⑤隨鉆實時診斷、識別、決策、控制井下動態(tài)復雜情況，隨鉆實現(xiàn)在井場及鉆臺與管理指揮層顯示地層可視化、井眼及鉆柱系統(tǒng)可視化、井內流體及流動狀況可視化、井身軌跡可視化，可隨鉆監(jiān)視井下隱患的動態(tài)變化，分析排除復阿情況，降低風險，確保鉆井平安，減少乃至消除鉆井事故。〔例如：在高壓氣層，特別是高含硫氣層鉆進時可以隨鉆實理監(jiān)視井下有無氣浸及氣浸程度是否到達井底井噴、井口井涌溢流等臨界狀況，從而給作業(yè)者實時進行科學決策和控制提供依據(jù)，并能把事故及時消除在萌芽狀態(tài)；再例如對井下的漏噴塌卡斜和井身軌跡的偏差善都能隨鉆監(jiān)視實時處理等?！持悄茔@柱38智能鉆柱3940智能鉆井41訊自計儀電機智能鉆井的開展4243傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸傳輸速率<10bps上傳參數(shù)<8個下傳指令<3個鉆井液體含氣量<3%不能用氣體欠平衡鉆井瓶頸變排量脈沖下傳指令地面錄井、測井隨鉆測量參數(shù)上傳現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸上傳速率2Mbps上傳參數(shù)數(shù)十個且不受外部環(huán)境干擾4445464748底水油底油層夾層油層油頂氣頂蓋層標志層巖心錄井巖屑妹井泥漿錄井綜合錄井鉆進錄井地質預告實鉆深度實外剖面鉆頭指標(進尺-時間)/鉆速鉆柱(分布式)傳感器測力(拉壓彎扭震)DDS短節(jié)鉆進液參數(shù)Q、P泵、P環(huán)、ECD(實時鉆井液當量密度)鉆頭工作參數(shù)(井底鉆壓、井底轉速、井底扭矩、彎矩、縱橫加速度)旋轉導向工具(井斜角、方位角、工具面角、井斜變化率、方位變化率)PWD(P井底孔隙壓力、氣體含量、氣體成份、P破裂)、TocLWD(ρ、γ、N-D、方位…)、井徑、NRWR防噴閥減震器震動器推進器反循環(huán)泵近鉆頭測斜SWD指令電力實時信息隨鉆測量信號實鉆三維井眼軌跡實時井下壓力剖面隨鉆氣測井底扭矩井底鉆壓鉆速/鉆時鄰井、地區(qū)、井史數(shù)據(jù)庫知識庫專家系統(tǒng)管理效勞系統(tǒng)隨鉆實時確定實際地質剖面實時決策待鉆井段軌跡三維井軌可視化(旋轉平移)隨鉆動態(tài)診斷井下復雜情況鉆進過程優(yōu)化參數(shù)調控ECD隨鉆井控隨鉆確定套管鞋位置其它塌斜漏卡卡塌硬噴漏噴ρ孔ECD密度窗口VC進尺智能鉆井原理與功能示意圖隨鉆測井49井下測量系統(tǒng)電阻率、近鉆頭電阻率、自然伽馬、方位密度、補嘗中子密度、中子也隙度、聲波井斜角、方位角、工具面角、井斜變化率、方位變化率、方位變化率等井底鉆壓、井底轉速、井底扭矩、井底溫度、井底壓力、鉆桿內壓等地質參數(shù)軌跡參數(shù)鉆進參數(shù)評價參數(shù)鉆柱彎矩、鉆柱振動、鉆柱扭振、鉆頭磨損、井徑、機械轉速等井下數(shù)據(jù)監(jiān)測A/D轉換換算標定校正井下數(shù)據(jù)信號處理格式變換低頻濾波付立葉變換計算轉換集成平均值量化分級地面測量綜合錄井泥漿錄井隨鉆動態(tài)建模隨鉆實時確定地質條件導向控制決策分析及可視化控制EPROM存儲器〔井下存儲〕鉆井過程優(yōu)化決策和智能決策隨鉆動態(tài)診斷與預報鉆井復雜情況BHA、導向工具、鉆頭力學行為分析智能鉆柱決策控制指令井下執(zhí)行系統(tǒng)智能鉆頭導向工具電動鉆具信號下傳數(shù)據(jù)庫知識庫專家系統(tǒng)智能鉆柱信號上傳智能SOD總體結構設計ThearchitecturediagramofSODsystem50對接式電子鉆柱由鉆桿本體和對接式電接頭組成，在鉆桿本體與電接頭中植入多芯的銅導線，多芯電導線在鉆柱中連續(xù)貫穿，它既可以從地面向井下傳送強電電力又可建立雙向雙工閉環(huán)信息通道。三種結構51感應式電子鉆柱由鉆桿本體和感應線圈電接頭組成，它不能傳送電力，只能傳輸信號，且由于感應線圈的發(fā)射與接收信號易衰減，不僅要加用放大器而且這種電子鉆柱的可用長度〔鉆井深度〕受限。三種結構52三種結構53545556研究思路

57智能鉆井根本理論----運用黑箱理論與方法隨鉆實時采集、處理、決策、執(zhí)行和控制閉環(huán)連續(xù)反響、隨鉆智能化解決諸多不確定性難題。井下采集井下執(zhí)行分析處理決策與指令連續(xù)反饋下傳ID下傳上傳IDID巖性、儲層、井軌、工況不確定性，非數(shù)值化黑箱信息輸入信息輸出連續(xù)反饋58智能鉆井的原理

59再隨鉆快速下達各種控制井底測控執(zhí)行工具的實時指令，使井下測控執(zhí)行工具準確動作，再反響信息進行第二輪測量采集，這樣連續(xù)實現(xiàn)“測量采集——處理決策——控制執(zhí)行——再測量采集——再處理決策——再控制執(zhí)行……〞如此連續(xù)進行，最終到達智能鉆井的目標。智能鉆井的原理60電力在井口配有強電電源和帶有導電滑環(huán)結構的頂驅裝置或電龍頭等，通過智能鉆柱向井下傳輸電力，電力線損耗小、發(fā)熱少、對信號干擾小并滿足井下測控工具用電要求。

電信傳輸

信號線是有供電保證的寬帶閉環(huán)信息通道，信號傳輸速率高，損耗與干擾小信號穩(wěn)定。

61傳感測控單元在智能鉆柱下部組裝的隨鉆測井工具和各類電控智能工具中安裝有各種高端電傳感器，〔如地層電阻率ρ、巖性特征測量探頭伽瑪γ、中子-密度探頭N-D，聲波探頭S、核磁共振探頭NR、地層孔隙壓力傳感器P、井斜角θ、方位角α和導向工具的工具面角ω，鉆頭井底鉆壓Pb、井底轉數(shù)Nb、井底扭矩Tb、鉆柱不同截面處的測力傳感器等等,視鉆井需求可多達30-40個傳感器。62這些測控工具不再用井下電池和渦輪發(fā)電機，從而縮短了工具長度，更能實現(xiàn)近鉆頭測量的效率。傳感器所測量的信息通過數(shù)據(jù)有線傳輸法的信號線，用串行總線等方式實時傳輸?shù)降孛妗Ｔ诘孛嫱ㄟ^網絡協(xié)議軟件及頂驅效勞器把信號分開或集成并傳輸?shù)叫畔⒅行倪M行處理、解釋、應用。這樣，通過隨鉆采集并經過處理后準確得到真實的地層剖面完整資料。主要包括：地層巖性和深度、儲層特性及標志層、氣頂、油層、夾層、油底、底水水層等巖性及其深度、地層流體深度和流體壓力、流體性質、實鉆三維井身軌跡、鉆柱及其各組配件與鉆頭的實時工況、井下鉆井動態(tài)工況等。6364從而發(fā)出相應的下傳指令再通過智能鉆柱信號線控制井下各種有關智能電控工具的執(zhí)行機構，使井下每個智能執(zhí)行機構及時準確地動作，甚至可在井下相關執(zhí)行機構之間傳送收發(fā)信號以協(xié)調與控制它們之間的動作，從而減免風險，平安可靠、準確快速、高效優(yōu)質地完成智能鉆井的任務，并兼收環(huán)保、節(jié)能、降低本錢等綜合效益。6566機遇與挑戰(zhàn)67正在研發(fā)的對接式電接頭電子鉆柱，是在鉆桿本體植入多芯銅導線，并在銅導線周圍敷以絕緣材料構成在鉆桿內壁的環(huán)形的復合層內的電子通道。電接頭是雙錐體雙臺肩結構，由電接頭的第一錐體承受力學載荷，第二錐體內植入由絕緣材料和密封材料屏蔽和包裹的多芯銅導線。公母接頭對扣后，強弱電路均導通。對接式電接頭電子鉆柱68對接式智能鉆柱能夠雙向雙工傳輸幾十個參數(shù)與指令，其雙向傳輸速率可以高達1×104~~2×106bps，在BHA中最大限度地集成電控的隨鉆測井〔LWD〕、隨鉆測壓〔PWD〕、隨鉆核磁共振測井〔NRWD〕等地質導向鉆井工具和電控的旋轉導向鉆井工具〔RST〕等先進工具并充分發(fā)揮它們的作用，徹底解決第一代智能鉆井的瓶頸問題。對接式電接頭電子鉆柱69對接式多芯智能〔電子〕鉆柱提高了智能鉆井的功能與水平，在鉆進時，可實時進行測井錄井等隨鉆作業(yè)，可取消現(xiàn)用常規(guī)電測井等作業(yè)，簡化鉆完井工序，提高了作業(yè)效率，可大幅度降低鉆完井本錢。對接式電接頭電子鉆柱70智能鉆井系統(tǒng)設計，并通過地面模擬實驗和現(xiàn)場井下試驗完善設計；智能鉆柱方案論證與設計研制，并按試件、樣件、產品三步進行設計研發(fā)；研發(fā)智能鉆井的地面軟硬件設計與配套；井下智能工具模塊設計與研制；智能鉆井理論研究、隨鉆建模方法與應用的研究。對接式電接頭電子鉆柱主要研究內容71

電子鉆桿及其對接式接頭為雙芯銅導線。根據(jù)已經研究的結果采用直流電方案。電力參數(shù)初步確定為380/220V、50A，地面向下傳送功率約150kw。環(huán)境溫度1250C、環(huán)境液體壓力及密封壓力為20Mpa、抗震性能15g。72

設計雙向傳輸信息的傳輸速率大于1×104bps；能同時向上傳輸40個參數(shù)，向下傳輸?shù)闹噶顓?shù)可完全滿足工程要求。7