智能钻井技术研究现状

郭旭涛

（长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023）

引言

随着近年来对常规油气资源的不断开采，剩余油气资源日渐减少，开采难度逐渐升高，成本逐渐增加，急需采用新技术提高企业的勘探开发效益。而钻井是油气开发中的重要环节，各大石油公司亟需发展新一代革命性钻井技术，提高井下钻井工艺质量和勘探开发水平。智能钻井是融合了多学科的新兴技术，主要包括两个方面：智能钻井系统和智能钻井装备。智能钻井关键技术包含井眼轨迹控制技术、钻井提速技术、智能旋转导向技术、智能监测与决策技术等。智能钻井装备包含智能钻头、智能钻杆、智能钻机等。

1 智能钻头

钻头作为钻井中破岩的重要工具，钻头破岩过程中影响因素主要是转速、钻压、材料和齿形种类等，传统常用的牙轮钻头、PDC 钻头上述因素除转速、钻压外都是无法改变的[1]。智能钻头在安装井下传感器后根据井下地质储层特性和井底参数自动调节工作状态与切削参数，使钻头达到最佳工作状态实现高效作业。2016 年，贝克休斯公司引入自适应PDC 钻头，钻头能随着钻井环境变化自动调整钻头切削深度，提高钻进效率。次年公司发布业界首款自适应钻头TerrAdapt，可依据地质条件自动调节切削深度，缓解钻进时的振动、黏滑。科威特石油公司在科威特北部地区首次部署了具有BHGE AutoTrakTMeXpress 旋转导向系统的BHGE TerrAdaptTM自适应钻头，从而实现了最高的钻头钻速，创新的组合减少了至少33%的钻井振动，同时使油田平均机械钻速提高42%。2017 年哈里伯顿公司也推出新一代CruzerTM深切削滚珠元件钻头技术，技术核心在于滚珠的抗研磨性强、抗冲击性高、热机械完整性好，有效降低钻井发热与摩阻，可在很多地质条件复杂的地层中使用。

2 智能钻机

钻机是钻井过程的核心装备，是带动井下钻具向地下钻进，获取实物地质资料的机械设备。以往钻机需人工手动操作，步骤繁琐且风险较高。智能钻机集成了自动化的控制系统，实现了钻台无人化操作，同时通过远程控制系统，实时监控井下工作状况，对钻机进行精准化参数控制。2004 年，斯伦贝谢公司在英国剑桥的研究中心远程控制了在8 000 km 以外的美国得克萨斯州卡麦龙的一口试验井钻机作业，这是钻机实现自动化钻井的标志性工程，也为后续钻机的远程操控研究拉开了序幕。美国NOV 公司研发的RAPID 智能钻机可以实现全自动起下钻工作，能够适应多种非常规井下作业环境。美国斯伦贝谢公司研制了名为FUTURE RIG 的智能钻机，其功率设定为1 103 kN，作业深度为5 000 m，其设有主、辅两个司钻操作台，钻机二层台配备有多台机械手，司钻系统内置超过1 000 个各种传感器，主要对钻机安全状态、设备健康状态、设备运行状态和作业流程等进行全方位监测[2]。2021 年，宝鸡石油机械公司研制的7 000 m 自动化钻机顺利通过出厂验收，标志着我国成为全球少数可自主研制自动化钻机的国家。钻机在四川长宁—威远页岩气示范区正式投入工业性试验。通过一个按键实现钻机多个设备自动化运行，减少了作业时间，提高了作业效率。钻机整体起升由原来的绞车牵引升级为地面遥控液缸起升，极大提高了本质安全和起升速度，每口井可减少辅助作业时间2～3 天。该钻机目前已获得10 项发明专利。

3 智能钻杆

钻杆是用于连接地面钻机设备和井底钻模设备的装置，随着旋转导向等技术技术的不断发展，信息传输技术不能保证井下随钻测量数据的实时传输和钻进过程闭环控制，并成为制约智能化钻井技术发展与应用的瓶颈。而智能钻杆的出现正是解决了井下数据实时传输效率低的难点，是钻井技术的重大突破。目前智能钻杆依据传输方式可分为对接式和感应接头式两种。美国Novatec 公司在1997 年就开始研究电缆通过电磁感应原理实现信息交互的钻杆。在美国能源部的资助下，Grant Predico 公司与Nevotek 公司从2000 年开始合作开发了感应接头式智能钻杆Intelipipe 智能钻杆系统，信息传输数据速率可达1 Mbit/s，电子数据同时传输的速率也可达100 kbits/s。2003 年，美国Intelle Serv 公司发布一款能高速传递电磁信号的钻杆，电缆装在钻杆内壁，电缆两端靠线圈相连，信息传送速度可达1.9 Mbps，满足了随钻测量仪器的数据传送要求。2010 年，海隆石油工业公司试制的智能钻杆实现电导通，且不受钻井介质干扰，工作功率可达10 kW，工作环境温度可达180 ℃，循环泵压不低于40 MPa。2018 年，挪威CoreAll 公司发布了一种新型智能钻杆取芯工具，能实时测量地层参数并切换取芯钻头，优选取芯层位自动完成作业。中国石油集团工程技术研究院研制一种智能钻杆，高频磁耦合有缆钻杆利用磁耦合原理实现数据在钻杆间的无线传输。

4 智能钻井系统

智能钻井系统也被誉为智能钻井的核心，智能钻井系统是对所有钻井过程进行数字化整合，包括地面钻井设备、操作人员等，使其在远程控制平台上进行数据交互与操作，在智能监控与决策技术的辅助下，实现钻井作业的超前探测、闭环调控、精准制导和智能决策。系统主要包括：智能旋转导向技术、随钻测量技术、智能控压钻井技术、监测与智能决策技术等[3]。

智能旋转导向钻井技术的核心是利用机器学习算法，通过对井下地层特性与目标井眼轨迹的实时监控分析，采用近钻头测量技术等技术，实现钻井过程的随钻预测及自动控制。美国斯伦贝谢公司推出的Power Drive Archer 混合旋转导向系统满足高造斜率的要求，实现钻进过程全程监控与自动纠正井眼轨迹。贝克休斯公司推出AutoTrak 闭环旋转导向系统能够完善井眼的清洁度与轨迹的平滑度。国内旋转导向技术已有突破但稳定性问题还有待解决，对未来投入商用还有很长一段路要走。

钻井提速优化领域，目前使用智能优化算法对多目标钻井参数进行调整，使地层－钻头－参数三者之间达到最优解，实现井斜、方位等参数动态实时优化，与钻机联动，自动发出操作指令，从而智能调节钻机钻速。常用的算法包括随机森林、蚁群算法、粒子群算法等。

随钻测量技术起于1980 年美国斯伦贝谢公司推出第一支随钻测量工具M1，该工具仅能提供井斜、方位和工具面测量，但并不能满足复杂地质条件的钻井要求。斯伦贝谢公司的XEM电磁波MWD 系统具有井下定向测量、钻铤内部（环空压力）测量等功能。在接单根时系统开始测量井斜、方位角、工具面角等参数，接好单根后系统发送测量数据到地面数据中心，实现井下数据高效、精确的传输。

智能控压钻井技术可以根据井内的的数据信息，自主识别井下工作状况，并调节节流阀的流通，将井底压力控制在所需要的范围内。防止地层的流体进入井筒造井涌、井漏等风险，可在钻进安全密度窗口较窄的地层使用。斯伦贝谢公司推出的DAPC系统把井场设备连接为一个整体，根据流量和钻头深度自动回压。哈里伯顿公司推出的MPD 系统改进了循环泵使回压更加稳定，具有检测井下溢流、漏失的特点[4]。

智能导向钻井技术一直是钻井领域的一大难题，通过井下地层参数和随钻测量的数据对井眼轨迹实时优化，调整钻头方向和钻井液泥浆流量，确保钻头抵达目标地层。斯伦贝谢公司的Power Drive Archer 系统可以精准预估侧钻位置，在井眼轨迹发生偏斜时，对钻井参数及时调整纠正。贝克休斯公司推出一种Auto-Trak Curve 导向钻井系统能在改善井眼光滑度的同时修正钻进角度。

智能监测与智能决策技术是在井下工具获取动态数据后，通过智能决策系统做出相应的决策与分析。中海油公司针对互联网大数据对钻完井作业支持技术，开发了渤海油田钻井决策系统，形成了井筒全寿命周期数据采集与存储技术、数据分类与快速检索技术，该系统实现钻井作业实时科学决策[5]。

5 结语

随着人工智能等技术的快速发展，油气行业迎来了新的发展拐点。在持续低油价环境下，智能钻井技术的使用可以有效节约人工成本，提高油田勘探开发效率，在石油行业具有广阔的应用前景。智能钻井技术是全球前沿的技术与发展趋势，中国在智能钻井技术上的研究起步较晚，与发达国家还有一定距离，加强智能钻井技术的研究，加大智能化在我国石油行业中的应用规模，促进油气行业整体转型升级。