智能钻进(一)：智能钻井的发展背景、现状与未来

智能钻进(一)：智能钻井的发展背景、现状与未来

随着自动化、信息化技术的不断发展，世界石油工业走智能化道路已成为大势所趋。当前，国外钻井自动化已进入完善和发展阶段，智能化总体还处于探索研究(起步)阶段，在高新技术的推动下，预计到2030年将进入智能化时代。为了把握地质钻探行业未来的发展方向，本刊将以连载的方式介绍国内外油气工业在智能钻井领域的最新进展、关键技术与发展趋势，以期对业界有所启发。

自动化；智能化；油气；钻井；钻探

1 概述

世界新技术革命推动了石油科学技术的大发展。在过去十几年中，国内外钻井技术也取得了长足进步，显著提高了钻井效率，减少了非生产时间和钻井事故，大幅降低了钻井成本。随着钻井技术、新材料技术、检测控制、微电子技术、通信和计算机、机器人等的进一步发展，未来的钻井技术将向更加精确、高效、低成本的方向发展，智能钻井将会成为未来钻井技术的主要发展方向。

1 智能钻井的技术背景

1.1 电力拖动技术

电力电子技术起源于20世纪50年代末60年代初，70年代开始广泛应用于电力拖动行业。

自从国外将电力电子技术应用于石油钻采装备行业后，钻机的驱动模式发生了很大改变，出现了电驱动钻机，尤其是全数字交流变频驱动技术的应用，使钻机的机械结构得到简化，提高了安全性、可靠性和运移性能，容易实现自动化控制及安全互锁，设备操作、故障诊断及维修保养方便；同时有利于提高钻井时效、优化钻井工艺及处理井下事故等作业，成为钻机的主流模式。经过近40年的发展，电驱动钻机的性能已经成熟。

1.2 自动控制技术

为了满足质量和效益要求，许多工业领域大量采用自动控制技术。

石油天然气工业也力求实现钻井自动化以提高钻井效率和安全性，保证钻井质量，降低钻井成本。通过自动控制技术与交流变频技术、传感检测技术和液压驱动技术的结合，使钻机不仅可以实现自动送钻，还出现了大量自动化设备，如铁钻工和动力猫道等；也使各种钻井装备更易实现智能化，性能更加优良，如德国Bentec公司的转盘软扭矩控制、钻井泵软泵功能、TPC的扭矩安全功能、泵同步功能和防反转功能等。

自动化钻机的出现是自动控制技术在油气钻机中成熟应用的典型代表，如英国BP公司与阿拉斯加技术公司研发的轻型自动化钻井系统(LADS)。

智能钻井则是自动控制技术在钻机系统中应用的高度体现。智能钻井系统具备随着不确定环境、地面和井下数据的变化实时调整司钻参数，并进行自动送钻；要求钻机系统具有基于计算机控制的适用性和交互式控制，同时具备数据信息的管理能力。

1.3 传感检测技术

传感检测技术是实现自动控制的关键。最初，钻机在仪表系统使用传感器主要是用于进行钻井过程的工艺参数监视，包括各种流量传感器和压力变送器等。

随着钻机控制系统的完善以及各种自动化设备在钻机中的配套，使得各种先进的传感检测技术在钻机系统中得到广泛应用，如位移传感器、各种编码器、接触及非接触式探头等采用超声波、红外线、电磁等先进技术作为钻机配套的检测技术。

钻机配套用传感器的接口形式也由最初的直接电信号输出，演变成基于CAN、AS-i、PROFIBUS等多种现场总线技术的网络结构，工业电视监控探头也由最初的模拟信号单点输入变为现在的基于TCP/IP的720P甚至1080P的高清网络摄像头，大大提高了传感系统的稳定性和精确性，减少了现场的布线，使用和维护更方便。

1.4 机器人技术

机器人是集机械工程、电子、控制、计算机、传感检测等一系列先进技术的综合应用。20世纪后期，机器人技术在钻井装备中也得到应用，如挪威阿克(Aker)美国公司的MH机器人运动控制系统应用于垂直排管机、折臂抓管机等管柱处理系统。随着纳米技术和各种微型传感器的发展，未来安置在井下钻头上的微型机器人可用于直接观察和检测所有井下参数，并通过纳米电缆传输到地面控制中心。

1.5 网络信息化技术

网络信息化技术在钻机中的应用也非常广泛，使用电缆、光纤、无线等各种通信介质及方式来实现钻机各个系统及设备之间的数据交换及共享。

诞生于1999年的物联网技术(Internet of Things)也已用于钻机系统。2012年6月，挪威国家石油公司(Statoil)的钻井跟踪系统(DOTS-Drilling Operations Tracking System)采用射频身份识别(RFID-Radio Frequency Identification)技术记录钻井设备的使用数量、使用频率及使用期，让作业公司能更好地管理设备，同时还将该技术应用于钻井管柱的自动记录。

未来的智能钻井可通过将实时数据传输到网络系统中来实现对钻井过程的远程控制，这种双向通信既可将钻井数据传递给远程控制中心的专家， 也可将专家们的信息传回钻井现场，实现远程协同工作。

1.6 计算机集成控制技术

在电驱动引入钻井装备的同时，计算机技术也被引进钻机系统，从最初的一次仪表、机械操控开始进入PLC控制，到目前的工控机控制、嵌入式控制系统等计算机集成控制技术已经在钻井装备中广泛应用。

一般钻井装备采用PLC实现设备控制，为保证稳定及可靠性，还在很多场合采用冗余结构，如冷备份方案或直接采用冗余系统，如西门子S7-400H系统；也有采用工业计算机直接参与控制，如阿克公司采用工控机配置西门子的软PLC(Win AC)实现控制设备控制。根据设备的复杂程度，通常1个设备对应1台控制器，控制器之间相互通信，实现数据共享。

随着钻机配置的提高，钻机控制系统已成为包含控制站、视频监控、参数监控站、操作站及数据库服务器等多子站的计算机集成控制系统。同时配置的钻井软件系统也不断更新，使钻机的功能更完善、操作更安全、人机界面更友好、钻井参数配置更优化，如美国国民油井(National Oilwell)公司的电子司钻CyberBase、阿克公司的钻井可视系统Drillview(图1)等。该系统不仅集中动态显示钻井过程和设备的参数，同时还将工业电视监控系统也集成显示，系统具备多客户端，通过接入局域网或者广域网具备远程监控功能，能在线实时查看或回看各种数据。

图1 阿克公司的钻机集成控制系统示意图

2 国外智能钻井的发展现状

在油气钻井领域，随着自动化钻机、随钻测量和随钻测井(MWD/LWD)、自动垂直钻井、旋转导向钻井、自动控压钻井、智能钻杆、远程专家决策支持中心等具有里程碑意义的重大技术装备的出现，钻井自动化和信息化水平大幅提升，标志着钻井已进入自动化钻井完善阶段(图2)。

从钻井前沿技术、重点攻关技术和超前储备技术来看，随着人工智能逐渐引入钻井工程，钻井智能化研究不断深入，推动了钻井逐渐向智能钻井方向迈进(表1)。

表1 主要智能钻井方面的研究项目

图2 国外钻井技术的发展历程与趋势

挪威机器人钻井系统(Robotic Drilling System)公司正在与美国国家航空航天局合作开展机器人钻井系统(图3)的研制，它主要由地面智能钻机和井下智能钻井系统组成，地面和井下作为一个整体进行大闭环控制。智能钻机配备智能钻台机器人、智能排管机器人等智能化设备，可取代钻台工人和井架工，具备连续起下钻和连续下套管、连续循环和自动控压等功能(图4)。

图3 研制中的机器人钻井系统

国外还在研制电动智能连续管钻井系统(图5)，通过智能连续管向井下供电，驱动井下电动智能导向钻井系统，具备连续起下钻和连续循环功能，同时实现数据的高速、大容量、双向传输。电动智能连续管钻井系统将会成为实现未来智能钻井的另一个重要途径。

图4 研制中的连续起下钻钻机

图5 研制中的电动智能连续管钻井系统

3 未来的智能钻井系统

根据目前现有技术及钻机的应用情况分析，未来有关钻机的新技术研究及应用主要围绕以下4个方面开展。

3.1 集散控制

集散控制是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通信、显示和控制技术，基本思想就是集中操作、分散控制、分级管理，具有配置灵活、组态方便的特点。

随着自动化设备的普及，单一控制器已不能满足钻机的控制要求，基于多控制站协同作业、多层级网络的集散控制系统能更好地发挥作用。在目前钻机集成控制的基础上，完善钻机控制网络，添加工程师站，为钻机配置的更改提供柔性接口；同时加强远程监控能力，钻井公司将每台钻机作为1个设备建立统一的监控中心，组成一个基于钻机为基本单元的钻井监控网络，为加强信息资源整合、钻井工作日常管理、实现钻井数据共享奠定基础。

3.2 远程司钻

目前，钻机的操控都在井口旁边的司钻房，相应的控制系统等都在井口附近，环境恶劣，对司钻等操作人员的人身安全存在一定威胁。基于网络信息通信技术、自动控制技术和全方位视频监控的远程司钻技术，将司钻及监视中心远离井口，对提高安全性以及降低控制系统对环境的要求有重要意义。

美国斯伦贝谢(Schlumberger)公司曾在英国剑桥研究中心控制了远在8000 km以外的得克萨斯州卡麦龙(Cameron)的一口试验井钻机作业，这是钻机走向自动化钻井的里程碑式标志性工程之一，为钻机的远程操控开启了序幕。制约这一技术应用的关键因素在于钻台机械化程度、系统的可靠性、随机事故的处理机制和安全机制不完善，围绕这些问题开展研究工作，进行相关技术研究，实现钻机的远程监视和控制亦将成为现实。

3.3 在线故障检测与诊断

石油钻机尤其是海洋平台钻机在作业过程中，因设备故障停钻会带来重大的经济损失甚至是重大事故，而钻机系统是十分复杂的机械、电气和液压系统，设备的维护不仅工作量大，而且故障不易查找。因此，在钻机系统中集成在线故障检测与诊断技术不仅可以提前发现设备故障，消除事故隐患，同时也为设备改进优化提供原始数据。

检测钻机系统中的液压及电气控制系统故障主要依靠传感检测技术，一般根据状态数据可直接判断，而基于振动测试技术、计算机信息等技术和故障模式识别理论来实现对钻机机械系统的检测与诊断将成为钻机系统研究的新内容。

3.4 智能钻井

目前，虽然国外已经在钻机上实现了自动化钻井技术，但进行智能钻井及大规模应用还存在一些关键技术需要解决和完善。智能钻井技术主要包括随钻监测和决策系统的建立两个方面。随钻监测是基础，为自动钻井提供原始分析数据，同时也是保证钻井安全的关键环节；决策系统是关键，主要包括专家系统、在线建模和模型优化等。

传感检测技术要满足高温高压条件下的井下参数检测，电力及信号在钻井过程的传输，以及决策系统的建立、试验和完善将是智能钻井配套技术需要持续研究的内容。

图6 未来的智能钻井系统

未来的智能钻井系统如图6所示。井下钻具主要由高智能微型机器人、智能钻杆及接头、高寿命智能钻头、轴承组、变速箱、电机等组成；地面设备将全部集中安装在一台标准的货运汽车车厢中，主要包括全自动钻机、数据采集及显示系统、工艺控制系统、井控系统、钻井液循环及固控系统等。在每个钻井现场，通过电缆形成井下与地面的闭环信息流程，实现遥控智能钻井；在远程控制中心，通过通信网络技术对钻井操作进行控制，实现远程钻井协同工作。

在钻井过程中，井下电动机直接驱动高寿命智能钻头进行钻井作业，高性能泥浆由小型高压泵通过钻杆送入井下，安置在井下钻头上的高智能微型机器人直接观察和检测井下钻压、钻速、扭矩、泥浆性能、岩石性能、地层孔隙压力、井眼轨迹、钻头磨损等所有井下参数，并通过电缆传输到地面控制中心，在钻井的同时完成测井工作。地面控制中心的技术人员(1～2名)负责监控，并根据井下工况及钻井工艺要求，通过调整井下钻头喷嘴方向和泥浆流速、流量来控制钻头运动轨迹，实现对轨迹的实时控制；通过调节井下变速箱实现对钻速的控制；同时，起下钻等钻井作业均由地面机器人按指令自动完成。当遇到特殊钻井问题时，可以通过高速可视化智能网将信息传输到远程控制中心，钻井专家根据现场的实况及时分析与处理。

4 结束语

智能钻井将大幅度减少现场作业人员，显著提高钻井效率和安全性，简化井身结构，缩短钻井周期。在远程控制技术的支持下，有望实现无人钻井，钻井专家只需身处公司总部或地区中心的监控室就可对钻井全过程进行远程监控，从而充分发挥总部专家团队的作用，避免安全隐患。

展望未来，在大数据、云计算、物联网、虚拟现实、自动控制、人工智能和量子通信等高新技术的推动下，钻井作业的自动化、信息化、智能化水平将会越来越高，不仅可以实现全自动钻井，并且能通过现场智能控制平台将地面智能化和井下智能化组成一个有机的整体，实现钻井现场的闭环控制；再通过新一代互联网或物联网，将现场智能钻井与远程实时智能控制中心构成一个大的有机整体，实现现场+远程的大闭环控制。

预计到2030年，油气钻井将进入智能化时代，并将成为未来油气工业提质、降本、增效的有效途径和核心竞争力。

[1] 栾苏, 梁春平, 于兴军,等. 现代先进技术在石油钻机中的应用及展望[J].石油机械，2014(11):1-5.

[2] 刘清友. 未来智能钻井系统[J].智能系统学报，2009(1):16-20.

[3] 杨金华, 邱茂鑫, 郝宏娜, 等. 智能化——油气工业发展大趋势[J].石油科技论坛，2016(6)：36-42

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(本刊编辑部 整理)