劉清友， 董 潤， 耿 凱， 朱海燕， 趙建國

（1.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學），四川成都 610059；2.西南石油大學機電工程學院，四川成都610500；3.中國石油集團海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部，天津 300280）

水平井測井、壓裂等井下作業(yè)過程中，入井管柱常常因與井壁接觸面積過大而受到較大的摩阻，導致管柱屈曲鎖死而出現(xiàn)下入困難的問題[1]，通常采用機械減阻或潤滑劑減阻的方法來減小摩阻[2]，但不能從根本上解決管柱屈曲鎖死的問題。為此，國內外開展了井下機器人研究與應用，將其接在入井管柱中在井下對管柱進行牽引[3]，使管柱受到軸向拉力的作用，從根本上解決管柱下入困難的問題[4]。目前，根據(jù)井下機器人的主要用途和結構特點，將其分為井下牽引機器人和井下鉆井機器人2大類[5]，其中井下牽引機器人主要為井下管柱提供牽引力，分為輪式、履帶式和伸縮式3種類型[6-7]，國外應用較為成熟[8]，國內目前基本處于實驗研究階段；井下鉆井機器人不僅能為井下管柱提供牽引力，還具備鉆井液通道，能為鉆頭提供鉆壓，有伸縮式和獾式2種類型[9]，目前國外處于實驗研究階段，國內尚在理論研究階段，很少有相應的樣機實驗研究。筆者以近年來在井下機器人技術方面開展的攻關研究為基礎，系統(tǒng)介紹了井下機器人的4大關鍵技術與發(fā)展現(xiàn)狀，并對其現(xiàn)場應用進行了展望，以期為我國井下機器人技術的研究提供參考和借鑒。

1 井下機器人關鍵技術

井下機器人主要包括支撐機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和能源供給系統(tǒng)4個部分（即井下機器人4大關鍵技術），到目前為止，還沒有對該4大關鍵技術進行系統(tǒng)研究的相關報道，因此筆者對其進行了詳細的調研和分析。

1.1 支撐機構

支撐機構的主要功能是為井下機器人的驅動輪、驅動滑塊或履帶提供在井壁或套管上的支撐力，以確保套管或井壁對井下機器人有足夠摩擦力，從而實現(xiàn)對井下管柱的牽引。井下機器人采用的支撐機構主要有齒輪、蝸輪蝸桿、絲杠、凸輪、液壓活塞和自鎖滑塊等，其性能對比見表1。由表1可知：齒輪、蝸輪蝸桿、絲杠和凸輪采用電機作為動力源，因此支撐力較小且容易失效卡住，但易于控制；液壓活塞、自鎖滑塊采用液壓泵或利用管內外壓差作為動力源，因此支撐力較大，能提供更大的牽引力，但存在動密封易失效、自鎖易卡住等問題。因此，設計井下機器人時，應根據(jù)各種支撐機構的結構特點和使用條件選擇合適的支撐機構。

表1 井下機器人不同支撐機構的性能對比分析Table 1 Comparative analysis on the performances of various supporting mechanisms of downhole robots

1.2 驅動系統(tǒng)

驅動系統(tǒng)的主要功能是為井下機器人提供牽引管柱的動力，并驅動井下機器人正常運行。目前，井下機器人的驅動系統(tǒng)主要有電機驅動輪、管內外壓差（閥門）和液壓驅動輪等，其性能對比見表2。由表2可知：液壓驅動輪的最大牽引力為12.00 kN，且最大牽引速度為1 677.5 m/h，是目前井下牽引機器人驅動系統(tǒng)的首選；而管內外壓差（閥門）的最大牽引力為65.77 kN，且最大牽引速度為304.0 m/h，能夠滿足小井眼連續(xù)油管鉆井對井下鉆井機器人的要求。

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)可以對井下機器人的動作機構進行管控，對電磁閥或電泵的通斷進行邏輯控制，進而控制井下機器人的運動，同時收集其實時運動參數(shù)、井下工況并反饋至上位機，并進一步控制井下機器人的動作，從而形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。井下機器人采用的控制系統(tǒng)主要有PIC（單片機）+CPLD（可編程器件）、PIC+DSP（數(shù)字信號處理）和智能控制等，不同控制系統(tǒng)的性能對比見表3。由表3可知：PIC結構簡單，工作可靠，因此目前井下機器人的控制系統(tǒng)主要以PIC為核心，但是難以實現(xiàn)閉環(huán)控制；智能控制方式可以實現(xiàn)井下機器人的自主運行，是井下機器人控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，但其控制原理復雜，可靠性不高。

表2 井下機器人不同驅動系統(tǒng)性能對比分析Table 2 Comparative analysis on the performances of various drive systems for downhole robots

表3 井下機器人不同控制系統(tǒng)性能對比分析Table 3 Comparative analysis on the performances of various control systems for downhole robots

1.4 能量供給系統(tǒng)

能量供給系統(tǒng)用來為井下機器人提供動力，主要有流體動能發(fā)電、電纜和液壓等3種能量供給方式。目前，井下機器人主要采用電纜能量供給方式，由于電纜需占用機器人的設計空間，且牽引力較小，因此對于用于微小井眼的井下機器人來說，不宜采用電纜能量供給方式，采用液壓能量供給方式比較可取，因為液壓能量供給系統(tǒng)不會占用有限的設計空間，牽引力達到65.77 kN，且移動距離較長，能使井下機器人牽引更長的管柱。

2 井下機器人研究進展

2.1 井下牽引機器人

輪式井下牽引機器人技術較為成熟，其結構簡單、工作可靠，廣泛應用于測井、完井等井下管柱的牽引作業(yè)中，但是其牽引力較小，難以適應復雜的井下工況。目前，具有代表性的該類機器人是GESondex公司研制的輪式井下牽引機器人[10]，由驅動模塊和扶正模塊組成，一般單節(jié)配置1組驅動短節(jié)（包括2個驅動輪）和1組扶正短節(jié)（包括2個扶正輪），如圖1所示。大慶油田于2003年引進該機器人并用于水平井測井作業(yè)，成功獲得了生產測井資料。哈爾濱工業(yè)大學研制的輪式牽引機器人是國產該類機器人的代表[11]，其外徑105.0 mm，長度9 m，牽引力2 kN，目前已研制出實驗樣機。

圖1 GE-Sondex公司的輪式牽引機器人[10]Fig.1 GE-Sondex company's wheeled tractor robot[10]

伸縮式井下牽引機器人具有更大的牽引力，適用井深更深，但是難以小型化，安全可靠性低。因此，人們針對其安全性和小型化開展了一些研究，并取得了一些成果。G.Greg等人[12]發(fā)明了一種采用刀片式三連桿支撐機構的伸縮式井下牽引機器人（見圖2），能夠避免卡鉆，但是由于連桿支撐機構存在慣性力，容易產生動載荷，因此其牽引力較小。R.E.V.Krueger[13]發(fā)明了一種只有一條偏心支撐臂的井下牽引機器人（其他牽引機器人的支撐臂為3條或3條以上），大大減小了井下牽引機器人的外形尺寸（見圖3）。

2.2 井下鉆井機器人

井下鉆井機器人的設計空間有限，不但小型化難度較大，而且攜巖流道也難以滿足鉆井施工的攜巖要求。目前，國外只有WWT公司對伸縮式井下鉆井機器人的支撐機構進行了深入研究[14]，研制了彈簧片支撐機構井下鉆井機器人（如圖4所示），并進行了牽引試驗，但未見現(xiàn)場試驗的報道。

圖2 刀片式三連桿支撐機構伸縮式井下牽引機器人[12]Fig.2 Blade type telescopic downhole traction robot with three-link support mechanism[12]

圖3 偏心支撐臂牽引機器人[13]Fig.3 Traction robot with eccentric support arm[13]

圖4 WWT公司伸縮式井下鉆井機器人[14]Fig.4 WWT company's telescopic downhole drilling robot[14]

國內也開展了井下鉆井機器人的研究。筆者根據(jù)鉆井機器人牽引力大、尺寸小的現(xiàn)場施工要求，結合國內外井下機器人的研究與試驗情況，優(yōu)選了伸縮式井下鉆井機器人結構方案，并于2016年研制出第一代液壓控制伸縮式井下鉆井機器人，主要由2個牽引缸、2個支撐缸及1個控制短節(jié)組成（外置液壓控制系統(tǒng)），牽引缸、支撐缸呈徑向布置（見圖5），采用液壓控件和單斜面支撐機構，避免了電子元件高溫易損壞的問題，且牽引力更大。

圖5 牽引缸、支撐缸徑向布置示意Fig.5 Schematic diagram of the radially arranged traction cylinders and support cylinders

2018年，筆者又設計研制了第二代伸縮式井下鉆井機器人，提出了牽引缸、支撐缸軸向布置方式及斜面-連桿支撐方式（見圖6），并進行了控制結構的可靠性和穩(wěn)定性實驗研究。第二代井下鉆井機器人的牽引缸與支撐缸之間利用跨接拉桿實現(xiàn)固連，徑向上可以減少一層液缸，并減少了牽引缸與支撐缸之間的液壓流體通道，從而實現(xiàn)牽引缸、支撐缸單層液壓缸軸向布置，同時減小了鉆井機器人的徑向尺寸。

圖6 井下鉆井機器人牽引缸、支撐缸軸向布置示意Fig.6 Schematic diagram of the axially arranged traction cylinders and support cylinders for the second generation downhole drilling robot

圖7所示為伸縮式井下鉆井機器人的運動機理[15]。由圖7可知，井下機器人正常工作狀態(tài)包括6個運動過程、7個運動狀態(tài)。

圖7 伸縮式井下鉆井機器人運動機理Fig.7 Movement mechanism of downhole drilling robot

狀態(tài)a：右牽引缸將整個機器人向右牽引，左牽引缸帶動左支撐缸向右移動；

狀態(tài)b：左支撐臂利用左支撐缸完成支撐動作；

狀態(tài)c：右支撐臂與右牽引缸收縮并向右移動；

狀態(tài)d：左牽引缸牽引整個機器人向右移動；

狀態(tài)e：右支撐臂與右支撐缸一起完成支撐動作；

狀態(tài)f：左支撐臂與右牽引缸收縮并向右移動；

狀態(tài)g：重復步驟a—f。

3 應用展望

針對井下機器人的功能特點，并結合油氣開發(fā)現(xiàn)狀與需求，展望了井下機器人的應用前景，提出了基于井下機器人技術的3項鉆井完井技術。

3.1 連續(xù)油管多分支微小井眼水平井完井技術

我國頁巖氣開采依然面臨成本高、難度大、環(huán)境污染嚴重等諸多難題，為此，筆者等人[16]提出了多分支微小井眼水平井完井技術（如圖8所示），在微小井眼中實施定向爆破，以替代水平井分段壓裂，減少對儲層的損害和對環(huán)境的污染，從而形成經濟環(huán)保的頁巖氣開采新技術。該技術的關鍵是連續(xù)油管微小井眼鉆井技術，由于連續(xù)油管在井眼中容易出現(xiàn)屈曲鎖死的問題，因此水平段通常較短。井下鉆井機器人可在微小井眼中牽引連續(xù)油管并提供所需鉆壓，能大幅度增加水平段長度，從而提高頁巖氣井產量，降低開采成本。由于微小井眼的尺寸限制，且要求井下鉆井機器人具有攜巖流道，井下鉆井機器人的小型化仍是未來亟待解決的問題。

圖8 多分支微小井眼鉆井示意Fig.8 Schematic diagram of multi-lateral micro-hole drilling

3.2 連續(xù)油管智能閉環(huán)鉆井技術

智能閉環(huán)鉆井過程中無需操作人員干預，鉆壓、扭矩等鉆井參數(shù)完全由機器人自行控制，具有工況參數(shù)識別、鉆井數(shù)據(jù)處理、故障檢測與反饋、鉆井參數(shù)自行設定等特點，是信息技術、微電子技術、機器人技術及通信網(wǎng)絡技術與鉆井工程緊密結合的一種集成化技術[17]。為此，筆者提出了連續(xù)油管智能閉環(huán)鉆井技術（見圖9），整個鉆井作業(yè)可實現(xiàn)自動化控制，地面設備可集成安裝在一臺貨車車廂中。井下鉆井機器人是該技術的核心，但要實現(xiàn)鉆井作業(yè)的完全智能控制非常困難，因此還需要深入研究井下鉆井機器人的智能控制系統(tǒng)。

圖9 連續(xù)油管智能閉環(huán)鉆井技術Fig.9 Closed-loop drilling technology with coil ed tubing intelligent

3.3 無線單橋塞水平井分段壓裂技術

常規(guī)橋塞分段壓裂過程中要下入多個橋塞，壓裂完成后需對橋塞進行磨銑作業(yè)，不但耗時長，而且磨銑過程中容易損壞套管，引起井下故障[18]。為此，筆者提出了無線單橋塞水平井分段壓裂技術（如圖10所示）。該技術的關鍵設備主有井下機器人控制器、橋塞和無線井下機器人等，工藝流程為：1）將橋塞及機器人在地面進行組裝并測試，泵送到井底；2）地面發(fā)送分段壓裂指令，機器人自動搜索壓裂段位置，并射孔；3）自動避開射孔位置，并坐封橋塞；4）地面打壓壓裂，解封橋塞；5）重復步驟2）～4），完成多級分段壓裂；6）下入鉆柱打撈井下機器人，或直接將機器人泵入井底。

無線單橋塞水平井分段壓裂技術不僅具有常規(guī)分段橋塞壓裂大排量、高壓力的優(yōu)點，還具有鉆柱起下次數(shù)少、橋塞免磨銑等優(yōu)點，可以提高多級分段壓裂作業(yè)效率，降低作業(yè)風險。無線井下機器人為該技術的核心，應具有信號接收與執(zhí)行、移動、坐封橋塞等功能，對無線單橋塞分段壓裂工藝施工具有決定性的作用。由于目前普遍采用深井/超深井進行油氣開采，因此信息傳輸是無線井下機器人的關鍵技術之一，也是未來井下機器人研究的熱點。

圖10 無線單橋塞水平井分段壓裂示意Fig.10 Schematic diagram of wireless single bridge plug staged fracturing in horizontal wells

4 結 論

1）將井下機器人的關鍵技術概括為支撐機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和能量供給系統(tǒng)等4部分，有利于井下機器人的進一步研究和應用拓展。

2）井下牽引機器人的應用較為成熟，主要是考慮小型化和安全性問題。井下鉆井機器人由于難以小型化和提供較大的牽引力，現(xiàn)場試驗還較少，是未來井下機器人的研究熱點。

3）基于井下機器人技術發(fā)展現(xiàn)狀和油氣開發(fā)需求，認為井下機器人將在連續(xù)油管多分支微小井眼水平井完井、連續(xù)油管智能閉環(huán)鉆井和無線單橋塞水平井分段壓裂中得到廣泛應用。