劉清友

1成都理工大學(xué) 2油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

在“雙碳戰(zhàn)略”的大背景下，我國對(duì)天然氣的需求不斷攀升，加強(qiáng)天然氣的勘探開發(fā)力度，保障能源安全，是實(shí)現(xiàn)我國能源結(jié)構(gòu)安全轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。而四川盆地是重要的產(chǎn)氣區(qū)，尤其是近年來頁巖氣的開發(fā)進(jìn)入了空前繁榮階段。通過10余年的大力攻關(guān)，四川盆地中淺層頁巖氣已建成200×108m3的年產(chǎn)氣量規(guī)模，然而，四川盆地深層(3 500 m以深)頁巖氣資源更為豐富，占頁巖氣總資源量65%以上，走向深層是四川頁巖氣發(fā)展的必由之路[1]。

然而，深層頁巖氣開發(fā)面臨著更加復(fù)雜的地質(zhì)—工程條件，鉆井作業(yè)遇到的挑戰(zhàn)更嚴(yán)峻。一方面，隨著井深增加，鉆井縱向上穿越的復(fù)雜層系多，復(fù)雜事故概率大幅度增大。以N219井為例，?311.2 mm井眼段長2 000 m左右，穿越嘉陵江、飛仙關(guān)、茅口等易漏失地層，若處理不當(dāng)極易出現(xiàn)“溢漏同存”的局面；另一方面，深層頁巖氣儲(chǔ)層可鉆性差，水平段長，儲(chǔ)層鉆遇率和機(jī)械鉆速受限。以L203井為例，定向作業(yè)后平均鉆速僅2 m/h，鉆柱托壓問題也很突出，鉆井周期高達(dá)106.99 d[2]。近些年，我國頁巖氣鉆井技術(shù)雖然有了長足的進(jìn)步，但對(duì)于一些復(fù)雜情況的處理仍依賴經(jīng)驗(yàn)，難以完全用科學(xué)手段實(shí)現(xiàn)安全高效鉆井。而智能鉆井是借助微機(jī)電技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)人工智能理論與鉆井工程緊密結(jié)合形成的集成化技術(shù)。智能鉆井系統(tǒng)要求在鉆進(jìn)過程中進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過人工智能算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀、科學(xué)地處理，然后對(duì)各項(xiàng)鉆井參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化和復(fù)雜情況的診斷決策，并由自動(dòng)化機(jī)構(gòu)執(zhí)行，進(jìn)而提升鉆井效率及復(fù)雜事故應(yīng)對(duì)能力，有望成為深層頁巖氣鉆井提速增效的有力支撐。以美國Haynesville頁巖氣區(qū)塊鉆井為例[3]，2009年以前，該區(qū)塊鉆井周期普遍在100 d以上，通過使用智能鉆井技術(shù)，如智能控壓，機(jī)械比能智能監(jiān)測(cè)、鉆柱震動(dòng)智能預(yù)警、鉆井參數(shù)智能優(yōu)化軟件等，大幅提升了鉆井效率，在兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，2011年后該區(qū)塊鉆井周期已普遍降低至50 d以內(nèi)，一些井達(dá)到30 d左右。

四川深層頁巖氣地質(zhì)條件復(fù)雜，加速智能鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭、導(dǎo)向系統(tǒng)等關(guān)鍵智能鉆井裝備及工具的攻關(guān)至關(guān)重要。為此，本文針對(duì)這些關(guān)鍵鉆井裝備及工具的智能化現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)研，論述了其在頁巖氣鉆井提速增效的重要作用，并探討了未來攻關(guān)方向，以期推動(dòng)深層頁巖氣安全高效智能化鉆井。

1 智能鉆井系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)架

智能鉆井是自動(dòng)化鉆井的進(jìn)一步發(fā)展，其融合了大數(shù)據(jù)人工智能等理論，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)工程、地質(zhì)數(shù)據(jù)，開展鉆井參數(shù)學(xué)習(xí)優(yōu)化與自適應(yīng)調(diào)節(jié)、鉆井系統(tǒng)故障診斷與排除、復(fù)雜事故的識(shí)別及決策與應(yīng)對(duì)，最終實(shí)現(xiàn)真正的無人干預(yù)的科學(xué)鉆井作業(yè)。

1996年，易先忠[4]結(jié)合國外智能鉆井發(fā)展形式，總結(jié)了智能鉆井的技術(shù)構(gòu)架，在鉆機(jī)自動(dòng)化、鉆井工藝及過程自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，提出了信息智能監(jiān)控系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)及井場(chǎng)機(jī)器人。王以法[5]指出智能鉆井系統(tǒng)需要解決“實(shí)時(shí)性”、“穩(wěn)定性”、“可靠性”及“自學(xué)習(xí)性”。而“自學(xué)習(xí)性”，即是區(qū)分自動(dòng)化鉆井和智能鉆井的關(guān)鍵，其涉及到鉆井裝備智能控制、數(shù)據(jù)傳輸、人工智能學(xué)習(xí)及決策算法等理論。周方成等[6]提出智能鉆井系統(tǒng)必須具有井眼軌跡精確控制技術(shù)、鉆井參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)技術(shù)、智能網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)等為依托的實(shí)時(shí)決策技術(shù)等。李根生等[7]在搭建智能鉆井技術(shù)構(gòu)架的基礎(chǔ)上，論述了智能決策、井眼優(yōu)化、鉆速優(yōu)化、智能導(dǎo)向、智能控壓及智能監(jiān)控等幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破路徑與有機(jī)聯(lián)系，以及其背后的先進(jìn)技術(shù)支撐，如大數(shù)據(jù)、人工智能、高性能計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等,如圖1所示。通過應(yīng)用地面自動(dòng)化鉆機(jī)、井下智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)、智能監(jiān)控與決策技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)鉆井超前探測(cè)、閉環(huán)調(diào)控、精準(zhǔn)制導(dǎo)和智能決策，從而大幅提高鉆井效率。綜上所述，智能鉆井技術(shù)是大數(shù)據(jù)人工智能與自動(dòng)化鉆井技術(shù)相融合的革命性技術(shù)。國際上，貝克休斯、斯倫貝謝、哈里伯頓、道達(dá)爾、殼牌等國際知名石油公司也共同制定了自動(dòng)化鉆井技術(shù)發(fā)展路線DSA-R[8]，“智能化”是該技術(shù)路線的終極目標(biāo)。該發(fā)展路線較為完整地搭建了智能鉆井整體技術(shù)架構(gòu)，包括傳感器與測(cè)量系統(tǒng)、通信、鉆機(jī)設(shè)備、控制系統(tǒng)、建模與模擬、人機(jī)系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證等7大研究領(lǐng)域。

圖1 智能鉆井系統(tǒng)組成示意圖[7]

頁巖氣開發(fā)多采用井工廠模式以凸顯其效益，然而，目前的智能鉆井技術(shù)構(gòu)架大多針對(duì)單井作業(yè)。因此，智能鉆井技術(shù)構(gòu)架還應(yīng)上升到平臺(tái)層面。筆者認(rèn)為智能鉆井技術(shù)構(gòu)架應(yīng)進(jìn)一步融合“群智慧”策略，即將每口井的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至基于平臺(tái)優(yōu)化的數(shù)據(jù)處理器，在整個(gè)平臺(tái)層面進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)整個(gè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)共享、學(xué)習(xí)優(yōu)化、故障及復(fù)雜應(yīng)對(duì)等，進(jìn)而促進(jìn)整個(gè)平臺(tái)的安全高效鉆井。例如，當(dāng)平臺(tái)某口井的鉆速明顯高于其他井時(shí)，該井的地層參數(shù)、鉆進(jìn)參數(shù)、鉆井液性能、鉆具組合等數(shù)據(jù)將被視為當(dāng)前“個(gè)體最優(yōu)解”，基于該“個(gè)體最優(yōu)解”，運(yùn)用群智慧相關(guān)算法，如蟻群、粒子群算法等，去引導(dǎo)搜索“群體最優(yōu)解”，這種策略能夠加速學(xué)習(xí)過程，有望在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)所有井的動(dòng)態(tài)優(yōu)化和鉆速提升。此外，若某口井鉆至某層位時(shí)發(fā)生井漏，相應(yīng)的井漏數(shù)據(jù)及處理措施也可上傳至平臺(tái)處理器，供后續(xù)其他井的智能決策提供參考。綜上所述，筆者認(rèn)為，可考慮將“群智慧”策略納入智能鉆井技術(shù)構(gòu)架，以幫助平臺(tái)加速學(xué)習(xí)，更快完成最優(yōu)鉆井參數(shù)搜索及相關(guān)數(shù)據(jù)庫的更新，提高平臺(tái)整體作業(yè)效率及智能決策水平，以適應(yīng)頁巖氣井工廠作業(yè)模式。

2 智能鉆機(jī)

隨著自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)以及大數(shù)據(jù)人工智能理論的快速發(fā)展，常規(guī)鉆機(jī)向自動(dòng)化、智能化發(fā)展已是必然趨勢(shì)。國外智能鉆機(jī)技術(shù)起步相對(duì)較早，美國Hunble oil和Byron Jackson公司于上世紀(jì)40年代末就已經(jīng)開始了智能鉆井設(shè)備的探索，經(jīng)過50年的發(fā)展，逐步形成了以Foramatic 2號(hào)自動(dòng)化鉆機(jī)等為代表的一系列早期智能鉆井設(shè)備[9]。2004年，斯倫貝謝公司的遠(yuǎn)程控制鉆井試驗(yàn)[10]，標(biāo)志著世界鉆井開始步入自動(dòng)化鉆井階段。2011年，國民油井公司研制了Rapid自動(dòng)化鉆機(jī)[11]，該鉆機(jī)具有一套水平—垂直管具處理系統(tǒng)，并配備自動(dòng)化貓道，鉆機(jī)占地面積小，可自行部署設(shè)計(jì)，便于運(yùn)輸和更快地現(xiàn)場(chǎng)裝配。全自動(dòng)鉆井平臺(tái)與新型的管具處理系統(tǒng)相結(jié)合，顯著縮短了鉆井周期，提高鉆井效率。2014年，意大利Drillmec推出全新一代AHEAD液壓與電動(dòng)雙驅(qū)動(dòng)自動(dòng)鉆機(jī)[12]，配備有“2桅”井架，或者“3桅”井架，可在鉆井中實(shí)現(xiàn)鉆柱全自動(dòng)離線處理。2015年，挪威West公司研制的連續(xù)運(yùn)動(dòng)智能鉆機(jī)投入使用，接單根時(shí)無需停鉆、停泵，從而提高作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)送鉆，可以節(jié)約50%的鉆井時(shí)間，降低鉆井作業(yè)成本40%～45%，減少碳排放60%。意大利B Robotics W公司推出了Genesis自動(dòng)液壓鉆機(jī)[13]，其關(guān)鍵技術(shù)之一是利用長沖程液壓缸實(shí)現(xiàn)鉆柱上提下放，替代了老式的絞車，鉆柱提升更敏捷、更平穩(wěn)，提升速度可達(dá)1.5 m/s；此外，該鉆機(jī)還有重量輕，組件少，占地面積小的特點(diǎn)，運(yùn)行成本較低。2021年，Nabor公司宣稱研發(fā)了世界第一臺(tái)全自動(dòng)陸地鉆機(jī)[14]，在沒有現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員手動(dòng)操作的情況下，在美國Permian盆地完成了其第一口井的鉆井作業(yè)，總井深6 071 m,如圖2所示。

圖2 Nabors研發(fā)的PACE-R801全自動(dòng)陸地鉆機(jī)[14]

近些年，我國的智能鉆機(jī)領(lǐng)域處于快速追趕狀態(tài)。2010年，國內(nèi)知名石油裝備企業(yè)，如寶雞石油機(jī)械、山東科瑞、四川宏華和中曼石油等，開始研制與自動(dòng)化鉆機(jī)相配套的單體設(shè)備，已基本完成了鉆臺(tái)自動(dòng)化產(chǎn)品的配套，并著手進(jìn)行智能化鉆機(jī)的研制與生產(chǎn)[15]。2014年,寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司開展了管柱自動(dòng)處理系統(tǒng)、井口自動(dòng)化工具、遠(yuǎn)程司鉆等技術(shù)研究[16]。2015年，山東科瑞成功研制出9 000 m智能鉆機(jī)，并交付沙特阿美公司完成6口超深井的鉆井作業(yè)[17]。2021年，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司[18]在“十三五”管柱自動(dòng)化鉆機(jī)研究成果基礎(chǔ)上，突破“一鍵式”人機(jī)交互等多項(xiàng)技術(shù)，創(chuàng)新研制出7 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)，在四川長寧—威遠(yuǎn)國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)正式投入工業(yè)性試驗(yàn)。

目前智能鉆機(jī)的“智能化水平”整體有待提升。雖然某種程度上大大減少了人力，但大部分鉆機(jī)還只能稱作自動(dòng)化鉆機(jī)，并未真正實(shí)現(xiàn)智能化。在當(dāng)前的自動(dòng)化鉆機(jī)的基礎(chǔ)上還需結(jié)合前沿人工智能理論，開發(fā)鉆機(jī)故障診斷、排除及鉆井參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以及鉆井復(fù)雜情況識(shí)別及決策等控制算法與軟件，從而真正實(shí)現(xiàn)智能鉆井。鉆機(jī)是個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，基于目前鉆機(jī)智能化程度，短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全智能化難度較大，可以開展單個(gè)功能模塊的智能化研究。例如，學(xué)習(xí)Nabor鉆機(jī)[14]的SmartDRILL系統(tǒng)，持續(xù)優(yōu)化上扣時(shí)間，實(shí)現(xiàn)上扣卸扣的智能化；針對(duì)頁巖氣井工廠化的開發(fā)模式，重視智能鉆機(jī)的小型化、輕量化、模塊化研究，以滿足四川山區(qū)地理環(huán)境多臺(tái)鉆機(jī)快速部署及安裝的需求。

3 智能閉環(huán)鉆井工具

智能閉環(huán)鉆井是指通過井下測(cè)量設(shè)備對(duì)井底工況，如鉆壓、鉆速、振動(dòng)、流體壓力、溫度、地層信息等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并上傳，通過大數(shù)據(jù)人工智能軟件對(duì)鉆井參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，并將優(yōu)化后的參數(shù)下載到井下智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，提高鉆井效率。此外，還應(yīng)包括井下工具故障診斷及糾錯(cuò)等功能。智能鉆桿和智能鉆頭是實(shí)現(xiàn)智能閉環(huán)鉆井的關(guān)鍵工具。智能鉆桿為井下和地面的高速雙向數(shù)據(jù)傳輸提供保障；智能鉆頭可作為井下智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)指令優(yōu)化調(diào)整自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

3.1 智能鉆桿

實(shí)現(xiàn)地面與井下雙向數(shù)據(jù)的高速傳輸是智能鉆井的關(guān)鍵技術(shù)之一。智能鉆桿是在常規(guī)鉆桿的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造的，使其具備數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)墓δ?，滿足井下—地面信息的雙向高效傳輸和閉環(huán)控制流程，多采用嵌入多芯導(dǎo)線的方式實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于鉆井液脈沖、低頻電磁波和隨鉆聲波無線傳輸技術(shù)，智能鉆桿的數(shù)據(jù)傳輸受鉆井液與地層影響小，傳輸速率快、抗擾能力強(qiáng)，具備全天候傳輸信息的能力，應(yīng)用前景廣闊。

上世紀(jì)40年代,國外學(xué)者最先開始利用電磁感應(yīng)耦合原理實(shí)現(xiàn)了鉆桿間的非接觸式數(shù)據(jù)傳輸。在70年代，前蘇聯(lián)學(xué)者研制了智能鉆桿電磁信號(hào)傳輸系統(tǒng)[19]。到90年代，美國Grant Prideco公司[20]研制的高頻信號(hào)傳輸裝置，傳輸速率可達(dá)1 Mbps。2003年，美國IntelliServ公司[21- 22]研制出IntelliServ的信息傳輸鉆桿下井試驗(yàn)樣機(jī)，在美國能源部洛基山試驗(yàn)中心正鉆的一口1 800 m井中進(jìn)行了試驗(yàn)，獲得高達(dá)2 Mbps的傳輸速率。2007年,IntelliServ[23]信息傳輸鉆桿正式投入商業(yè)應(yīng)用，在歐洲北海挪威海域的Troll油田的一口復(fù)雜井中，用這套系統(tǒng)成功地側(cè)鉆了兩口水平分支井。2018年挪威CoreAll公司[24]推出一種新型智能鉆桿取心工具，該工具可在鉆井過程中實(shí)時(shí)將地層各種參數(shù)通過鉆井液傳輸?shù)降孛妫€能自行決定取心位置，并會(huì)自動(dòng)將鉆進(jìn)鉆頭切換成取心鉆頭，完成取心作業(yè)。

我國也開展了大量智能鉆桿方面的技術(shù)攻關(guān)，2006年,劉選朝等[25]結(jié)合有線對(duì)接技術(shù)，推出了一種智能鉆桿數(shù)據(jù)與電力傳送新型方式，大幅度改善鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸延時(shí)性。2010年，我國海隆石油管材研究所[26]研制的智能鉆桿采用了高溫高壓密封接頭結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)能適應(yīng)溫度-250～600 ℃、壓力300 MPa的惡劣環(huán)境，有效解決了智能鉆桿在密封、絕緣上存在的問題。2013年，孫浩玉等[27]對(duì)智能鉆桿磁感應(yīng)傳輸技術(shù)及其信道特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，采用電容補(bǔ)償方式實(shí)現(xiàn)了20節(jié)鉆柱中115 kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司[28]研制的智能鉆桿成功開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

除數(shù)據(jù)高效傳輸外，筆者認(rèn)為智能鉆桿可以看作整個(gè)井眼的“神經(jīng)中樞”，在智能鉆桿上開設(shè)通用接口與協(xié)議，配套研發(fā)不同功能的智能外接設(shè)備，形成“智能鉆柱系統(tǒng)”，如圖3所示，可大幅度拓寬智能鉆桿的應(yīng)用。例如，研發(fā)電控可變徑扶正器，通過智能鉆桿傳遞指令，實(shí)現(xiàn)扶正器直徑地面調(diào)節(jié)，解決深層頁巖氣超長水平段鉆柱托壓、卡鉆問題；可研發(fā)鉆井液環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)裝置，將其分布安裝在鉆柱上，實(shí)現(xiàn)沿鉆柱的環(huán)空流動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)并鎖定漏失層位的功能，為頁巖氣鉆井井漏監(jiān)測(cè)及科學(xué)、高效堵漏提供指導(dǎo)。

圖3 智能鉆柱系統(tǒng)

3.2 智能鉆頭

鉆頭在井下工作狀態(tài)一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。近年來，國外研發(fā)出了智能鉆頭，通過將電路板、傳感器、存儲(chǔ)設(shè)備、電池等封裝于鉆頭內(nèi)，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過程中鉆頭振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[29]。這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后續(xù)可用于個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)、鉆井參數(shù)優(yōu)化、鉆具優(yōu)選等研究，以提高機(jī)械鉆速及單只鉆頭進(jìn)尺。高性能智能鉆頭已成為石油鉆頭行業(yè)未來的發(fā)展趨勢(shì)。

國民油井公司研發(fā)了鉆頭黑匣子，實(shí)現(xiàn)了鉆頭多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[30]。哈里伯頓公司推出了Cerebro Force鉆頭，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、側(cè)向位移、振動(dòng)、溫度、鉆壓和扭矩參數(shù)的高頻(1 000 Hz)監(jiān)測(cè)[31]。Antech公司推出了傳感器地層界面識(shí)別技術(shù)，借助新一代連續(xù)管鉆井技術(shù)，集成了井下鉆壓、扭矩和機(jī)械鉆速等參數(shù)傳感器和高速有線遙測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了英寸級(jí)分辨率的機(jī)械比能監(jiān)測(cè)[32]。貝克休斯斯公司的自適應(yīng)鉆頭Terr Adapt[33]，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果自動(dòng)調(diào)節(jié)鉆頭上的伸縮機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)PDC牙齒切削深度的調(diào)控，可有效降低粘滑及鉆頭震動(dòng)，進(jìn)而提高機(jī)械鉆速和進(jìn)尺，整個(gè)過程無需地面介入。

目前，受制于井下數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的限制，大多智能鉆頭采用存儲(chǔ)式，即實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)臨時(shí)保存在存儲(chǔ)設(shè)備里，待鉆頭出井后才可讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行解釋。這種模式迫使后續(xù)一系列基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析優(yōu)化工作滯后，因而降低了井下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的價(jià)值。近年來，隨著無線電磁波短傳技術(shù)的進(jìn)步，可考慮通過無線短傳技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉆頭數(shù)據(jù)跨越螺桿等動(dòng)力鉆具并上傳至地面的方法，但大量數(shù)據(jù)上傳至地面仍存在諸多難題。

四川盆地深層頁巖鉆遇復(fù)雜層位多，如須家河組地層石英含量可高達(dá)90%，地層研磨性極強(qiáng)，平均鉆速僅2 m/h[34]；部分茅口—棲霞組地層含燧石結(jié)合[35]，局部地區(qū)龍?zhí)督M有玄武巖[36]，以及其他軟硬交錯(cuò)地層等，均易導(dǎo)致鉆頭鉆速慢，劇烈震動(dòng)，損傷嚴(yán)重。目前做法是針對(duì)某一復(fù)雜地層，建立鉆頭與地層相互作用模型及鉆柱系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并相應(yīng)研發(fā)個(gè)性化鉆頭[37- 47]。然而一只鉆頭往往無法同時(shí)適應(yīng)所有的復(fù)雜層位，因而難以實(shí)現(xiàn)一趟鉆，因此亟待進(jìn)一步研發(fā)自適應(yīng)智能鉆頭。結(jié)合前文提到的“群智慧”平臺(tái)智能鉆井系統(tǒng)，筆者建議開展智能鉆頭研究時(shí)，一方面將數(shù)據(jù)高速傳輸技術(shù)研究提上日程，例如智能鉆頭—無線電磁波短傳—智能鉆桿組合數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等，旨在將鉆頭工況及井底環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，為整個(gè)區(qū)塊高效個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)、優(yōu)快鉆井技術(shù)模板的制定提供數(shù)據(jù)保障。另一方面，采用邊緣計(jì)算策略，將DSP、FPGA技術(shù)大量應(yīng)用于智能鉆頭，提高智能鉆頭井下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、優(yōu)化能力，通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)鉆頭上的控制單元(如伸縮機(jī)構(gòu)等)，實(shí)現(xiàn)鉆頭切削深度、切削齒傾角等自適應(yīng)調(diào)節(jié)，真正實(shí)現(xiàn)“鉆頭的智能”。

4 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)開展隨鉆數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取、傳輸與處理，通過井下工具機(jī)、電、液控制元件對(duì)鉆進(jìn)方向進(jìn)行調(diào)控，提高鉆井效率和儲(chǔ)層鉆遇率。上世紀(jì)90年代，國外大型油服公司相繼推出了商業(yè)化應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。斯倫貝謝公司的PowerDrive系統(tǒng)、貝克休斯公司的AutoTrak系統(tǒng)已迭代至第三代，造斜率達(dá)(15°～17°)/30 m，耐溫175 ℃[48]。2018年，哈里伯頓公司研制了智能旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)iCruise，該系統(tǒng)集成了先進(jìn)的傳感器、電子設(shè)備及高速處理器，具備了400 r/min轉(zhuǎn)速和18°/30 m造斜能力，可大幅縮短了鉆井周期[49]。2015年，中海油田服務(wù)股份有限公司打破了國外長期技術(shù)壟斷，自主研發(fā)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)Welleader，在渤海油田成功進(jìn)行海上作業(yè)，最小靶心距2.1 m[50]。川慶鉆探公司CG Steer系統(tǒng)迭代至第二代，頁巖氣井實(shí)際造斜率10.5 °/30 m(最大12 °/30 m)，目前已在四川頁巖氣、長慶頁巖油和長慶致密氣等地區(qū)使用40余井次，累計(jì)進(jìn)尺30 088 m[51]。

四川深層頁巖氣地溫梯度高、井下振動(dòng)劇烈和高密度的油基鉆井液，使旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具易失效、卡鉆，造成作業(yè)成本增大；黃金靶體薄，起伏不平，是提高儲(chǔ)層鉆遇率的障礙。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)還需要在高性能智能處理器、電子器件抗溫抗壓等方面開展深入研究，提高井下設(shè)備的穩(wěn)定性和自適應(yīng)性，最終實(shí)現(xiàn)根據(jù)所測(cè)得的地層參數(shù)、鉆井參數(shù)自動(dòng)識(shí)別地質(zhì)狀況，自動(dòng)進(jìn)行井眼軌跡設(shè)計(jì)及控制，自動(dòng)對(duì)所需的鉆井參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整，達(dá)到真正的利用科學(xué)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)智能化穿越儲(chǔ)層，提高甜點(diǎn)的鉆遇率。

5 連續(xù)油管鉆井機(jī)器人

1996年，Norman等[52]首次提出了井下鉆井機(jī)器人的概念。WWT公司發(fā)明的井下機(jī)器人直徑120 mm，長度6.9 m，牽引力可達(dá)65 770 N，但相應(yīng)的理論研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況未見公開[53]。2001年Sigmund[54]提出了獾式鉆探機(jī)器人的概念，獾式鉆探機(jī)器人集成了鉆頭、動(dòng)力鉆具等完整的鉆井系統(tǒng)，但作為一種不可重復(fù)使用的勘探工具，其無法用于常規(guī)油氣鉆井與油氣開發(fā)。2018年，國防科技大學(xué)針對(duì)鉆井機(jī)器人進(jìn)行了初步探索，但樣機(jī)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況未見報(bào)道[55- 56]。

筆者于2009年提出了“未來智能鉆井系統(tǒng)”的構(gòu)想，即通過智能鉆井機(jī)器人攜帶連續(xù)油管下入井底，通過在近鉆頭處施加鉆壓、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)參數(shù)并優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)智能鉆井[57]。2013年，提出了主動(dòng)螺旋驅(qū)動(dòng)輪式井下鉆井機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案[58- 60]，如圖4所示，其驅(qū)動(dòng)輪和管壁/井壁之間形成一個(gè)減速機(jī)構(gòu)，在不增加機(jī)器人零件的前提下，提高了機(jī)器人的減速比。2017年，通過采用自鎖支撐原理，研制了雙斜塊大牽引力連續(xù)油管鉆井機(jī)器人[61- 64]，解決了由于支撐力原因?qū)е碌臓恳Σ蛔愕膯栴}，為連續(xù)油管鉆井奠定了基礎(chǔ)。2018年，實(shí)現(xiàn)了在機(jī)器人內(nèi)部設(shè)置鉆井液流道；同時(shí)，率先提出了連續(xù)油管鉆井機(jī)器人牽引力、牽引速度聯(lián)合控制方法，建立了連續(xù)油管鉆井機(jī)器人牽引力、牽引速度聯(lián)合控制數(shù)學(xué)模型[65]，并研制了最新一代鉆井機(jī)器人原理樣機(jī)[66]，完成了系列牽引力及動(dòng)態(tài)破巖等關(guān)鍵測(cè)試[67]，取得了良好的效果,如圖4所示。

圖4 鉆井機(jī)器人動(dòng)態(tài)破巖測(cè)試[67]

目前，鉆井機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)已逐漸趨于成熟，然而，機(jī)器人鉆井參數(shù)智能閉環(huán)控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能鉆井的關(guān)鍵。智能閉環(huán)控制是指井下機(jī)器人對(duì)鉆壓、鉆頭扭矩、工具面、鉆頭傾角、鉆速、振動(dòng)、機(jī)器人自身姿態(tài)等多項(xiàng)鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過人工智能算法對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，并由智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整鉆進(jìn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)鉆速、井眼軌跡控制等的自適應(yīng)鉆井，此外，還應(yīng)包括智能化故障診斷、抗干擾容錯(cuò)控制等。在增加智能鉆井機(jī)器人導(dǎo)向功能基礎(chǔ)上，有望取代旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。此外，鉆井機(jī)器人只需攜帶連續(xù)油管入井，在水平段中牽引連續(xù)油管并對(duì)鉆頭施加鉆壓，因而可有效避免頁巖氣水平井鉆柱托壓問題，可大幅提升機(jī)械鉆速和水平段機(jī)械延伸能力，實(shí)現(xiàn)頁巖氣水平井降本增效。目前，鉆井機(jī)器人智能閉環(huán)控制技術(shù)仍處于理論研究階段，通常采用井下底部鉆具的經(jīng)典模型，簡化井下非線性時(shí)變鉆井系統(tǒng)的力學(xué)行為，需要克服模型參數(shù)過多或者控制模型不適配的難題。此外，現(xiàn)場(chǎng)部署鉆井機(jī)器人智能閉環(huán)控制技術(shù)還面臨著井下高溫高壓電子與液壓元件耐久性、鉆井機(jī)器人狀態(tài)與井筒工況智能感知、鉆井機(jī)器人姿態(tài)穩(wěn)定高效智能控制等技術(shù)瓶頸，亟需在這些方面取得突破。

6 結(jié)論與建議

深層頁巖氣開發(fā)面臨諸多復(fù)雜地質(zhì)—工程難題，智能鉆井技術(shù)及裝備的推廣應(yīng)用，有望加速實(shí)現(xiàn)頁巖氣鉆井降本增效。當(dāng)前，國際上智能鉆井技術(shù)仍處于發(fā)展初期階段，為此，本文針對(duì)幾項(xiàng)值得重視的關(guān)鍵智能鉆井裝備及工具，開展了系統(tǒng)調(diào)研，分析了其在頁巖氣開發(fā)中的關(guān)鍵作用，并對(duì)未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望，以期對(duì)四川頁巖氣安全高效智能鉆井提供支撐。

(1)當(dāng)前的智能鉆井技術(shù)構(gòu)架大多用于單井作業(yè)，針對(duì)頁巖氣開發(fā)的井工廠模式，智能鉆井技術(shù)構(gòu)架應(yīng)進(jìn)一步融合“群智慧”策略，以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)各井的數(shù)據(jù)共享、學(xué)習(xí)優(yōu)化、故障及復(fù)雜應(yīng)對(duì)等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)平臺(tái)的安全高效鉆井。

(2)目前大部分智能鉆機(jī)僅能稱作自動(dòng)化鉆機(jī)，還需加強(qiáng)與人工智能理論的結(jié)合?？舍槍?duì)鉆機(jī)不同智能模塊，如作業(yè)流程排序、管柱智能裝卸等，開展智能化研究，逐步實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的“智能”。此外，針對(duì)山地井工廠的需要，強(qiáng)化小型化、輕量化研究。

(3)智能鉆桿可為智能鉆井提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通訊保障。要把智能鉆桿開發(fā)成萬能井下通訊通道，配套研發(fā)不同功能的智能外接設(shè)備，如電控可變徑扶正器、環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)器等，建立“智能鉆柱系統(tǒng)”，大幅拓寬智能鉆桿的應(yīng)用。

(4)現(xiàn)有智能鉆頭大多為“存儲(chǔ)式”，應(yīng)加快研發(fā)智能鉆頭—地面數(shù)據(jù)高速傳輸技術(shù)。此外，采用“邊緣計(jì)算”策略，提高鉆頭數(shù)據(jù)的井下智能優(yōu)化處理控制能力，實(shí)現(xiàn)鉆頭切削深度等破巖參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高四川頁巖氣復(fù)雜地層“一趟鉆”鉆井能力。

(5)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具已大量用于頁巖氣鉆井，但針對(duì)四川深層頁巖氣鉆井高溫、井下劇烈振動(dòng)和高密度油基鉆井液等惡劣工況，還需在高性能智能處理器、抗溫抗壓電子及液壓器件等方面開展深入研究；此外，建議開發(fā)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的鉆井參數(shù)調(diào)控功能，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)提速增效。

(6)連續(xù)油管智能鉆井機(jī)器人是解決頁巖氣超長水平段鉆柱托壓問題的方法之一。然而，鉆井機(jī)器人智能閉環(huán)控制技術(shù)仍處于理論研究階段，還需針對(duì)井下底部鉆具動(dòng)力學(xué)行為、機(jī)器人控制模型適配性、高溫高壓電子與液壓元件耐久性、鉆井機(jī)器人狀態(tài)與井筒工況智能感知，以及機(jī)器人姿態(tài)穩(wěn)定高效智能控制等方面加強(qiáng)研究。