孫成芹 胡永建 孫琦 張冠杰 張祁夢(mèng)莎

摘 要：本文首先闡述了當(dāng)前智能鉆井高速信息傳輸系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，說明了鉆井高速信息傳輸系統(tǒng)研究的重要性，然后調(diào)研了國(guó)內(nèi)外此類新技術(shù)產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布情況，最后從產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的角度給出了一些建議和展望，希望能對(duì)鉆井智能信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展起到推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：鉆井信息，高速傳輸，標(biāo)準(zhǔn)化

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.20.009

0 引 言

由于石油勘探開發(fā)的復(fù)雜性，不能孤立地對(duì)待單口油井獲取的信息，需要從全局角度匯總探井、甚至全部油井的信息，從整體上進(jìn)行地質(zhì)與油藏評(píng)估、優(yōu)化并改進(jìn)鉆井工藝，從而提高勘探開發(fā)水平。因此，石油勘探開發(fā)測(cè)量技術(shù)也逐步沿著“常規(guī)隨鉆測(cè)量MWD、LWD——自動(dòng)化服務(wù)——智能化服務(wù)”發(fā)展，鉆井優(yōu)化服務(wù)已經(jīng)逐步開展，未來的發(fā)展方向是石油鉆井的智能化和自動(dòng)化。鉆井自動(dòng)化、信息化均是智能鉆井技術(shù)的組成與基礎(chǔ)，是多學(xué)科、技術(shù)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括智能地面系統(tǒng)、鉆機(jī)自動(dòng)化、智能井下工具及智能通訊等多方面內(nèi)容。其中，井下智能通訊是當(dāng)前較為迫切的“卡脖子”技術(shù)，目前成熟應(yīng)用的鉆井液脈沖、電磁波等傳輸技術(shù)速率極低，最高也只有幾十比特每秒（bps），導(dǎo)致常規(guī)隨鉆測(cè)量信息只能存儲(chǔ)于井下等待儀器到地面后回放，實(shí)時(shí)傳輸少量數(shù)據(jù)供參考。而很多實(shí)時(shí)性要求極高的井下信息，如安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向及隨鉆測(cè)井信息等，均需要高速、雙向、寬帶的通訊網(wǎng)絡(luò)加以支撐。因此，鉆井智能高速信息傳輸系統(tǒng)技術(shù)已成為鉆井智能通訊的瓶頸技術(shù)，已經(jīng)引起業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。

1 鉆井智能高速信息傳輸系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)際幾大石油公司都在進(jìn)行智能鉆井信息傳輸技術(shù)的研發(fā)，目前主要進(jìn)行研發(fā)的是鉆井優(yōu)化服務(wù)，其重要作用是鉆井成本控制，是決定石油和天然氣投資的關(guān)鍵因素。在鉆井成本高和鉆井事故可能發(fā)生的情況下，鉆井成本控制尤其重要。鉆井技術(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵在于減少非作業(yè)時(shí)間，諸如卡鉆、MWD/BHA失效、漏失、循環(huán)處理井眼、井壁坍塌等，即在現(xiàn)有鉆具、井隊(duì)工作人員和工程師基礎(chǔ)上，組合先進(jìn)的、可定制選擇的優(yōu)化工具，通過實(shí)時(shí)決策及數(shù)據(jù)分析來提高工作效率。智能鉆井技術(shù)基本組成如圖1所示[1]。

在產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)體系逐漸完善的同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證體系將有助于智能鉆井技術(shù)各系統(tǒng)之間的銜接，提高系統(tǒng)可操作性和可靠性，合適的標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證體系能加速智能鉆井技術(shù)的應(yīng)用推廣，從而實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展[1]。

國(guó)外主要大型石油服務(wù)公司當(dāng)前主流的鉆井優(yōu)化系統(tǒng)如下：斯倫貝謝公司的OptiDrill實(shí)時(shí)鉆井智能化系統(tǒng)、可提供多項(xiàng)參數(shù)監(jiān)測(cè)、實(shí)現(xiàn)鉆井工況評(píng)價(jià)及參數(shù)優(yōu)化；貝克休斯公司的CoPilot系統(tǒng)，測(cè)量、分析和診斷動(dòng)態(tài)鉆井過程，可預(yù)防工具突然扭斷，或是井下工具及套管的長(zhǎng)期磨損；NOV公司自動(dòng)化閉環(huán)鉆井系統(tǒng)采用井下動(dòng)態(tài)傳感器、有纜鉆桿，可實(shí)時(shí)獲取井底鉆壓、扭矩、井下振動(dòng)、黏滑、井底壓力等參數(shù)，通過鉆井決策平臺(tái)對(duì)井下動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與地面數(shù)據(jù)分析后，控制地面鉆機(jī)設(shè)備和井下控制工具自動(dòng)優(yōu)化鉆井參數(shù)，提高鉆井效率。

美國(guó)NOV閉環(huán)鉆井系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸核心是鉆井智能高速傳輸系統(tǒng)（也稱智能鉆桿系統(tǒng)），目前已經(jīng)生產(chǎn)出4in、5in、5-7/8in、6-5/8in鉆桿系列，以及4-3/4in、6-1/2in、8in鉆鋌系列，并持續(xù)開發(fā)更多尺寸的智能管柱系列。2017年，智能鉆桿在全球4個(gè)大洲，超過175口商業(yè)井中得到應(yīng)用（包括垂直井，水平井），并且實(shí)現(xiàn)多種MWD/LWD儀器以及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的連接。2021年NOV官網(wǎng)最新報(bào)道，最新一代的智能鉆桿在挪威北海地區(qū)從2016年到2020年累計(jì)開展了120口井應(yīng)用，同期在美國(guó)本土應(yīng)用80余口井，累計(jì)達(dá)到213余井次應(yīng)用，1，846，984英尺鉆井進(jìn)尺，有效工作時(shí)間91.7%（uptime），合并2014年的報(bào)道數(shù)據(jù)，共計(jì)313口井以上。NOV智能鉆桿地面系統(tǒng)如圖2所示，智能鉆桿接頭處磁感應(yīng)環(huán)如圖3所示。

1.2 國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)早在2010年左右就有多家國(guó)有企業(yè)和公司開展了相關(guān)研究，但缺乏整體規(guī)劃，進(jìn)展緩慢。中石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院孫浩玉等于2011年曾發(fā)表論文[2]，做過相關(guān)基礎(chǔ)理論研究。海隆石油工業(yè)集團(tuán)有限公司曾有報(bào)道研制電導(dǎo)通智能鉆桿樣機(jī)，采用了高溫高壓密封接頭結(jié)構(gòu)，解決了智能鉆桿在密封、絕緣等問題上存在的不足，具有耐腐蝕、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，但其成熟產(chǎn)品及商業(yè)化應(yīng)用均未見報(bào)道。中海油和海隆石油公司2022年也都有相關(guān)新技術(shù)專利授權(quán)，如CN112681985B一種基于智能鉆桿與鉆機(jī)頂驅(qū)的智能鉆井平臺(tái)，海隆石油CN2168414749U一種智能鉆桿接頭等。其他公司如嘉禾石油等也有部分專利發(fā)布，但均未見產(chǎn)品應(yīng)用報(bào)道。

除了中石油工程院鉆井信息傳輸系統(tǒng)外，尚無其他成熟產(chǎn)品。工程院高速信息傳輸系統(tǒng)與NOV智能鉆桿原理采用同樣高頻磁耦合原理，全部自主研發(fā)有纜鉆桿關(guān)鍵技術(shù)，傳輸速率100 kbps，是鉆井液脈沖或電磁波的5000多倍；可實(shí)現(xiàn)全天候鉆井，不受地層和井筒流體介質(zhì)限制；具備分布式、全井筒測(cè)量功能，可測(cè)量壓力、溫度、扭矩、鉆壓、轉(zhuǎn)速等7種分布式參數(shù)測(cè)量，有助于實(shí)時(shí)掌握井下工況、優(yōu)化工藝參數(shù)、降低非鉆井時(shí)間。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括地面系統(tǒng)、地面無線旋轉(zhuǎn)短節(jié)、井下有纜鉆具（含有纜鉆桿、有纜方鉆桿、有纜止回閥、有纜震擊器、有纜減震器等）、中繼短節(jié)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換短節(jié)等。有纜鉆桿和中繼短節(jié)實(shí)物圖如圖4～5所示。

2 鉆井智能高速信息傳輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

鉆井智能高速信息傳輸系統(tǒng)是一種井下高速傳輸全新產(chǎn)品，其核心部件涉及電子、物理、通訊、機(jī)械和鉆井等多門學(xué)科，國(guó)外目前并沒有查到該產(chǎn)品系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)公布，只有常規(guī)鉆桿產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)此類產(chǎn)品研究剛剛起步，并沒有成熟的商業(yè)化應(yīng)用產(chǎn)品，也沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有生產(chǎn)制造能力的廠商面臨沒有相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可參考，同樣具有推廣應(yīng)用困難。

2.1 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)情況

國(guó)外產(chǎn)品主要有美國(guó)NOV公司產(chǎn)品中的有纜鉆桿，已開展商業(yè)化應(yīng)用300余口井，但在ISO和API官網(wǎng)均沒有相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，只有普通鋼制鉆桿及鉆柱標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1） ISO/DIS 11961 Petroleum and natural gasindustries - Steel drill pipe 石油和天然氣工業(yè)鉆井桿用鋼管規(guī)范[3]。

（2） API美國(guó)石油學(xué)會(huì)規(guī)范SPEC 5DP鉆桿規(guī)范Drill Pipe，詳細(xì)說明了鉆桿的規(guī)格、材質(zhì)、標(biāo)識(shí)等要求[4]。

（3） RP7G 鉆柱設(shè)計(jì)和作業(yè)極限第17版[5]，DrillStem Performance Properties，對(duì)設(shè)計(jì)和選擇鉆柱元件的建議，包括對(duì)井斜角度控制、鉆井液、負(fù)荷、轉(zhuǎn)速的考慮，列出了新制和使用過的鉆桿和接頭、鉆鋌和方鉆桿的尺寸、機(jī)械特性和使用特性，并推薦了二手鉆桿、二手油管關(guān)注及鉆具接頭的一些標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)情況

國(guó)內(nèi)已有一些大學(xué)和科研院所研究智能鉆桿及生產(chǎn)技術(shù)，但均沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，只有鉆桿類標(biāo)準(zhǔn)，如SY/T 5561-2014《鉆桿》[6]，SY/T 5146-2014《加重鉆桿》[7]，SY/T 6509-2012《方鉆桿》標(biāo)準(zhǔn)等[8]。此類標(biāo)準(zhǔn)只針對(duì)常規(guī)鉆井鉆桿規(guī)格、安全性能等做出了設(shè)計(jì)，對(duì)于鉆井高速信息傳輸特殊形式鉆桿特性如信號(hào)傳輸損耗、檢測(cè)方法等不能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化目的。井下儀器類通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6702-2019《地層評(píng)價(jià)隨鉆測(cè)井系統(tǒng)技術(shù)條件》[9]，僅對(duì)井下測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)及測(cè)試方法制定了規(guī)范。

中石油工程院北京石油機(jī)械有限公司根據(jù)目前產(chǎn)品研發(fā)與制造經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了一系列產(chǎn)品制造指標(biāo)、測(cè)試方法及規(guī)范，有助于規(guī)范化設(shè)計(jì)和對(duì)外合作批量生產(chǎn)，以及進(jìn)一步推廣遙傳系統(tǒng)，該規(guī)范已形成中石油集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，規(guī)定了系統(tǒng)主要部件、結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)，為產(chǎn)品批量生產(chǎn)、規(guī)范業(yè)內(nèi)產(chǎn)品發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，系統(tǒng)的規(guī)模化發(fā)展還有待業(yè)內(nèi)進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

3 建議與展望

石油裝備研制是實(shí)現(xiàn)鉆井過程提速提效的重要環(huán)節(jié)，其標(biāo)準(zhǔn)化程度與質(zhì)量對(duì)于石油裝備技術(shù)水平及應(yīng)用效果至關(guān)重要。我國(guó)石油裝備目前與國(guó)際水平存在的較大差距就在于自動(dòng)化、智能化不足，急需廣泛開拓創(chuàng)新，大力發(fā)展此類產(chǎn)品。完善智能鉆井工藝技術(shù)、產(chǎn)品、裝備、生產(chǎn)管理、設(shè)計(jì)應(yīng)用等方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建立科學(xué)完整、層次分明、具有前瞻性的相關(guān)技術(shù)高質(zhì)量發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化體系構(gòu)建研究工作勢(shì)在必行。但目前國(guó)內(nèi)技術(shù)前瞻性不足，智能化高速大容量傳輸系統(tǒng)等核心技術(shù)研發(fā)不系統(tǒng)，新產(chǎn)品新產(chǎn)業(yè)在逐漸發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)化是組織現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要手段，作為技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化、國(guó)際化的重要手段，尤其適用于新產(chǎn)品。因此，主要建議如下：

（1） 提升石油業(yè)內(nèi)及相關(guān)行業(yè)科研創(chuàng)新能力，國(guó)外目前沒有發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)，同步推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)制定并逐步實(shí)施，可以根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)考慮團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)等靈活方式建標(biāo)；

（2） 完善產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化體系[10]，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品特點(diǎn)，盡早開展標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，提高產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化水平，推動(dòng)新產(chǎn)品研發(fā)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程；

（3） 引領(lǐng)相關(guān)行業(yè)技術(shù)協(xié)同發(fā)展，新產(chǎn)品與多學(xué)科、多專業(yè)技術(shù)相互協(xié)同工作，單一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不能實(shí)現(xiàn)全部技術(shù)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化作用，有必要將多學(xué)科技術(shù)納入標(biāo)準(zhǔn)體系，形成技術(shù)群，促進(jìn)跨學(xué)科、跨專業(yè)協(xié)同發(fā)展。

展望未來，制定鉆井信息傳輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、測(cè)試規(guī)范等，對(duì)國(guó)內(nèi)同類生產(chǎn)企業(yè)的制造產(chǎn)品加以規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，形成高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量井下高速信息傳輸產(chǎn)品系列，有效帶動(dòng)鉆井信息傳輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)批量化生產(chǎn)，在復(fù)雜深井、致密油氣藏、頁巖氣藏勘探與開發(fā)過程中發(fā)揮重要作用，為國(guó)內(nèi)智能鉆井發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

“十四五”是我國(guó)石油行業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵期，智能鉆井高速信息傳輸技術(shù)是當(dāng)前智能鉆井技術(shù)中重要的井下高速通信基礎(chǔ)，標(biāo)準(zhǔn)化工作可充分發(fā)揮提高新產(chǎn)品質(zhì)量和促進(jìn)技術(shù)推廣方面的優(yōu)勢(shì)，通過制定新產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)大相關(guān)生產(chǎn)加工廠家合作范圍，實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品分散化、批量化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，有助于提高生產(chǎn)效率，擴(kuò)大新產(chǎn)品市場(chǎng)推廣，開展聯(lián)合攻關(guān)，帶動(dòng)新技術(shù)行業(yè)進(jìn)步，提高我國(guó)高端石油裝備產(chǎn)業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力。