鄭黎明 李彥霖 張洋洋 王 宇 王云飛 王 浩 Ullah Fazl

(1.燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院 2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院)

0 引 言

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等數(shù)字化技術(shù)與自動化鉆井技術(shù)的不斷融合發(fā)展，鉆井作業(yè)逐步由自動化轉(zhuǎn)向智能化，智能鉆機已成為石油裝備研發(fā)領(lǐng)域的重點之一。智能鉆井是借助自動控制技術(shù)、微機電技術(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)。智能鉆機在無人干預(yù)條件下自動實現(xiàn)鉆井流程，將大數(shù)據(jù)、人工智能與鉆井、地質(zhì)、測井等專業(yè)進行融合，實時監(jiān)測各項地質(zhì)、工程數(shù)據(jù)，通過開展鉆井參數(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)雜事故的識別及決策與應(yīng)對，實現(xiàn)鉆井過程智能閉環(huán)控制，進而有效提升鉆井效率[1-2]。智能鉆機和智能井下執(zhí)行機構(gòu)、井下超前地質(zhì)探測、智能導(dǎo)向、井下閉環(huán)控制、智能決策等相融合，由此進一步形成具有精準(zhǔn)性、高效性與實時性的智能鉆井系統(tǒng)[3]。

國內(nèi)智能鉆機研發(fā)不斷推進，5 000、7 000及9 000 m自動化鉆機逐步面世，歷經(jīng)從單項功能設(shè)備改進到多設(shè)備并聯(lián)協(xié)同作業(yè)，再到一鍵式人機交互(威204H62 平臺，國內(nèi)首套)等發(fā)展，但多數(shù)廠家僅研制了具備某一功能的鉆井自動化設(shè)備/工具。20世紀(jì)以來，國外自動化鉆機發(fā)展相對較快，已有一些商業(yè)化應(yīng)用的自動化鉆機，如意大利的Drillmec、挪威的WEST、德國的Bauer、美國的NOV等[4]。

目前智能鉆機已在各大系統(tǒng)組成方面進行了大膽創(chuàng)新，“智能化”水平有所體現(xiàn)，在某種程度上大大減少了人力，但整體水平仍有待提升，即將自動化鉆機變?yōu)檎嬲闹悄茔@機。以下從八大系統(tǒng)的各系統(tǒng)組成及研發(fā)方面來闡明智能鉆機各系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1 智能鉆機與傳統(tǒng)鉆機的系統(tǒng)差異

1.1 起升系統(tǒng)

傳統(tǒng)鉆機起升系統(tǒng)由鉆井絞車、輔助剎車、游動系統(tǒng)、大鉤、井架及井口工具組成。它主要承擔(dān)起下鉆具、均勻送鉆、更換鉆頭、下套管與井下特殊作業(yè)等工作。一般都采用絞車式提升方式，需要人力操作或協(xié)同輔助。

現(xiàn)有智能鉆機與傳統(tǒng)鉆機的起升系統(tǒng)主要區(qū)別：前者主要改用了液壓式或齒輪齒條式提升系統(tǒng)及自動裝接鉆桿，不再配備天車、游車、絞車和鋼絲繩滑輪等，液壓式提升系統(tǒng)的井架采用柱式結(jié)構(gòu)，具有自升能力，可通過液缸的頂升來實現(xiàn)起升功能(見圖1)；齒輪齒條式提升系統(tǒng)的井架采用由桁架構(gòu)成的雙井架設(shè)計，鉆臺上不再保留手動大鉗、液壓貓頭、氣動絞車等設(shè)備。后者配備自動貓道機-立根盒或使用提前排好的立柱、自動排管機、鐵鉆工等。將兩者進行比較可知，智能鉆機設(shè)備的減少，使井架高度、鉆臺面積、底座尺寸等適當(dāng)減小，整體質(zhì)量顯著減少。

圖1 傳統(tǒng)、智能鉆機的起升系統(tǒng)主要組成對比示意圖Fig.1 Comparison of main composition of hoisting systems between traditional and intelligent rigs

例如，Drillmec自動化鉆機采用液壓式提升系統(tǒng)，采用垂直管架輸送系統(tǒng)移動預(yù)先接好并放置于立根盒框架內(nèi)的立根。海瑞克自動化鉆機采用液壓式提升系統(tǒng)，引入水平-垂直管具處理系統(tǒng)。B Robotics W公司的Genesis鉆機同樣引入液壓式提升系統(tǒng)。Bauer自動化鉆機通過垂直管架輸送系統(tǒng)來配置立根盒；Huisman自動化鉆機、NOV自動化鉆機(設(shè)有鼠洞)引入水平-垂直管具處理系統(tǒng)，兩者仍沿用絞車式提升方式。WEST公司的CMR鉆機(連續(xù)運動智能鉆機)采用齒輪齒條+雙提升系統(tǒng)，配備立根盒、排管機，接單根時允許不停泵、停鉆，可提升工作效率，實現(xiàn)連續(xù)送鉆[1]。山東科瑞機械制造有限公司的9 000 m交流變頻電驅(qū)鉆機引入管柱自動化處理系統(tǒng)(含動力雙鼠洞、鐵鉆工、立根機械手、動力二層臺等)，仍采用絞車式提升方式。寶雞石油機械有限責(zé)任公司突破“一鍵式”人機交互等多項技術(shù)，研制出7 000 m自動化鉆機[4]。2021年，Nabor公司宣稱研發(fā)了世界第一臺全自動陸地鉆機，在無現(xiàn)場作業(yè)人員手動操控情形下，首口全自動鉆井作業(yè)在美國Permian盆地實現(xiàn)，總井深6 071 m[2]。

鉆機在鉆進時采用自動送鉆，送鉆裝置在給定條件下按鉆井工藝要求自動進給，自動送鉆共有恒鉆壓、恒泵壓、恒鉆速、恒轉(zhuǎn)矩4種模式，其中恒鉆壓自動送鉆應(yīng)用更為廣范[5-8]。基于井底鉆壓的自動送鉆系統(tǒng)，當(dāng)井底鉆壓偏離地面鉆壓時，由控制器對鉆壓差值進行處理，將處理結(jié)果反饋至剎車機構(gòu)進行調(diào)整，以此形成一個控制循環(huán)，達到實時控制鉆壓的目的。

智能鉆機起升系統(tǒng)今后的主要發(fā)展方向：進一步提高自動裝接鉆桿水平與速度，落實無人化操作；進一步優(yōu)選出穩(wěn)定性好、系統(tǒng)簡潔的起升系統(tǒng)，使系統(tǒng)布局整合優(yōu)化，進而壓縮鉆機尺寸。

1.2 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

傳統(tǒng)鉆機旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括水龍頭、轉(zhuǎn)盤、鉆具或頂部驅(qū)動裝置，其中井下鉆具又涉及導(dǎo)向鉆井(隨鉆測量、井下地質(zhì)導(dǎo)向、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向)等。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)給井下鉆具提供足夠的動力與旋轉(zhuǎn)扭矩，滿足破巖需求和井下其他要求。

現(xiàn)有智能鉆機與傳統(tǒng)鉆機的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要區(qū)別(見圖2)：當(dāng)前愈發(fā)重視井下隨鉆測量與導(dǎo)向鉆進技術(shù)，引入了智能鉆桿；傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤鉆向頂驅(qū)、導(dǎo)向鉆井過渡，不再配備轉(zhuǎn)盤、方鉆桿、單獨的水龍頭。

圖2 傳統(tǒng)、智能鉆機的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要組成對比示意圖Fig.2 Comparison of main composition of rotating systems between traditional and intelligent rigs

地質(zhì)/旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)在現(xiàn)有鉆井方法中自動化程度相對最高，能有效提高鉆井質(zhì)量、效率與目的儲層鉆遇率。智能導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)配備了功能性較強的井下可調(diào)工具、井眼軌道智能優(yōu)化算法、鉆速智能優(yōu)化算法[9]，可基于隨鉆測量井軌跡、井下地質(zhì)參數(shù)，自動調(diào)整井眼軌道與鉆進，是地質(zhì)導(dǎo)向與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的下一步發(fā)展方向；目前較為先進的導(dǎo)向系統(tǒng)，如哈里伯頓的iCruise、中海油的Welleader等。地質(zhì)導(dǎo)向鉆井前探技術(shù)在隨鉆過程中可以更早獲取鉆頭附近或鉆頭前的地層數(shù)據(jù)，其中涉及近鉆頭前探技術(shù)、隨鉆地震前探技術(shù)、方位電磁波前探技術(shù)等，以此提高了地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的主動性[10]。

智能鉆桿是在常規(guī)鉆桿管體中嵌入多芯導(dǎo)線(絕緣材料包裹)的新型鉆桿，目前已研發(fā)了不同埋線方式、截面形狀、接頭密封方法的智能鉆桿。智能鉆桿面向的有線傳輸有利于在深井超深井條件下提高數(shù)據(jù)傳輸效率與穩(wěn)定性，可解決無線隨鉆傳輸(鉆井液脈沖、低頻電磁波、隨鉆聲波)存在的系列問題。

在智能鉆桿末端，作為井下智能執(zhí)行機構(gòu)的智能鉆頭，可根據(jù)指令自適應(yīng)調(diào)節(jié)。在鉆頭體的下部有一個電子系統(tǒng)密封倉，內(nèi)置計算機自動測控系統(tǒng)(包括信息監(jiān)測用傳感器、數(shù)據(jù)處理與存儲部分、電源、通信控制元件及相關(guān)測控軟件等)。目前研發(fā)形成了各種高效的智能鉆頭，如哈里伯頓的Cerebro Force鉆頭，貝克休斯的TerrAdapt自適應(yīng)鉆頭[11]。

智能鉆機旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)今后的主要發(fā)展方向：提高智能導(dǎo)向鉆進系統(tǒng)的應(yīng)用，建立多源數(shù)據(jù)智能井下感知傳感系統(tǒng)；進一步開發(fā)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)，進而提高井下信息監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸及實時處理的速率[2]；建立復(fù)雜地層巖石物理參數(shù)智能表征模型，形成地質(zhì)目標(biāo)體精細(xì)識別和超前探測技術(shù)(地震-測井-地質(zhì)-工程一體化)；加強智能鉆具的耐壓耐溫耐沖擊能力，對不同地層的結(jié)構(gòu)可自調(diào)節(jié)/自適應(yīng)[12-13]。

1.3 循環(huán)系統(tǒng)

傳統(tǒng)鉆機循環(huán)系統(tǒng)包括鉆井泵、地面管匯、鉆井液罐/池、鉆井液凈化與調(diào)配設(shè)備等，將鉆井液循環(huán)到鉆頭再將其返回地面進行清潔和再循環(huán)。

循環(huán)系統(tǒng)的智能化改進主要是實現(xiàn)配置-流動過程多參數(shù)在線監(jiān)測-收集-處理-自動灌漿等功能的自動化。如山東科瑞機械制造有限公司的9 000 m鉆機配備遠程控制液壓鉆井液防濺盒及互鎖保護，有效回收管柱中存留的鉆井液[4]；Cameron Sense公司研制了一種卸垛機器人，接收鉆井液配方作業(yè)指令后，能自行確定鉆井液添加劑類型、數(shù)量與配置；巴西石油公司研發(fā)的鉆井液性能實時測試監(jiān)控系統(tǒng)利用中樞神經(jīng)系統(tǒng)(多層感知型)對各個鉆井液在線測試儀器進行連接[14]。

自動化鉆井液凈化系統(tǒng)采用模塊化與一體化集成設(shè)計方式，既能逐步減小本身設(shè)備質(zhì)量，同時又能減少占地面積，壓縮作業(yè)時間，提升施工效率；運用PLC系統(tǒng)實現(xiàn)裝置自動控制，保證設(shè)備平穩(wěn)運行，節(jié)省大量人力資源，降低施工風(fēng)險。

循環(huán)系統(tǒng)今后的主要發(fā)展方向：優(yōu)化整合循環(huán)系統(tǒng)(主要是鉆井液凈化與調(diào)配設(shè)備)的設(shè)備組成與布置，減少設(shè)備規(guī)模與占地面積；鉆井液凈化與調(diào)配設(shè)備的自主運行穩(wěn)定性包括處理、測量(錄井)、收集鉆井巖屑的穩(wěn)定性，遇到井下復(fù)雜事故的應(yīng)急穩(wěn)定性；鉆井液被在線自動監(jiān)測后，系統(tǒng)能自動調(diào)配鉆井液；根據(jù)智能導(dǎo)向鉆進(鉆頭鉆進指標(biāo)情況)、超前探測(地層情況)的結(jié)果，及時調(diào)整鉆井泵排量。

1.4 井控系統(tǒng)

傳統(tǒng)鉆機井控系統(tǒng)包括防噴器組合及控制系統(tǒng)、井控管匯、鉆具內(nèi)放噴工具、井控監(jiān)測儀器儀表、井控鉆井液處理設(shè)備、井噴失控處理與特殊作業(yè)設(shè)備等。

智能井控系統(tǒng)目前的重點是智能控壓鉆井系統(tǒng)，其主體包括旋轉(zhuǎn)控制頭、專用控制器與傳感器及現(xiàn)有一系列井控設(shè)備等實現(xiàn)封閉可控的鉆井液返回系統(tǒng)，其核心裝備是測控裝置[15]。該系統(tǒng)主要根據(jù)井筒數(shù)據(jù)自動識別井下工況，并智能調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度，將井底壓力控制在所需要的范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)鉆井過程中井內(nèi)壓力的智能控制，防止地層的流體進入井筒，帶來井涌、井漏、坍塌及卡鉆等風(fēng)險，可在鉆進安全密度窗口較窄的地層使用。

斯倫貝謝公司研發(fā)的動態(tài)環(huán)空壓力控制(DAPC)系統(tǒng)，把井場設(shè)備連接為一個整體，通過高速網(wǎng)絡(luò)，用流量自動調(diào)節(jié)回壓。威德福公司的MicrofluxTM 控制系統(tǒng)，可以通過傳感器和節(jié)流控制裝置檢測鉆井液進出口壓力的微小變化并快速改變井口回壓。威德福公司發(fā)布的新一代智能控壓鉆井系統(tǒng)Victus成功應(yīng)用在幾千次鉆井作業(yè)中[16]。哈里伯頓公司推出的控制壓力鉆井(MPD)系統(tǒng)改進了循環(huán)泵，使回壓更加穩(wěn)定，通過鉆井液返出井口及回壓泵入口的流量計，實現(xiàn)鉆井液循環(huán)系統(tǒng)出入口流量差和壓力差的精確測量與分析，能檢測井下溢流、漏失[17]。中國石油集團研制的精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)(PCDS)集恒定井底壓力控制與微流量控制于一體，可實現(xiàn)欠/近/過平衡精細(xì)控壓鉆井。中國石化基于西北油田復(fù)雜地質(zhì)特征，通過優(yōu)選監(jiān)測參數(shù)和完善判斷規(guī)則，建立了溢流預(yù)警模型，有效提高了溢流事件的判別效率[18]。

井控系統(tǒng)今后的主要發(fā)展方向：研發(fā)鉆井液環(huán)空壓力監(jiān)測裝置，將其分布安裝在鉆柱上，由此實現(xiàn)沿鉆柱的環(huán)空流動參數(shù)的實時監(jiān)測，達到及時發(fā)現(xiàn)并鎖定漏失層位的目的，為鉆井井漏監(jiān)測及科學(xué)、高效堵漏提供指導(dǎo)；結(jié)合大數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化升級智能井控系統(tǒng)，更加高效開展井侵風(fēng)險檢測與報警，可與其他系統(tǒng)進行協(xié)同工作。

1.5 控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)鉆機控制系統(tǒng)包括控制機構(gòu)、傳輸管線與閥門、執(zhí)行機構(gòu)、壓氣機、傳感器及儀表等。為指揮各機組協(xié)調(diào)地進行工作，整套鉆機配備有各種控制裝置，具體為：機械控制、氣控、電控、液控和電、氣、液混合控制，機械驅(qū)動鉆機普遍采用集中氣控。傳統(tǒng)鉆機控制系統(tǒng)布局繁多、復(fù)雜，鉆進過程中依賴司鉆人工控制，需要注意力高度集中，勞動強度大，人為影響因素較大且需憑經(jīng)驗操作。

智能鉆機(計算機集成)控制系統(tǒng)是整個智能鉆機的大腦，能對各種復(fù)雜工況、運行狀態(tài)、操作對象的異常變化等進行實時識別、邏輯分析及決策，進而實現(xiàn)鉆井施工的精準(zhǔn)閉環(huán)控制，同時能與鉆井、地質(zhì)和測井等專業(yè)大數(shù)據(jù)進行充分融合，提高鉆井質(zhì)量與效率，降低司鉆工人的勞動強度，降低鉆井成本。它是以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，集測控技術(shù)、適用性、精確性于一體的高精度自動控制系統(tǒng)，由于將一系列的電子元件聯(lián)接起來，并且使它們彼此實現(xiàn)溝通，故具有良好的人機界面。根據(jù)鉆井作業(yè)工序、類型，智能鉆機的控制系統(tǒng)進一步向智能導(dǎo)向、智能控壓、智能監(jiān)控、智能決策等延伸。當(dāng)然，因智能鉆機自動化程度高、涉及控制模塊多，需要提前進行大量培訓(xùn)[19-20]。

智能鉆機控制系統(tǒng)可分成3層結(jié)構(gòu)：底層是執(zhí)行機構(gòu)與監(jiān)測機構(gòu)；中間層是由若干個以單個獨立設(shè)備為單元組成的控制站，能夠獨立完成一或多項任務(wù)；頂層是鉆機集成監(jiān)控與智能決策系統(tǒng)[21]。

智能鉆井的底層執(zhí)行機構(gòu)屬于閉環(huán)控制模塊(包括數(shù)字閉環(huán)控制器、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、鉆頭等部分)；其中數(shù)字閉環(huán)控制器，是軌道執(zhí)行與鉆進策略的“中樞”，能把鉆進參數(shù)組模式信號傳輸?shù)骄畧鲎詣鱼@機，鉆機根據(jù)接收信號來調(diào)整鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓、排量等參數(shù)，以合理調(diào)節(jié)鉆速[21]。

中間層控制系統(tǒng)方面不斷進行集成，實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)[22]。例如，寶雞石油機械有限責(zé)任公司應(yīng)用“一鍵多能，多鍵協(xié)作”的理念可以實現(xiàn)鉆機所有關(guān)鍵設(shè)備的集中控制與監(jiān)視，通過采用可編程控制技術(shù)、控制系統(tǒng)冗余容錯機制、設(shè)備安全急停技術(shù)、多設(shè)備運動防碰技術(shù)等，將鉆機變頻系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、頂驅(qū)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、管柱處理系統(tǒng)等組成集成控制系統(tǒng)，以完成雙司鉆集成控制平臺開發(fā)[4]。

智能鉆井的智能決策模塊是控制系統(tǒng)的“大腦”，包括預(yù)設(shè)軌道參數(shù)、預(yù)設(shè)鉆進參數(shù)、參數(shù)智能反演、軌道鉆進參數(shù)智能修正等4部分。該模塊依據(jù)獲取的信息和先驗知識輸入AI預(yù)測模型進行決策判斷，結(jié)合預(yù)測結(jié)果對軌道、鉆進策略進行智能修正[21]。

挪威AKER MH公司的Drillview系統(tǒng)、美國NOV 公司的Cyberbase系統(tǒng)、AXON公司的RigScope系統(tǒng)、CAMERON公司的OnTrack系統(tǒng)、JELEC 公司的DID系統(tǒng)等為目前較為先進的集成控制系統(tǒng)的典型代表[23]。我國設(shè)計的idriller控制系統(tǒng)[24]，借助后臺軟件系統(tǒng)，利用一體化座椅實現(xiàn)鉆井液泵、鐵鉆工、絞車、頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤等設(shè)備的操控，將多種常規(guī)機械式顯示表盤/屏幕等集成在一體化化座椅前端顯示屏內(nèi)，實現(xiàn)了所有鉆機子系統(tǒng)操作終端的集成化、統(tǒng)一化、人性化設(shè)計；此外，還配備了多級急停安全機制，并行運動防碰及軌跡規(guī)劃功能等。

智能控制系統(tǒng)今后的主要發(fā)展方向：進一步推動石油鉆機控制系統(tǒng)制度化、規(guī)范化、自動化的發(fā)展；針對不同的石油鉆機，進行方向差異化的自動化改造；落實鉆機各單元的集成控制與有效整合，實現(xiàn)“一鍵多能，多鍵協(xié)作”操作；對司鉆房集成控制室進行布局、功能優(yōu)化，解決司鉆操作臺布局混亂、風(fēng)格不統(tǒng)一的問題，減輕司鉆工作強度和壓力[25-26]。

1.6 動力與傳動系統(tǒng)

傳統(tǒng)鉆機動力與傳動系統(tǒng)包括動力提供設(shè)備(柴油機或電動機)、傳導(dǎo)設(shè)備(聯(lián)軸器、離合器、變速箱、皮帶傳動及鏈條傳動等)。傳動系統(tǒng)是將動力機和各工作機聯(lián)系起來，將動力和運動傳遞并分配給各工作機，供給鉆井時需要的扭矩、鉆壓、轉(zhuǎn)速及泵壓；該系統(tǒng)涉及動力及其控制系統(tǒng)、電氣傳動自動化控制系統(tǒng)、配電控制系統(tǒng)等。

經(jīng)過40余年的發(fā)展，我國已開發(fā)了機械傳動、直流電傳動、交流變頻電傳動、機電復(fù)合傳動及交/直流電復(fù)合傳動鉆機。交流變頻電傳動鉆機代表了我國石油鉆機技術(shù)的最高水平。傳動系統(tǒng)中引入功率限制控制器PLS長期監(jiān)視柴油機功率和發(fā)電機功率，引入鉆井液泵同步控制器SPS控制多臺鉆井液泵同步并使泵壓脈動大幅度降低[27]。

現(xiàn)代動力及其控制系統(tǒng)具有現(xiàn)場總線通信功能，增強了將傳動系統(tǒng)與配電系統(tǒng)一起接入能量管理系統(tǒng)、上級自動化系統(tǒng)的可能性。對于直流鉆機電氣傳動自動化控制系統(tǒng)，多臺交流柴油發(fā)電機組并網(wǎng)后，通過晶閘管移相控制實現(xiàn)直流電動機的轉(zhuǎn)速控制；因串勵電機啟動扭矩大、過載能力強，電動機多采用串勵電動機，各調(diào)速控制柜通過 PROFIBUS-DP 總線和PLC以及上位機形成網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，工況監(jiān)視，調(diào)速系統(tǒng)一般采用電流環(huán)、速度環(huán)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。對于交流電氣傳動自動化控制系統(tǒng)而言，多臺柴油發(fā)電機組并網(wǎng)后，一般多用交-直-交電壓型變頻器實現(xiàn)交流電動機的轉(zhuǎn)速控制；電動機采用交流異步變頻電動機，調(diào)速系統(tǒng)大多采用矢量控制，也有采用轉(zhuǎn)矩控制，如ABB變頻器多用轉(zhuǎn)矩控制。配電控制系統(tǒng)目前以馬達控制中心為基本單元，采用抽屜式結(jié)構(gòu)，有集中、就地2種操作方式；國外已將二次回路帶串口或具有現(xiàn)場總線通信功能的電力監(jiān)控儀表用在馬達控制中心系統(tǒng)，從而與動力及其控制系統(tǒng)、電氣傳動自動化控制系統(tǒng)一起構(gòu)成完整的自動化網(wǎng)絡(luò)[28]。

智能動力與傳動系統(tǒng)今后的主要發(fā)展方向：廣泛應(yīng)用電氣傳動和自動化領(lǐng)域最新科技成果，模擬人工智能，結(jié)合經(jīng)驗(包括鉆井專家、現(xiàn)場技術(shù)人員和富有經(jīng)驗操作者等)和知識(鉆井的基本要求、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和仿真模型等)進行在線運算，完成鉆井全過程的智能化、集成化、模塊化傳動系統(tǒng)控制。

1.7 鉆機底座

傳統(tǒng)鉆機底座既是整個鉆機的基礎(chǔ)，又是其重要組成部分。它用于安裝有關(guān)鉆機部件，保證各部件之間的相對位置和安裝尺寸，提供鉆井工人的操作場所，充當(dāng)各部件和地基基礎(chǔ)之間的中間支撐物，提供鉆臺面和井口之間的高度空間。底座按結(jié)構(gòu)型式和起升方式可分為箱塊式、旋升式、雙升式、升舉式底座；按移運方式又可分為拖掛式、托撬式、軌道移動式底座[29]。

目前鉆機底座研發(fā)與應(yīng)用涉及輕型鉆機車裝化、自升式底座、液壓平移等。國內(nèi)9 000 m鉆機多通過滑移裝置或行走裝置實現(xiàn)短距離移動，大噸位整體移運系統(tǒng)的研制使拖掛技術(shù)從7 000 m鉆機應(yīng)用至9 000 m鉆機[4]。底座與鉆機井架的快速移運技術(shù)包括底座高位整拖(短距離場內(nèi)移運，不宜超過50 m)、底座低位整拖(同油區(qū)跨井場移運，不宜超過1 km)、井架與底座分體拖運(不同油區(qū)井場移運)、底座拆分拖運(中長途移運)。底座可配置安全攀爬的轉(zhuǎn)梯架，以及地面直達鉆臺面的載人電梯[30]。

智能鉆機底座今后的主要發(fā)展方向：提高井架底座的安全可靠性，發(fā)展適應(yīng)井控系統(tǒng)高度需求、高度可調(diào)整的底座，降低底座生產(chǎn)成本，且方便拆裝、搬遷。

1.8 輔助系統(tǒng)

傳統(tǒng)鉆機輔助系統(tǒng)包括井場供氣設(shè)備、供水設(shè)備、保溫設(shè)備、鉆鼠洞設(shè)備、輔助發(fā)電設(shè)備、輔助起重設(shè)備及井下事故處理設(shè)備等。

目前對鉆機外圍輔助設(shè)備的自動化研究相對比較少，例如發(fā)電機房降噪設(shè)計，傳感器/機器人危險檢測與報警，工作生活環(huán)境舒適度提高等方面。一些輔助系統(tǒng)設(shè)備屬于獨立性部件，不便對其進行頻繁拆除、安裝、運輸?shù)取?/p>

今后的主要發(fā)展方向：在開展智能鉆機其他系統(tǒng)研發(fā)過程中，對外圍輔助設(shè)備進行同步優(yōu)化設(shè)計，以便實現(xiàn)配套使用。

結(jié)合鉆機不同系統(tǒng)組成的發(fā)展現(xiàn)狀，起升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)(尤其是井下部分)、控制系統(tǒng)、井控系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)是目前智能鉆機信息化改造的重點，具體表現(xiàn)為：系統(tǒng)組成變化大、結(jié)構(gòu)布局集成化與人性化，自動化控制與傳動愈發(fā)深入；循環(huán)系統(tǒng)、鉆機底座、輔助系統(tǒng)的部分設(shè)備在某些方面仍具有智能化改進空間。

2 智能鉆機的發(fā)展趨勢

關(guān)于智能鉆機的發(fā)展趨勢，大量研究人員給出了相關(guān)認(rèn)識，如框架規(guī)劃與標(biāo)準(zhǔn)體系、自動控制系統(tǒng)、鉆井智能決策分析系統(tǒng)、智能鉆井一體化技術(shù)的研發(fā)，數(shù)據(jù)實時測量技術(shù)、信息高速傳輸技術(shù)的融合與發(fā)展，開發(fā)鉆機故障診斷、排除及鉆井參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以及鉆井復(fù)雜情況識別及決策的控制算法與軟件等。筆者在總結(jié)、豐富相關(guān)認(rèn)識的基礎(chǔ)上，認(rèn)為智能鉆機整體的發(fā)展趨勢如下。

(1)鉆機的信息化。構(gòu)建和完善智能鉆井所需的系統(tǒng)整體架構(gòu)和統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，使地面與井下各子系統(tǒng)、不同公司鉆井設(shè)備系統(tǒng)實現(xiàn)在智能鉆井平臺上的通用性和操作互換性；在參考國際通用標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上[2，14]，信息化方面應(yīng)重視建立中國特色和中國標(biāo)準(zhǔn)。進一步開發(fā)鉆機應(yīng)用軟件，代碼編制、程序開發(fā)/接入，考慮統(tǒng)一性或可兼容性，接口、采集、數(shù)據(jù)、圖件、轉(zhuǎn)化等符合油田信息化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。引入人工智能、自動化、快速數(shù)據(jù)分析、5G等方面的最新技術(shù)，提升數(shù)據(jù)采集-分析-反饋的能力，加強設(shè)備的人機交互協(xié)作或自學(xué)習(xí)、自運行能力，向鉆機的智能化、智慧化運行方向發(fā)展。

(2)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化。構(gòu)建從地面到井下更加全面的傳感器網(wǎng)絡(luò)，從鉆頭到地面設(shè)備、從司鉆到遠程實時作業(yè)中心等所有鉆井過程實現(xiàn)數(shù)字化整合。對鉆機鉆進、井下復(fù)雜事故處理等作業(yè)步驟進行梳理，形成更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、易于機器運行、可代碼編制的流程。人員(交互)作業(yè)有章可循，操作更加規(guī)范、人性，標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)自動開展或快速響應(yīng)提示。

(3)系統(tǒng)集成創(chuàng)新。智能鉆機多系統(tǒng)、大規(guī)模集成研發(fā)，不再局限于對部分工具的自動化。結(jié)合現(xiàn)有各種智能鉆機的特征與優(yōu)勢，開展不同自動化組件的系統(tǒng)/設(shè)備集成；引入創(chuàng)新思維科學(xué)方面的方法，對現(xiàn)有智能鉆機未涉及的系統(tǒng)/設(shè)備進行改造，進一步提高自動化水平；建設(shè)融合“群智慧”策略的智能鉆井技術(shù)構(gòu)架，提供平臺多井同鉆/井工廠作業(yè)時鉆井參數(shù)/方案的“個體最優(yōu)解”學(xué)習(xí)[2]；進行面向不同作業(yè)環(huán)境的自動化設(shè)備研制與集成。

(4)運轉(zhuǎn)高效化。隨著故障分析和故障診斷技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和系統(tǒng)自適應(yīng)控制技術(shù)等的發(fā)展，自動化設(shè)備運行效率與穩(wěn)定性也應(yīng)不斷提高，尤其是突發(fā)設(shè)備故障、井下復(fù)雜事故的自我修復(fù)穩(wěn)定性，應(yīng)研發(fā)功能完善、轉(zhuǎn)換快速、運行可靠、成本經(jīng)濟的各種設(shè)備和工具，以適應(yīng)復(fù)雜作業(yè)環(huán)境與地質(zhì)環(huán)境。

(5)實時井下反饋。除了提升地面設(shè)備自動化、智能化水平，還應(yīng)進一步提升智能鉆柱、智能鉆頭、智能導(dǎo)向等井下設(shè)備與技術(shù)應(yīng)用效果，增強對井下流體/鉆具狀態(tài)監(jiān)測、井下鉆進參數(shù)、地層信息等的傳輸與自反饋能力，實現(xiàn)多個復(fù)雜層位“一趟鉆”，減少井下復(fù)雜事故的發(fā)生概率。

(6)作業(yè)的無/少人化。進一步降低對人的操作需求，重點圍繞高危環(huán)節(jié)減少人員值守、增加無人化工作區(qū)域面積，引入機器人/傳感器代替人力完成作業(yè)任務(wù)[1-3]；隨著高速信息傳輸、遠程實時分析等技術(shù)的不斷進步，設(shè)備運行逐步向遠程實時控制操作方向發(fā)展，由此可進一步降低人員作業(yè)的潛在風(fēng)險。

3 智能鉆機的系統(tǒng)裝備發(fā)展建議

通過現(xiàn)場智能控制平臺聯(lián)系地面、井下方式的智能化，智能鉆井構(gòu)建形成一個現(xiàn)場的閉環(huán)控制；現(xiàn)場智能鉆井又與遠程實時智能控制中心進一步形成現(xiàn)場+遠程的大閉環(huán)控制[31]。對現(xiàn)場閉環(huán)控制的智能鉆機而言，需進一步將信息化技術(shù)融合進智能鉆機各個設(shè)備，進而推動自動化鉆機從部分無人化走向全面無人化的全自動智能鉆機。筆者在結(jié)合智能鉆機現(xiàn)有研發(fā)成果與發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，給出如下智能鉆機系統(tǒng)裝備組成的設(shè)計思路。

3.1 智能連續(xù)管鉆機

目前，被眾多研究人員認(rèn)為未來有可能實現(xiàn)全自動智能鉆機愿景的是連續(xù)管鉆機，而且目前國內(nèi)外已研制了部分型號；其將連續(xù)管鉆井方式與頂驅(qū)/導(dǎo)向鉆具相結(jié)合，通過(有纜)連續(xù)管向井下供電并驅(qū)動井下鉆頭鉆進，具備連續(xù)起下鉆、連續(xù)循環(huán)功能，可同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速、大容量、雙向傳輸。

LZ900/73-3500型連續(xù)管復(fù)合鉆機地面設(shè)備部分包括滾筒車、井架車、鉆臺總成、司鉆房和井控系統(tǒng)5部分[32]。其中：注入頭是連續(xù)管復(fù)合鉆機最為核心的關(guān)鍵部件，滿足提升力需要大規(guī)格注入頭，實施連續(xù)管鉆井時，注入頭主要用于起下連續(xù)管和井下鉆具組合；注入頭亦設(shè)置多種傳感器，用于檢測鉆壓、下入長度、起下速度及鉆速等。

對于井下設(shè)備部分，由于考慮鉆定向井時連續(xù)管不可旋轉(zhuǎn)，因此不建議設(shè)置頂驅(qū)(見圖3)，其連續(xù)管鉆井的井下鉆具組合BHA和傳統(tǒng)的井下工具也有所不同，連續(xù)管的主要作用包括為井下鉆井作業(yè)提供動力、測量鉆井參數(shù)并反饋至地面、調(diào)整鉆頭工具面以保證井眼軌跡等。例如：在國外貝克休斯公司研制的CoilTrak系統(tǒng)中，連續(xù)管鉆井的井下鉆具組合BHA包括連續(xù)管、變徑接頭、安全丟手、轉(zhuǎn)向器(核心部件)、MWD、容積式馬達和鉆頭等專用工具；WWT公司發(fā)明的井下機器人直徑120 mm，長度6.9 m，牽引力可達65 770 N；劉清友等提出了主動螺旋驅(qū)動輪式井下鉆井機器人結(jié)構(gòu)方案，通過采用自鎖支撐原理，研制了雙斜塊大牽引力連續(xù)管鉆井機器人，并進行了持續(xù)改進[2，32-33]。

圖3 連續(xù)管鉆機功能模型圖Fig.3 Functional model of coiled tubing rig

筆者給出了連續(xù)管鉆機設(shè)想的功能模型圖(見圖3)，該模型是對目前各系統(tǒng)智能化進展的集成。其作用對象為巖石，功能為破碎巖石，巖石對應(yīng)的第一層級是智能鉆頭，智能鉆頭進一步分別連接前探技術(shù)設(shè)備、導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、智能井控設(shè)備、連續(xù)管與滾筒車；動力與傳動系統(tǒng)分別驅(qū)動起升系統(tǒng)、滾筒車、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)凈化與調(diào)配裝置及井控系統(tǒng)；考慮連續(xù)管內(nèi)部鉆井液注入需求，在連續(xù)管與循環(huán)系統(tǒng)間添加一個注入短節(jié)；因起升系統(tǒng)需要仍添加了底座、輔助系統(tǒng)；控制系統(tǒng)對其他系統(tǒng)均進行智能化連接。對于該系統(tǒng)而言，有害之處主要是巖石帶來的智能鉆頭磨損、鉆井液污染，需要將含巖屑的鉆井液舉升至地面并進行處理，智能鉆頭需要考慮自調(diào)節(jié)或一次下鉆性能。

3.2 智能連續(xù)管鉆機的裁剪

圖3中的連續(xù)管鉆機雖然考慮了目前主流系統(tǒng)及設(shè)備的發(fā)展，但依然需要引入很多設(shè)備、系統(tǒng)，增加了鉆機復(fù)雜性、成本與占地面積。基于創(chuàng)新思維方法功能分析與裁剪，相當(dāng)多設(shè)備對于破碎巖石、形成孔道、排除巖屑這些基本功能都是對上一級功能的補充(屬于因果功能)，對于鉆機的這些基本功能是可以考慮裁剪的(見圖4)。具體裁剪原則如下。

圖4 連續(xù)管鉆機功能模型裁剪Fig.4 Functional model cropping of coiled tubing rig

(1)考慮鉆頭磨損與更換需求，智能鉆頭仍是必須的部分。

(2)對于井下控壓鉆井設(shè)備、導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、前探技術(shù)設(shè)備而言，隨著智能化、機械自動化等的改進，考慮該部分井下鉆具組合BHA進行充分集成，并進一步減小尺寸；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向配置大功率電驅(qū)動馬達(與后續(xù)電纜連接)或氣驅(qū)動馬達(與后續(xù)注氣管線設(shè)置連接)。

(3)連續(xù)管管柱耗材多、質(zhì)量大，涉及復(fù)雜的管內(nèi)外循環(huán)鉆井液，對此可以考慮通過其他功能進行替換。例如：鉆井液舉升巖屑可以借鑒采油工程的多級氣舉工藝，通過氣泵、注氣管線實現(xiàn)；注氣管線可以采用現(xiàn)有小孔徑、耐高壓鋼制管線，以有效降低管線質(zhì)量，且使之與鋼絲繩+電纜(起下、連接井下鉆具組合BHA)進行集成，從而有效替代智能連續(xù)管/智能鉆桿。

(4)新型注入管線與巖屑舉升工藝會引起鉆機多方面變化：鉆井液不再需要形成循環(huán)，只需要自動灌漿，這對鉆井液類型、性能持續(xù)性(適應(yīng)不同地層、密度相對大、能長時間舉升巖屑)提出了挑戰(zhàn)；起升系統(tǒng)(以及支撐用底座)、鉆井液注入短節(jié)、頂驅(qū)均不需要再設(shè)置，極大地降低了鉆機整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜性；井控系統(tǒng)與注入管線需要在地面實行有效密封。

(5)動力與傳動系統(tǒng)的驅(qū)動對象明顯減少，可以降低功率需求；為防止井侵事故，地面井控系統(tǒng)亦屬于必須組成部分；控制系統(tǒng)更加緊密監(jiān)測井下鉆進過程，并進行智能化信息反饋；輔助系統(tǒng)可根據(jù)新的鉆機結(jié)構(gòu)和工具需求改變配套設(shè)備。

整體而言，裁剪后新鉆機設(shè)計理念為：更加重視井下鉆進這一核心部分，通過改進巖屑舉升方式，考慮中間信息傳輸與工具提升效果，極大簡化地面鉆機布局與復(fù)雜結(jié)構(gòu)，達到削減鉆機成本的目的。

4 結(jié) 論

(1)智能鉆井與傳統(tǒng)鉆機在系統(tǒng)組成方面存在明顯差異，控制系統(tǒng)是智能鉆機的大腦，起升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動力與傳動系統(tǒng)是信息化、智能化改造的重點，鉆機底座與輔助系統(tǒng)改造相對較少；針對智能鉆機當(dāng)前進展，鉆機的信息化、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)集成創(chuàng)新、運行高效化、實時井下反饋、作業(yè)的無/少人化等仍是智能鉆機研發(fā)的重要發(fā)展方向。

(2)對于未來有可能實現(xiàn)全自動智能鉆機愿景的連續(xù)管鉆機，結(jié)合智能鉆機各個系統(tǒng)現(xiàn)有進展集成，給出了連續(xù)管鉆機系統(tǒng)的組成與功能模型圖；基于功能裁剪方法，提出了側(cè)重基礎(chǔ)功能與結(jié)構(gòu)簡化的連續(xù)管智能鉆機方案。