论智能钻井理论与技术及其发展

论智能钻井理论与技术及其发展Studyonthetheoryandtechnologyoftheintelligentdrillinganditsdevelopment第一代和第二代智能钻井的基本理论、基本技术和发展趋势。论述了基于电子钻柱的第二代智能钻井技术的优点与功能，阐述它是研发的重点和发展方向。第二代智能钻井技术的优点。基于对接式电子钻柱的智能钻井技术的主要内容和技术难点。摘要序言石油钻井存在大量非均质性、不确定性、非结构性、非数值化的难题，解决这些工程“黑箱”问题迫切需要信息技术、智能技术和当代高端科学技术。智能钻井理论与技术将迎难而进，快速发展。智能钻井概念已有较长历史。80年代应用MWD技术以来，形成了基于泥浆脉冲的随钻测量技术，。第一代智能钻井集成了现代等先进技术到石油钻井主流技术中来。智能钻井的发展第一代智能钻井技术经过近30年的积累已发展形成了第一代智能钻井技术，这是当前在用的钻井先进和主流技术之一，可能还将继续发展应用几十年。第一代智能钻井技术已经用非常有限的数据传输技术和井下电池、涡轮发电机供电的条件，取得了某些异乎寻常的成就。第一代智能钻井技术►但是MWD本身的若干弱点却成为制约智能钻井技术的致命“瓶颈”。这些问题主要是：信息上传传输速率只有10bps左右，信息延迟到达地面时间较长，MWD信息下传技术很不成熟而且形不成闭环，泥浆脉冲传输的信息量极其有限，目前最多只能同时传输7、8个信息，泥浆脉冲信息在气体（和含气泥浆）钻井时失效，不能用于气体欠平衡钻井（UBD），限制了UBD的发展与应用。这些技术问题和瓶颈弱点以及快速发展起来的LWD，PWD，GST，RST等技术因MWD的限制，必须寻求新一代井下有线传输技术。传统数据传输传输速率10bps上传参数8个下传指令3个钻井液体含气量3%不能用气体欠平衡钻井瓶颈变排量脉冲下传指令地面录井、测井GST:LWD、PWDDDSRST…[随钻井下测控技术]井下用电：电池或井下涡轮发电随钻测量参数上传现代数据传输上传速率2Mbps上传参数数十个且不受外部环境干扰第二代智能钻井技术针对上述瓶颈问题，近年先后研究了多种有线传输技术及其测控工具。目前比较成熟和开始试用的是智能电子钻柱。智能钻井应配备先进的电驱钻机和装备。智能钻井系统包括：具备遥传数据和向井下送电双重功能的智能钻柱系统，地面电源与电子监控装备和井下电控工具三大部分。第二代智能钻井技术在钻柱中嵌装植入多芯铜导线，建立起从地面向井下连续输送强电电力并同时建立起多参数双向双工闭环信息系统。第二代智能钻井技术传输速率高达1×104～2×106bps，不受钻井流体类型和性能的影响与限制，还可与局域网/因特网连接，形成井下与地面及远程控制的立体网络系统。第二代智能钻井技术创造性地实现了基于电子钻柱的第二代智能钻井技术。它在更大范围内更加全面地把石油钻井随钻实时信息的采集、传输、处理、应用提高到崭新水平。第二代智能钻井技术它还能把快速发展起来的LWD、PWD、SWD、NRWD、GST、RST、DDS等井下随钻测控工具和可与之配套的智能钻头、井下安全工具（井下防喷阀、震击器、减震降阻器等）、井下动态诊断（漏喷塌卡斜）工具、井下工程参数（p、n、t）测控工具，钻柱分布式测力短节等系列化选择性电控仪表工具，有效地集成使用第二代智能钻井技术实现随钻测控和随钻计算、贮存、随钻传输，特别是随钻建模功能，把实时数据纳入其油藏与工程模型中，有效解决技术难题和促成超越极限。底水油底油层夹层油层油顶气顶盖层标志层岩心录井岩屑录井泥浆录井综合录井钻进录井地质预告实钻深度实外剖面钻头指标(进尺-时间)/钻速钻柱(分布式)传感器测力(拉压弯扭震)DDS短节钻进液参数Q、P泵、P环、ECD(实时钻井液当量密度)钻头工作参数(井底钻压、井底转速、井底扭矩、弯矩、纵横加速度)旋转导向工具(井斜角、方位角、工具面角、井斜变化率、方位变化率)PWD(P井底孔隙压力、气体含量、气体成份、P破裂)、TºcLWD(ρ、γ、N-D、方位…)、井径、NRWR防喷阀减震器震动器推进器反循环泵近钻头测斜SWD指令电力实时信息随钻测量信号实钻三维井眼轨迹实时井下压力剖面随钻气测井底扭矩井底钻压钻速/钻时邻井、地区、井史数据库知识库专家系统管理服务系统随钻实时确定实际地质剖面实时决策待钻井段轨迹三维井轨可视化(旋转平移)随钻动态诊断井下复杂情况钻进过程优化参数调控ECD随钻井控随钻确定套管鞋位置其它塌斜漏卡卡塌硬喷漏喷ρ孔ECD密度窗口VC进尺智能钻井原理与功能示意图随钻测井井下测量系统电阻率、近钻头电阻率、自然伽马、方位密度、补尝中子密度、中子间隙度、声波井斜角、方位角、工具面角、井斜变化率、方位变化率、方位变化率等井底钻压、井底转速、井底扭矩、井底温度、井底压力、钻杆内压等地质参数轨迹参数钻进参数评价参数钻柱弯矩、钻柱振动、钻柱扭振、钻头磨损、井径、机械转速等井下数据监测A/D转换换算标定校正井下数据信号处理格式变换低频滤波付立叶变换计算转换集成平均值量化分级地面测量综合录井泥浆录井随钻动态建模随钻实时确定地质条件导向控制决策分析及可视化控制EPROM存储器（井下存储）钻井过程优化决策和智能决策随钻动态诊断与预报钻井复杂情况BHA、导向工具、钻头力学行为分析智能钻柱决策控制指令井下执行系统智能钻头导向工具电动钻具信号下传数据库知识库专家系统智能钻柱信号上传智能SOD总体结构设计ThearchitecturediagramofSODsystem第二代智能钻井技术的电子钻柱对接式电子钻柱由钻杆本体和对接式电接头组成，在钻杆本体与电接头中植入多芯的铜导线，多芯电导线在钻柱中连续贯通，它既可以从地面向井下传送强电电力又可建立双向双工闭环信息通道。三种结构感应式电子钻柱由钻杆本体和感应线圈电接头组成，它不能传送电力，只能传输信号，且由于感应线圈的发射与接收信号易衰减，不仅要加用放大器而且这种电子钻柱的可用长度（钻井深度）受限。三种结构连续软管（CT）在连续软管（CT）中植入铜（或光纤）导线，因为连续管（CT）钻井技术本身还不够成熟等原因，这种方案也不宜作为主选方案。三种结构第二代智能钻井技术的电子钻柱第二代智能钻井技术将更全面地更高水平地实现智能化、信息化、自动化钻井。在这项技术方面，我国与世界少数几个发达国家的大石油公司及石油装备管具制造公司几乎同时起步，我国能在近年取得突破并实现工程化应用，再不断完善提升，将发展成为第二代智能钻井系列化配套技术。预计第二代智能钻井技术将发展成为今后的钻井主流技术。未来智能钻井技术的其他研究方向随着世界新技术革命的深化，必将不断推动石油钻井和石油科技的更大进步。国内已有人研究并提出了基于连续管和井下智能机器人的智能钻井集成化新技术。未来智能钻井技术的其他研究方向它将集成使用电子连续管及其配套装备、高智能机器人、井下闭环电子智能控制和信息系统，微机械电子技术及其软硬件，如纳米级新型电路和纳米电子器件、纳米光纤电缆、超微电机、神经计算机、智能通信网络系统等新技术。预计这一步研究计划从起步到钻井工程应用，可能需要更长的时间，它或许可能成为未来第三代智能钻井技术。研究思路笔者认为当前智能钻井的研究路线宜在不断提升发展第一代智能钻井技术的同时，重点研发第二代智能钻井技术，以第二代智能钻井技术为重点和主体，一方面不断吸收第一代智能钻井技术的成果，另一方面随时融入第三代智能钻井技术的单项成熟技术。智能钻井的基本理论与基本技术智能钻井的基本理论是通过建立井下与地面之间的井下有供电保证的宽带闭环高速信息公路以双向双工闭环系统来解决钻井工程的“黑箱”难题，随钻监控钻井对象（地层、储层）和井下实时工况，实现准确、透明、可视、可控作业。智能钻井的基本理论智能钻井基本理论----运用黑箱理论与方法随钻实时采集、处理、决策、执行和控制闭环连续反馈、随钻智能化解决诸多不确定性难题。岩性、储层、井轨、工况不确定性，非数值化黑箱连续反馈井下采集井下执行分析处理决策与指令连续反馈下传ID下传上传IDID第一代智能钻井存在瓶颈:无线MWD跟不上快速发展的随钻测控技术传输参数少、传输速率低、下传MWD不完善、钻井液性能受限。智能钻井的基本理论与基本技术在地面用传统和现代方法建立模糊地质模型（或地质设计）和工程模型（或工程设计）的基础上，充分依据并科学利用随钻测量采集到的井下地质与工程众多实时参数（而且是有目的地设置的参数）与信息，几乎是零时差快速有效地传输到井下CPU和地面信息处理中心的计算机进行处理，形成更符合井下实况的实时智能随钻模型与实时决策技术参数。智能钻井的原理智能钻井的基本理论与基本技术再随钻快速下达各种控制井底测控执行工具的实时指令，使井下测控执行工具准确动作，再反馈信息进行第二轮测量采集，这样连续实现“测量采集——处理决策——控制执行——再测量采集——再处理决策——再控制执行……”如此连续进行，最终达到智能钻井的目标。智能钻井的原理智能钻井的基本理论与基本技术电力在井口配有强电电源和带有导电滑环结构的顶驱装置或电龙头等，通过智能钻柱向井下传输电力，电力线损耗小、发热少、对信号干扰小并满足井下测控工具用电要求。智能钻井的基本技术智能钻井的基本理论与基本技术电信传输信号线是有供电保证的宽带闭环信息通道，信号传输速率高，损耗与干扰小信号稳定。智能钻井的基本技术智能钻井的基本理论与基本技术传感测控单元在智能钻柱下部组装的随钻测井工具和各类电控智能工具中安装有各种高端电传感器，（如地层电阻率ρ、岩性特征测量探头伽玛γ、中子-密度探头N-D，声波探头S、核磁共振探头NR、地层孔隙压力传感器P、井斜角θ、方位角α和导向工具的工具面角ω，钻头井底钻压Pb、井底转数n、井底扭矩Tb、钻柱不同截面处的测力传感器等等,视钻井需求可多达30-40个传感器。智能钻井的基本技术智能钻井的基本技术这些测控工具不再用井下电池和涡轮发电机，从而缩短了工具长度，更能实现近钻头测量的效率。传感器所测量的信息通过数据有线传输法的信号线，用串行总线等方式实时传输到地面。在地面通过网络协议软件及顶驱服务器把信号分开或集成并传输到信息中心进行处理、解释、应用。智能钻井的基本技术这样，通过随钻采集并经过处理后准确得到真实的地层剖面完整资料。主要包括：地层岩性和深度、储层特性及标志层、气顶、油层、夹层、油底、底水水层等岩性及其深度、地层流体深度和流体压力、流体性质、实钻三维井身轨迹、钻柱及其各组配件与钻头的实时工况、井下钻井动态工况等。智能钻井的基本技术这些实时信息被高速传输到地面后并与地震、SWD、测井、工程录井等方法及数据库中的信息进行必要的综合分析与整合集成，运用软件对这些不同时空采集并具有不同特征（时变的与非时变的、实时的与非实时的、模糊的或确定的、相互支持或彼此冲突的等等）信息的相关关系及其融合性加以研究，解释处理得出待钻井段优化的技术参数及决策措施。智能钻井的基本技术从而发出相应的下传指令再通过智能钻柱信号线控制井下各种有关智能电控工具的执行机构，使井下每个智能执行机构及时准确地动作，甚至可在井下相关执行机构之间传送收发信号以协调与控制它们之间的动作，从而减免风险，安全可靠、准确快速、高效优质地完成智能钻井的任务，并兼收环保、节能、降低成本等综合效益。智能钻井的基本理论与基本技术智能钻柱是智能钻井的必要手段与关键技术;智能动态模型及相应软件是技术关键;高端传感器的功能与质量是关键技术;钻井是主流技术，要实现多方技术与之集成。技术关键基于对接式电接头电子钻柱的智能钻井技术国家863计划2007年度申请指南列出《动力及信号传输钻杆技术》作为目标导向专题，要求三年内完成。机遇与挑战这是重要机遇。基于对接式电接头电子钻柱的智能钻井技术正在研发的对接式电接头电子钻柱，是在钻杆本体植入多芯铜导线，并在铜导线周围敷以绝缘材料构成在钻杆内壁的环形的复合层内的电子通道。电接头是双锥体双台肩结构，由电接头的第一锥体承受力学载荷，第二锥