煤炭與油氣開(kāi)采智能化關(guān)鍵工程技術(shù)、裝備 與材料

煤炭與油氣開(kāi)采智能化關(guān)鍵工程技術(shù)、裝備與材料概念闡述智能開(kāi)采始于20世紀(jì)八九十年代的自動(dòng)采礦技術(shù)(Automatedmining)和遙控采礦技術(shù)(Telemining/Distancemining)，1992年芬蘭提出智能礦山(Intellimine)計(jì)劃，煤炭智能開(kāi)采的概念基本確定。當(dāng)前我國(guó)老油田、非常規(guī)、深層、深水等油氣勘探開(kāi)發(fā)亟需利用智能化裝備與材料，對(duì)油氣田生產(chǎn)動(dòng)態(tài)進(jìn)行智能調(diào)控，以降低開(kāi)發(fā)成本、提高油氣產(chǎn)量和采收率。智能開(kāi)采是指在不需要人工直接干預(yù)的情況下，通過(guò)開(kāi)采環(huán)境的智能感知、開(kāi)采裝備的智能調(diào)控、開(kāi)采作業(yè)的自主巡航，由開(kāi)采裝備獨(dú)立完成的回采作業(yè)過(guò)程。煤炭與油氣的智能化開(kāi)采是在機(jī)械化開(kāi)采、自動(dòng)化開(kāi)采的基礎(chǔ)上，通過(guò)信息化與工業(yè)化的深度融合提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的革命性技術(shù)。各前沿分支工程科學(xué)煤炭智能開(kāi)采關(guān)鍵工程技術(shù)、裝備與材料。它是環(huán)境感知、智能決策、自動(dòng)控制三個(gè)技術(shù)單元的深度整合，涉及工程環(huán)境感知、數(shù)字礦山、礦山物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)云計(jì)算、裝備控制自動(dòng)化五個(gè)分支。工程環(huán)境感知是針對(duì)井下設(shè)備、人員和災(zāi)害三個(gè)方面的自動(dòng)探測(cè)與傳輸技術(shù)，旨在解決復(fù)雜地質(zhì)條件下采煤作業(yè)全過(guò)程監(jiān)控自動(dòng)化與精細(xì)化問(wèn)題。澳大利亞側(cè)重于以熱紅外成像為基礎(chǔ)的煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)智能探測(cè)；中國(guó)聚焦于采煤裝備位置與姿態(tài)的智能探測(cè)。我國(guó)智能開(kāi)采裝備水平與國(guó)外相當(dāng)，具有采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)、機(jī)器故障參數(shù)、機(jī)器姿態(tài)參數(shù)等在線感知能力，具有采煤機(jī)截割滾筒記憶截割、機(jī)載無(wú)線收發(fā)信號(hào)功能，能夠構(gòu)建采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。國(guó)外主流電液控制液壓支架可完成綜采工作面設(shè)備遠(yuǎn)程控制和系統(tǒng)故障診斷等功能，國(guó)內(nèi)液壓支架電液控制系統(tǒng)可靠性仍與國(guó)外技術(shù)存在一定差距。目前，我國(guó)自主研發(fā)的刮板輸送機(jī)智能化主要體現(xiàn)為軟啟動(dòng)控制、刮板鏈自動(dòng)張緊和運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)技術(shù)。綜采工作面智能化集成系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)綜采工作面采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)、組合開(kāi)關(guān)、移動(dòng)變電站等設(shè)備的智能化集成控制及協(xié)同互鎖，在一些煤礦應(yīng)用之后實(shí)現(xiàn)了綜采工作面自動(dòng)化和少人化。裝備控制自動(dòng)化是指在不需要人工直接干預(yù)情況下，采掘裝備通過(guò)預(yù)編程序?qū)崿F(xiàn)自主調(diào)控、采掘作業(yè)的自主巡航，由采掘裝備獨(dú)立完成的回采作業(yè)。澳大利亞重點(diǎn)發(fā)展采煤機(jī)的記憶割煤與自主導(dǎo)航技術(shù)，中國(guó)聚焦于井下采掘裝備遠(yuǎn)程遙控技術(shù)。2）數(shù)字礦山與礦山物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵工程技術(shù)、裝備與材料。它是以礦山空間數(shù)據(jù)與模型為中心，是空間信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及可視化技術(shù)在礦山企業(yè)綜合應(yīng)用的集中體現(xiàn)，其基本任務(wù)是通過(guò)統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一集成平臺(tái)，為礦山生產(chǎn)全過(guò)程的可視化、精細(xì)化、智能化管控提供數(shù)據(jù)保障與技術(shù)支持。數(shù)字礦山未來(lái)的主攻方向?yàn)椋旱V山空間數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)與數(shù)據(jù)更新技術(shù)、礦山數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)技術(shù)、真3D實(shí)體建模與虛擬采礦技術(shù)。礦山物聯(lián)網(wǎng)由感知層、傳輸層、分析層和應(yīng)用層組成，依托覆蓋礦山井上井下的高速網(wǎng)絡(luò)建設(shè)礦山傳感網(wǎng)，通過(guò)多種傳感器將礦山環(huán)境、設(shè)備及人員實(shí)時(shí)聯(lián)接起來(lái)，對(duì)礦山災(zāi)害環(huán)境、設(shè)備健康狀況、人員安全態(tài)勢(shì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知、交流與控制。礦山物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)為：多網(wǎng)融合傳輸技術(shù)、多參量信息分析處理技術(shù)。隨著礦山物聯(lián)網(wǎng)覆蓋的范圍越來(lái)越廣，“人、機(jī)、物”三元世界在信息空間中交互、融合所產(chǎn)生并在互聯(lián)網(wǎng)上可獲得的數(shù)據(jù)也越來(lái)越大，這些數(shù)據(jù)的內(nèi)在價(jià)值的提取和利用需要用超大規(guī)模、高可擴(kuò)展的云計(jì)算技術(shù)來(lái)支撐。煤礦大數(shù)據(jù)云計(jì)算技術(shù)尚處于起步階段，需要在統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)建模兩方面著力發(fā)展。3）智能化鉆井關(guān)鍵工程技術(shù)、裝備與材料。智能化鉆井通過(guò)結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等，利用超前探測(cè)、閉環(huán)調(diào)控、精準(zhǔn)制導(dǎo)，可有效規(guī)避鉆井風(fēng)險(xiǎn)，形成高質(zhì)量井眼，提高鉆井速度、鉆遇率，降低鉆井成本，是保證完井、生產(chǎn)順利開(kāi)展的基礎(chǔ)。智能化鉆井需要基于鉆井過(guò)程大數(shù)據(jù)，通過(guò)分析實(shí)時(shí)工況，對(duì)鉆井破巖參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化，智能調(diào)控井眼軌跡。其中智能化鉆井關(guān)鍵工程技術(shù)主要涉及數(shù)據(jù)雙向高效傳輸技術(shù)、閉環(huán)智能調(diào)控技術(shù)、鉆井智能導(dǎo)向技術(shù)。鉆井過(guò)程會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，為了確保地面控制系統(tǒng)與井下信息的動(dòng)態(tài)交互，需要利用智能鉆桿等裝備進(jìn)行更高效的數(shù)據(jù)傳輸。利用對(duì)鉆井?dāng)?shù)據(jù)的智能分析，通過(guò)信號(hào)反饋，優(yōu)化鉆井參數(shù)，形成鉆井信息閉環(huán)調(diào)控，顯著提高了鉆井?dāng)?shù)據(jù)處理效率，具體涉及無(wú)人化鉆臺(tái)、智能控壓、一體化司鉆控制等裝備。智能導(dǎo)向是根據(jù)地層條件與地面控制指令，控制鉆頭鉆速進(jìn)行靶點(diǎn)定向鉆進(jìn)，具體涉及智能鉆頭等裝備。為了提高復(fù)雜條件下工具性能，碳纖維復(fù)合材料、高熵合金、超級(jí)鋼、純相多晶金剛石等材料受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。同時(shí)，仿生鉆井液、超分子聚合物鉆井液等作為井眼鉆進(jìn)與順利進(jìn)行的重要載體在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛研究。當(dāng)前，挪威已將高度靈活、可執(zhí)行多任務(wù)無(wú)人化鉆臺(tái)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。貝克休斯首款TerrAdapt自適應(yīng)鉆頭，通過(guò)自動(dòng)化控制來(lái)大幅減小井下故障發(fā)生頻率。英國(guó)北海Babbage油田通過(guò)智能閉環(huán)控制，利用智能鉆桿的數(shù)據(jù)高效傳輸，使機(jī)械鉆速提高了近200%。斯倫貝謝、貝克休斯、威德福、哈里伯頓等相繼將智能導(dǎo)向技術(shù)用于鉆井現(xiàn)場(chǎng)。4）智能化完井關(guān)鍵工程技術(shù)、裝備與材料。智能化完井是借助先進(jìn)的傳感、傳輸、自動(dòng)化控制設(shè)備，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等，可對(duì)油氣生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，為智能生產(chǎn)的進(jìn)行提供有力支撐。智能化完井是利用結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等，通過(guò)自動(dòng)化裝備，進(jìn)行層間隔離、永久監(jiān)測(cè)、流量控制、出砂控制，為智能化生產(chǎn)提供有效支撐。其中智能化完井關(guān)鍵工程技術(shù)主要涉及油井開(kāi)采入流控制技術(shù)、完井參數(shù)智能優(yōu)化技術(shù)。當(dāng)前，一體化完井管理控制系統(tǒng)集井下監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、分層流量控制于一體，可以實(shí)現(xiàn)油藏信息管理、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)共享和流量智能調(diào)控，受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注,具體涉及井下傳感器、井下生產(chǎn)控制器、多通道封隔器等裝置。當(dāng)前，貝克休斯InCharge完井系統(tǒng)利用電力液壓驅(qū)動(dòng)，可控制多達(dá)12個(gè)產(chǎn)層，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)節(jié)流。斯倫貝謝Manara完井系統(tǒng)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸、多通道封隔、分層監(jiān)控。此外，哈里伯頓、中石油等也相繼推出了SmartWell、EIC-Riped完井系統(tǒng)。同時(shí)，結(jié)合納米材料與完井液的多功能智能化納米完井液體系，可對(duì)井下復(fù)雜情況或事故進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別與處理，已成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。5）智能化生產(chǎn)關(guān)鍵工程技術(shù)、裝備與材料。智能化生產(chǎn)是基于大數(shù)據(jù)、嘗試學(xué)習(xí)等對(duì)油氣田全生命周期的生產(chǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理與優(yōu)化。利用研究分支間協(xié)同工作，通過(guò)資料數(shù)據(jù)、儀器設(shè)備、施工作業(yè)等有效整合，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)油氣開(kāi)采智能化。智能化生產(chǎn)利用傳感裝置采集井下數(shù)據(jù)，然后傳輸至地面系統(tǒng)進(jìn)行智能分析和信號(hào)反饋,通過(guò)地面與井下裝備執(zhí)行控制指令，對(duì)井下工況進(jìn)行智能管理與優(yōu)化。其中，智能化生產(chǎn)關(guān)鍵工程技術(shù)主要涉及油藏生產(chǎn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)四維解釋技術(shù)、智能驅(qū)替提高油田采收率技術(shù)、多元海量數(shù)據(jù)智能分析利用技術(shù)。油氣智能化生產(chǎn)主要涉及油田智能監(jiān)測(cè)裝備，獲取各個(gè)環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)信息，為油氣藏實(shí)時(shí)解釋、油氣開(kāi)采智能分析提供支撐。同時(shí)，在油氣田生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，需要利用深度學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)挖掘等進(jìn)行信息的智能分析，對(duì)大數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、計(jì)算裝備的性能也提出了更嚴(yán)苛的要求。此外，納米智能驅(qū)油劑由于可以顯著提高低滲透油藏的采收率，已得到了國(guó)內(nèi)外高度關(guān)注。當(dāng)前，Anadarko石油公司基于Delaware盆地微生物DNA正在構(gòu)建龐大監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于分析油氣藏生產(chǎn)動(dòng)態(tài)。油藏機(jī)器人可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)復(fù)雜條件下溫度壓力等信息，已成為國(guó)內(nèi)外研究前沿，阿美石油公司在該領(lǐng)域開(kāi)展了積極研究。而殼牌公司利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算建立了油田管理系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)自動(dòng)調(diào)控。為了提高油田采收率，中石油、中石化等在智能精細(xì)注水、智能納米驅(qū)油劑提高采收率方面進(jìn)行了積極探索。加拿大自然資源公司也開(kāi)展聚合物納米微球提高采收率先導(dǎo)試驗(yàn)。此外，中國(guó)在超級(jí)計(jì)算機(jī)方面發(fā)展迅速，已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，為油氣開(kāi)采中海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算、分析等方面研究奠定了重要基礎(chǔ)。（3）發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)智能化開(kāi)采未來(lái)的發(fā)展方向是基于生產(chǎn)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)信息，依托相關(guān)工程技術(shù)、裝備與材料，對(duì)煤炭及油氣開(kāi)采進(jìn)行全生命周期實(shí)時(shí)智能調(diào)控。目前，國(guó)內(nèi)外圍繞智能化開(kāi)采的關(guān)鍵領(lǐng)域均進(jìn)行了大量研究，但仍未實(shí)現(xiàn)全過(guò)程智能開(kāi)采，未來(lái)需要在以下方面實(shí)現(xiàn)重大突破：1）工程裝備、材料與人工智能的深度融合：通過(guò)有效的數(shù)據(jù)采集、分層智能生產(chǎn)、數(shù)據(jù)挖掘與智能分析，實(shí)現(xiàn)煤炭與油氣高效智能開(kāi)發(fā)。利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、光電和導(dǎo)航技術(shù)對(duì)開(kāi)采設(shè)備和人員進(jìn)行自動(dòng)定位，以實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控和精確開(kāi)采。同時(shí)，材料與人工智能的深度融合有助于全方位改善工程裝備性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)采場(chǎng)未知區(qū)域的自動(dòng)探查和檢測(cè)，甚至對(duì)井下復(fù)雜生產(chǎn)情況或事故進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別與處理。2)數(shù)據(jù)智能采集-高效傳輸-智能分析-智能調(diào)控一體化技術(shù)：基于采集的多元海量數(shù)據(jù)，通過(guò)智能分析，確定生產(chǎn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，利用智能調(diào)控開(kāi)采過(guò)程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析、調(diào)控各個(gè)環(huán)節(jié)協(xié)同工作。(4)國(guó)家/地區(qū)和機(jī)構(gòu)以及之間的對(duì)比及合作情況根據(jù)表1.2.9可知，該研究方向的核心論文產(chǎn)出數(shù)量最多的國(guó)家是中國(guó)、印度、加拿大、澳大利亞和英國(guó)。其中，中國(guó)核心論文比例超過(guò)50%,其他國(guó)家核心論文比例均低于10%。由表1.2.10可知，該研究方向的核心論文產(chǎn)出數(shù)量最多的機(jī)構(gòu)分別是Xi’anUnivSci&Technol,LuoheMedColl以及ChinaUnivMin&TechnolBeijing。其中，Xi’anUnivSci&Technol和LuoheMedColl的核心論文產(chǎn)出比例超過(guò)5%。根據(jù)圖1.2.5可知，較為注重該領(lǐng)域國(guó)家或地區(qū)間合作的有中國(guó)、澳大利亞、美國(guó)、英國(guó)和意大利。其中中國(guó)與澳大利亞、美國(guó)、英國(guó)這三個(gè)國(guó)家均具有合作關(guān)系，合作國(guó)家數(shù)最多，合作發(fā)表的核心論文數(shù)量也最多。而印度、加拿大的論文數(shù)盡管較多，但沒(méi)有與其他國(guó)家或地區(qū)進(jìn)行過(guò)合作。根據(jù)圖1.2.6可知，與其他機(jī)構(gòu)具有合作關(guān)系的機(jī)構(gòu)有LuoheMedColl,ChineseAcadSci,HenanQualEngnVocatColl,HenanPolytechInst和CSIRO，其中LuoheMedColl分別與HenanQualEngnVocatColl,HenanPolytechInst這兩個(gè)機(jī)構(gòu)之間彼此具有合作關(guān)系，合作發(fā)表核心論文數(shù)量也較多。中國(guó)西安的Xi’anUnivSci&Technol是發(fā)表論文數(shù)量最多的機(jī)構(gòu)，但沒(méi)有與其他機(jī)構(gòu)開(kāi)展過(guò)合作研究。根據(jù)表1.2.11可知，該研究方向的施引核心論文產(chǎn)出數(shù)量最多的國(guó)家是