自動化、智能化-鉆井技術(shù)發(fā)展大趨勢

自動化、智能化——鉆井技術(shù)發(fā)展的大趨勢2前言汽車制造業(yè)先進(jìn)的生產(chǎn)線早已實(shí)現(xiàn)了自動化、無人化。汽車駕駛在澳大利亞一些大型礦山，自動裝卸重卡早就實(shí)現(xiàn)了無人駕駛。國內(nèi)外公路小驕車無人駕駛已經(jīng)試驗(yàn)成功。4航空業(yè)大型民航客機(jī)可以全程自動飛行，只是出于安全考慮，起飛和降落仍由飛行員操作。5航天業(yè)飛船（神舟）與空間站（天宮飛行器）能夠自動交匯對接。6軍事領(lǐng)域美軍無人機(jī)已投入實(shí)戰(zhàn)。最近在航母上起飛、降落試驗(yàn)取得了成功。7在眾多行業(yè)的自動化、智能化和無人化大潮的推動下，石油鉆井也在朝著自動化、智能化方向邁進(jìn)，只是要滯后很多。一、鉆井自動化現(xiàn)狀二、鉆井智能化趨勢三、鉆井無人化前景四、結(jié)論與建議匯報(bào)內(nèi)容9鉆井自動化主要由地面自動化、井下自動化、鉆井信息化構(gòu)成。一、鉆井自動化現(xiàn)狀鉆井信息化地面自動化井下自動化10鉆機(jī)自動化設(shè)備自動化鉆機(jī)井口自動化設(shè)備，比如鐵鉆工配備自動送鉆設(shè)備的一體化司鉆控制室頂部驅(qū)動裝置自動排管設(shè)備自動貓道或管具自動傳送裝置等海洋自動化鉆機(jī)

（雙作業(yè)鉆機(jī)）陸地自動化鉆機(jī)多參數(shù)測量儀或綜合錄井儀地面自動化1、地面自動化地面自動化——陸地自動化鉆機(jī)NOV的RAPID鉆機(jī)為提高鉆井效率和安全性，設(shè)備制造商推出了一些陸地自動化鉆機(jī)。中深井鉆機(jī)鉆深能力3600米（12000ft）井架高度24米，可以處理單根鉆桿電驅(qū)動鉆機(jī)頂驅(qū)鐵鉆工全自動井口設(shè)備全自動鉆桿處理裝置一體化司鉆控制室美國H&P公司FlexRig鉆機(jī)(就在用鉆機(jī)數(shù)而言，是美國最大的陸地鉆井承包商)美國Patterson-UTI鉆井公司APEX?鉆機(jī)國外一些大的鉆井承包商也根據(jù)自身需要定制了一些陸地自動化鉆機(jī)。地面自動化——陸地自動化鉆機(jī)地面自動化——陸地自動化鉆機(jī)與普通陸地鉆機(jī)相比，自動化陸地鉆機(jī)可明顯提高作業(yè)效率。美國H&P公司和加拿大Ensign能源服務(wù)公司陸地鉆機(jī)概況概況美國H&P公司（2012年底）加拿大Ensign能源服務(wù)公司（2012年底）陸地鉆機(jī)數(shù)273臺（在美國，大約一半用于開發(fā)頁巖氣、頁巖油）299臺電驅(qū)動鉆機(jī)占比100%交流變頻電驅(qū)動鉆機(jī)占比87%頂驅(qū)配置率100%自動化鉆機(jī)占比93%(FlexRig)37%(ADR?)最具代表性的海洋自動化鉆機(jī)是雙作業(yè)鉆機(jī)，其主要特點(diǎn)是正常鉆進(jìn)、起下鉆、下套管、固井等常規(guī)作業(yè)由主鉆機(jī)完成，組裝拆卸鉆柱、下放隔水管柱、下放與回收水下器具等輔助作業(yè)由輔鉆機(jī)完成，主輔作業(yè)可以同步進(jìn)行，可顯著提高鉆井效率，縮短鉆井周期。雙作業(yè)鉆機(jī)市場幾乎被NOV和挪威AkerSolutions公司所壟斷。地面自動化——海洋自動化鉆機(jī)荷蘭Huisman設(shè)備公司設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的雙作業(yè)鉆機(jī)——多功能箱式鉆塔。地面自動化——海洋自動化鉆機(jī)HuisDrill12000型鉆井船Noble鉆井公司已建造了4艘配備多功能箱式鉆塔的深水鉆井船，其中2艘的額定作業(yè)水深高達(dá)3657米，另2艘的額定作業(yè)水深為3048米。JBF14000型半潛式鉆井平臺（額定作業(yè)水深14000英尺，合4267.2米）應(yīng)用現(xiàn)狀雙作業(yè)鉆機(jī)已在深水浮式鉆井裝置（深水半潛式鉆井平臺和深水鉆井船）上得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為深水鉆井利器。未來展望展望未來，雙作業(yè)鉆機(jī)將成為深水浮式鉆井裝置的標(biāo)配鉆機(jī)。在技術(shù)上，雙作業(yè)鉆機(jī)將得到進(jìn)一步發(fā)展，結(jié)構(gòu)將更加多樣化，鉆深能力、自動化水平、作業(yè)效率和安全性將進(jìn)一步提升，有力地推動未來深水油氣勘探開發(fā)。地面自動化——海洋自動化鉆機(jī)地面自動化——鉆機(jī)自動化設(shè)備一體化司鉆控制室鐵鉆工自動排管設(shè)備鉆機(jī)自動化設(shè)備井口自動化設(shè)備，比如鐵鉆工配備自動送鉆設(shè)備的一體化司鉆控制室頂部驅(qū)動裝置自動排管設(shè)備自動貓道或管具自動傳送裝置等多參數(shù)測量儀或綜合錄井儀井下

自動化MWD、LWD、近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向儀自動垂直鉆井系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)2、井下自動化隨鉆地震（井下“眼睛”）（井下“望遠(yuǎn)鏡”，有助于實(shí)現(xiàn)隨鉆前探）（井下“方向盤”）國際定向鉆井市場構(gòu)成自動垂直鉆井系統(tǒng)能夠自動鉆成垂直井眼，是高陡構(gòu)造的克星，高難度直井鉆井的利器。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，是定向鉆井技術(shù)的一次革命，也是當(dāng)今石油鉆井行業(yè)一項(xiàng)最尖端的井下技術(shù)，已成為水平井和大位移井鉆井的重要利器。經(jīng)過10多年的發(fā)展，其應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，越來越多地取代常規(guī)定向鉆井，國際市場份額已占國際定向鉆井市場的1/3。為適應(yīng)高效開發(fā)頁巖氣等非常規(guī)油氣的需要，斯倫貝謝和貝克休斯公司相繼推出了高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，其最大造斜能力范圍15°—18°/30米，可縮短造斜井段的長度，從而縮短靶前距，增加水平段長度，有利于提高油氣產(chǎn)量。斯倫貝謝的PowerDriveArcher系統(tǒng)貝克休斯的AutoTrakCurve系統(tǒng)造斜段+水平段鉆井進(jìn)尺造斜段+水平段鉆井用時(shí)對比案例116口頁巖氣水平井造斜段+水平段一趟鉆完鉆，平均鉆井周期銳減40%以上2012年Marcellus頁巖氣產(chǎn)區(qū)貝克休斯公司的AutoTrakCurve系統(tǒng)造斜段+水平段的平均鉆井進(jìn)尺從1813.8米增加到了2508.5米。平均鉆井用時(shí)從15.8天減至7.6天，銳減51.9%，均實(shí)現(xiàn)了“造斜段+水平段”一趟鉆完鉆。平均日進(jìn)尺從114.5米/日增至328.7米/日，提高178%。加上直井段鉆井用時(shí)，平均鉆井周期銳減40%以上。案例2一口大約4019米深的水平井，二開“直井段+造斜段+水平段”一趟鉆完鉆2012年初EagleFord頁巖氣水平井中（一口三維水平井，造斜井段的設(shè)計(jì)造斜率為8°/30米）貝克休斯公司6-3/4英寸AutoTrakCurve系統(tǒng)，長度11.58米，最大造斜率15°/30米8-3/4英寸PDC鉆頭一次下井鉆開表層套管的套管鞋，從801.9米鉆至總井深4019.7米，共鉆進(jìn)3217.8米，實(shí)現(xiàn)了二開“直井段+造斜段+水平段”一趟鉆完鉆，減少了兩次起下鉆。共用時(shí)5.95天，平均機(jī)械鉆速27.43米/小時(shí)，比鄰井縮短2.5天。2013年初EagleFord頁巖氣水平井斯倫貝謝公司6-3/4英寸PowerDriveArcher，長度5.06米，最大造斜率15°/30米為頁巖層定制的8?英寸SpearSDi513鋼體PDC鉆頭一趟鉆完成進(jìn)尺3277.8米，實(shí)現(xiàn)了二開“直井段+造斜段+水平段”一趟鉆完鉆平均機(jī)械鉆速16.76米/小時(shí)鉆井用時(shí)8天，比鄰井節(jié)省4天時(shí)間案例3一口大約4527米深的水平井，二開“直井段+造斜段+水平段”一趟鉆完鉆大約1250米未來展望

迄今為止，在美國頁巖氣鉆井中，“造斜段+水平段”一趟鉆已經(jīng)司空見慣，“直井段+造斜段+水平段”一趟鉆還只是個(gè)案，但它能夠簡化井身結(jié)構(gòu)、縮短鉆井周期和降低鉆井成本，因此我們認(rèn)為，它代表著水平井鉆井技術(shù)未來的一個(gè)發(fā)展方向。隨著鉆頭、鉆井液、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井等技術(shù)的不斷發(fā)展，相信“直井段+造斜段+水平段”一趟鉆完鉆未來有望成為主流。只用兩只鉆頭鉆井

信息化鉆井工程軟件包遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)作業(yè)中心井下實(shí)時(shí)信息地面實(shí)時(shí)信息多學(xué)科專家團(tuán)隊(duì)

鉆前方案設(shè)計(jì)

鉆中決策支持通過遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)分析，實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整作業(yè)方案，比如實(shí)時(shí)優(yōu)化地質(zhì)導(dǎo)向；預(yù)判即將發(fā)生的井下復(fù)雜情況或鉆井事故，及時(shí)采取措施防患于未然，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，減少非生產(chǎn)時(shí)間，縮短鉆井周期；對已發(fā)生的井下復(fù)雜情況或鉆井事故進(jìn)行快速、恰當(dāng)?shù)奶幚恚粶p少專家長途奔波，提高決策效率和質(zhì)量，減少現(xiàn)場作業(yè)人員，提高作業(yè)安全性。

鉆后評估

降低綜合成本遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)作業(yè)中心是鉆井信息化的重要組成部分。3、鉆井信息化貝克休斯殼牌在全球有6個(gè)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)作業(yè)中心斯倫貝謝在全球共建了10多個(gè)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)作業(yè)中心。這是一個(gè)工廠化鉆井專家團(tuán)隊(duì)哈里伯頓國際油公司和技術(shù)服務(wù)公司在全球建立了多個(gè)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)作業(yè)中心。遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)作業(yè)中心是鉆井信息化的一個(gè)重要組成部分，正發(fā)揮越來越重要的作用。殼牌、斯倫貝謝、威德福、NOV等公司正在開發(fā)更加智能的下一代自動化鉆井軟件包，將更好地支持自動化鉆井，進(jìn)一步推動鉆井智能化。匯報(bào)內(nèi)容一、鉆井自動化現(xiàn)狀二、鉆井智能化趨勢三、鉆井無人化前景四、結(jié)論與建議二、鉆井智能化趨勢鉆井智能化主要由地面智能化、井下智能化和智能鉆井專家系統(tǒng)構(gòu)成。智能鉆井專家系統(tǒng)地面智能化井下智能化一口井的起下鉆時(shí)間大約占鉆井周期的25%，如能提高起下鉆速度，則可縮短鉆井周期。為此，挪威WeST鉆井產(chǎn)品公司設(shè)計(jì)了一種管柱連續(xù)運(yùn)動鉆機(jī)（ContinuousMotionRig，簡稱CMR鉆機(jī)）。三單根立柱額定起下鉆速度3600米/小時(shí)雙單根立柱額定起下鉆速度2700米/小時(shí)單根定額起下鉆速度1800米/小時(shí)1、地面智能化主要特點(diǎn)

配備機(jī)器人，自動化程度很高，不需要鉆臺工和井架工；

連續(xù)起下鉆，額定起下鉆速度3600、2700、1800米/小時(shí)，而常規(guī)起下鉆速度只有600—900米/小時(shí)；

連續(xù)下套管，額定下套管速度900米/小時(shí)。

連續(xù)鉆進(jìn)；

連續(xù)循環(huán)，有利于實(shí)施控壓鉆井，提高作業(yè)安全性。這種新型鉆機(jī)有望大幅度縮短鉆井周期，一旦投入商業(yè)應(yīng)用，無疑將是鉆機(jī)技術(shù)的一次重大突破，將鉆機(jī)自動化和智能化水平提升到一個(gè)新高度。2、井下智能化超級鉆頭或智能鉆頭井下高速、大容量信道井下智能導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)智能鉆井液井下

智能化井下智能化——超級鉆頭或智能鉆頭井下智能化——智能鉆井液未來的智能鉆井液將基于納米添加劑，擁有更廣的地層適應(yīng)性，具備自主穩(wěn)定井壁、自主堵漏等多種自主功能，更好地保護(hù)儲層和維持井筒完整性。未來的超級鉆頭在高效輔助破巖方法的支持下，破巖效率更高。未來的智能鉆頭，不僅破巖效率高，還攜帶傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測鉆井工程參數(shù)、鉆頭工況，實(shí)時(shí)測量鉆進(jìn)中的地層。哈里伯頓正在開發(fā)一種帶地質(zhì)導(dǎo)向儀的鉆頭，可以隨時(shí)防止鉆頭在薄儲層或特殊復(fù)雜地層里面通天或穿底。井下智能化——井下高速、大容量信道目前應(yīng)用最廣的井下信息傳輸方式是泥漿脈沖和電磁波。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，它們的數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提高，目前最大的數(shù)據(jù)傳輸速度分別達(dá)到36比特/秒和數(shù)十比特/秒，依然不能很好地滿足需要，因此需要發(fā)展井下高速、大容量信道。NOV“軟連接”智能鉆桿(商業(yè)化應(yīng)用)

在鉆桿中預(yù)埋電纜；

鉆桿接頭之間的電纜通過電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電纜“軟連接”；

信號在傳輸過程中有衰減，需要每隔350～450米安裝一個(gè)信號放大器（中繼站）；

數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)5.76萬bps，而且不受流體類型的限制；

地面、井下構(gòu)成一個(gè)寬帶網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全井筒實(shí)時(shí)監(jiān)測。井下智能化——井下高速、大容量信道美國Fiberspar公司有纜復(fù)合材料連續(xù)管（智能連續(xù)管）

內(nèi)置電力線，向井下供電；

內(nèi)置信號線，數(shù)據(jù)高速、雙向傳輸；

耐腐蝕；

重量輕，運(yùn)輸方便；

成本低。井下智能化——井下高速、大容量信道Reelwell管中管（試驗(yàn)中）

管中管充當(dāng)同軸電纜，向井下供電，高速傳輸數(shù)據(jù)（6.4萬bps）

雙向通訊未來展望井下信道將向多樣化、高速、大容量、高可靠方向發(fā)展，根本解決井下數(shù)據(jù)的傳輸問題，很好地滿足隨鉆地層壓力測試、隨鉆地層評價(jià)、隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向和井下自動化的需要。井下智能化——井下智能導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)未來的井下智能導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是當(dāng)今旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的升級換代產(chǎn)品，其主要特點(diǎn)包括：

隨鉆測井功能更強(qiáng)，并有隨鉆前探能力；

隨鉆取樣及實(shí)時(shí)分析；

通過智能鉆桿實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速、雙向傳輸；

旋轉(zhuǎn)閉環(huán)導(dǎo)向；

智能三維導(dǎo)向：具備所有定向鉆進(jìn)功能，自動引導(dǎo)鉆頭向“甜點(diǎn)”鉆進(jìn)。3、智能鉆井專家系統(tǒng)未來的智能鉆井專家系統(tǒng)將地面智能化和井下智能化組成一個(gè)有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)大閉環(huán)控制，統(tǒng)一指揮，協(xié)調(diào)行動。未來以智能鉆井專家系統(tǒng)為核心的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制中心，將具有更強(qiáng)大的功能、更高的智能化水平、更強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)和自主決策能力，并具有一定的遠(yuǎn)程控制能力，大幅度減少現(xiàn)場人員，顯著提高鉆井效率和安全性，降低綜合成本。云計(jì)算人工智能遠(yuǎn)程控制……智能鉆井專家系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制中心匯報(bào)內(nèi)容一、鉆井自動化現(xiàn)狀二、鉆井智能化趨勢三、鉆井無人化前景四、結(jié)論與建議

獾式鉆探器——無鉆機(jī)鉆探

主要靠自身重量施加鉆壓

通過電纜向井下供電

數(shù)據(jù)高速、雙向傳輸

井下電動鉆具

自埋式（不用鉆機(jī)、泥漿和鉆桿，不用水泥固井）

適用于油氣勘探和永久監(jiān)測在近海油氣生產(chǎn)中，現(xiàn)已大量應(yīng)用無人值守的生產(chǎn)平臺。隨著鉆井自動化、智能化水平的不斷提升，以及機(jī)器人技術(shù)、信息技術(shù)、遠(yuǎn)程控制等技術(shù)的發(fā)展，鉆井無疑也將向無人化方向發(fā)展。目前國外在研或設(shè)想的無人化鉆井系統(tǒng)主要包括：獾式鉆探器、機(jī)器人鉆井系統(tǒng)和海底鉆機(jī)。三、鉆井無人化前景研發(fā)中的機(jī)器人鉆井系統(tǒng)挪威機(jī)器人鉆井系統(tǒng)公司與美國國家