作者：中國石油大學（北京） 機械與儲運工程學院 周方成等 海洋油氣網整理發佈
摘 要：鑑於海洋鑽井平臺上嚴峻的生存環境以及智能鑽井在安全、質量、成本、時間等方面具有相對於傳統鑽井的優勢，智能化成為了鑽井設備發展的必然趨勢。智能鑽井主要分為井下工具的智能化、井上智能鑽井系統和高速大容量的信息傳輸通道。學科綜合和信息的高效傳遞是智能鑽井的顯著特徵。在海洋鑽井和複雜地質情況下，智能鑽井必將得到極大的應用。總結了近年來石油鑽井行業在智能化方面取得的進展。認為信息的高效傳遞、工具小型化、井下機器人和智能鑽井系統與智能井下工具的結合是智能鑽井的發展方向。
智能鑽井區別於傳統鑽井的特點，是鑽井過程的智能化。這種智能化不僅包括鑽井工具的智能化，還包括鑽井過程中各種參數監控的智能化 。通過建立理想鑽井軌跡的模型，引入計算機控制，最大幅度地減少人為因素對井眼軌跡精度的影響。
智能化鑽井在２０世紀末期，人們對能源的探索向海洋大範圍轉變時得到了極大的發展。智能鑽井在經歷了第１代以 ＡＩＥＳ （ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｅ －ｖａｌｕａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ）專家系統為代表的智能鑽井技術和第２代以電子鑽柱為關鍵技術的智能鑽井技術後，智能鑽井在當下有了新的前進方向。國內的主要觀點認為微電子技術及小型化的智能機器人是第３代智能鑽井技術的發展方向 。
石油的勘探、開採是一個先易後難的過程。隨著石油開採時間的增長，傳統鑽井工藝不可避免地產生了浪費，進而影響效益。海洋上可用的鑽井場地較小，１ 個鑽井平臺的造價動輒數 １０ 億人民幣。所以，智能化鑽井在海洋平臺上就突出了其相對於傳統鑽井的優越性。鑽井工人少，井眼軌跡精度高，鑽井過程的高度自動化、鑽井事故發生率低等都是智能化鑽井的顯著特點。
智能化鑽井包括 ２ 個主要方面：其一為智能化的鑽井系統。智能化鑽井系統，通過對鑽井過程中井下檢測器反饋回來的鑽頭轉速、轉矩、鑽壓、鑽深、狗腿度等參數的分析，以確保井眼軌跡的精確 。但是，智能化的鑽井系統目前多是大公司為用戶量身定訂做，其高昂的成本也是阻礙其推廣到市場的一個重要原因。其二為智能鑽井工具，井下工具的智能化是實現智能鑽井不可缺少的一部分。自石油勘探、開採技術成熟以來，井下與地面的信息溝通問題一直是困擾鑽井過程智能化的主要原因。目前井下與地面溝通是通過檢測返回的鑽井液中的脈衝信息實現，這種脈衝信息具有蘊含的信息量小、信息可靠度低等缺點。所以智能化的鑽井工具應具有高效的井下與地面間的信息交流能力 。
1、 智能鑽井系統
智能鑽井系統是智能鑽井的核心。智能鑽井系統所必須具備的功能包括：對井眼軌跡實現精確控制的能力；對井下鑽井各個參數的實時監控和調節能力 。以智能網絡，專家系統等為依託的實時解決問題的能力；以自動化，智能化、微電子、機器人 技 術 等 學 科 的 綜 合 是 智 能 鑽 井 系 統 的 顯 著特徵 。
美國國民油井公司的 ＥｖｏｌｖｅＴＭ 鑽井系統，具備實時決策，對可能出現的各種問題進行分析的能力。Ｅｖｏｌｖｅ鑽井系統的功能主要分為信息服務、建議服務、控制服務、自動化服務４個部分。
２０１９年威德福公司發佈了自己的智能控壓鑽井系統 Ｖｉｃｔｕｓ ，該系統可以有效提高鑽井作業安全性和降低作業成本，迄今為止， Ｖｉｃｔｕｓ已經被應用在７ ６００多次鑽井作業中。
國外各大油服公司都是通過建立遠程控制服務，來指導鑽井作業的施工。這種做法不僅可以大幅度提高鑽井效率，也可以降低事故的發生率。
2、 智能鑽井工具
具備通信能力是區別傳統鑽井工具和智能鑽井工具的一個顯著特徵，智能鑽井工具的出現使精確鑽井能力大幅度提高，同時使智能化鑽井成為了可能 。智能鑽井工具包括智能鑽柱、智能鑽桿、智能鑽頭、旋轉導向工具等 。
查閱相關的資料可知已經應用的智能化鑽井中，多為電動連續油管鑽井。連續油管鑽進省去了鑽井作業中最為消耗時間的接單根作業工序。因此鑽井週期較短。
智能化鑽頭是智能鑽進的一個重要方面。鑽頭是鑽井作業中最核心的工具，在鑽井的過程中，影響鑽頭鑽進的主要因素為鑽壓、鑽速、切削量、齒形材質、齒形結構等。傳統鑽井在鑽井的過程中，上述參數除鑽壓、鑽速外都是不可改變的。智能鑽頭必然與井下傳感器相結合，使鑽頭在鑽井過程中，能夠自動感知地層壓力、地層溫度、鑽頭角度和深度等信息。智能鑽頭以 ＴｅｒｒＡｄａｐｔ鑽頭為代表。
２０１７ 年貝克休斯發佈了帶自適應功能的 Ｔｅｒ －ｒＡｄａｐｔ 鑽頭，結合傳感器反饋的信息，能夠根據地層的結構和性質自動調節切削深度，降低粘滑效應。該鑽頭在 Ｄｅｌａｗａｒｅ 盆地的試驗效果顯著，粘滑效應大幅減少。
表１總結了國外石油公司生產的新型鑽頭和其特點及適用範圍 。從表１中可以發現，國外油服公司在智能鑽頭的研發方面並沒有投入很多的精力，新型鑽頭的發佈也只是把已有鑽頭的優點相結合。
智能鑽具有限公司（ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｔｏｏｌ ｓＬｔｄ ）開發的井下智能鑽井工具 ＡＶＳ （ Ａｎｎｕｌａｒ Ｖｅ －ｌｏｃｉｔｙ Ｓｐｌｉｔｆｌｏｗ ）是 智 能 鑽 井 鑽 井 工 具 的 代 表。ＡＶＳ具有３個不同的工作位置，如圖１所示。
ＡＶＳ處於 Ｔｈｒｏｕｇｈｂｏｒｅ狀態時，為正常工作狀態，鑽 井 液全 部 從球 閥 中流過，鑽頭具有最大的鑽速。
ＡＶＳ處於Ｓｐｌｉｔｆｌｏｗ 狀態時，鑽井液被分流，一部分通過ＢＨＡ （井下工具組合）和鑽頭返出，另一部分通過支路直接流進套管和裸眼之間的環形空間。即增加了鑽井液流動的速度，又可以保證 ＢＨＡ 和鑽頭以所允許的最小的功率運行。
ＡＶＳ處於Ｂｙｐａｓｓ狀態時，鑽井液不再流經鑽頭。此時可以泵送堵漏液，而不需要考慮鑽頭和ＢＨＡ 與堵漏液之間的相互影響。
挪威的鑽井工人在庫爾德斯坦地區的 ＤＱＥＲｉｇ５１ 井，使用 ＡＶＳ 取得了很好的鑽井效果。
美國 ＮＯＶ 公司基於電磁感應原理研發的“軟連接”智能鑽桿，如圖 ２ 。軟連接的智能鑽桿的優點是傳輸速度快，容量大；缺點是造價高，信號衰減快。所以每隔一段４００ｍ 左右就要有一個信號放大器，這也使得信號在傳輸的過程中容易發生失真。
美國Ｆｉｂｅｒｓｐａｒ公司研發的有纜複合材料連續管，也叫智能連續管，如圖 ３ 。鑽桿內部埋有電力和信號線，可以為井下工具提供電力，同時也可以作為井下隨鑽測量工具測得信息上傳至地面的高速信息通道。有纜複合材料連續管的優點是成本低，信號不失真，容量大。
近年來旋轉導向工具得到了很大的發展，也在各個油田中得到了實踐。國外各大油服公司都有自己成熟的旋轉導向工具。國內中石油勘探開發研究所、中石化勝利油田、西安石油大學等機構都對旋轉導向工具進行了研究，並做出了工程樣機。國內外旋轉導向工具如表 ２ 。
3、 智能鑽井的應用
２０１５ 年，美國北達科州。鑽井運營商選擇了帶有１２７ｍｍ （ ５英寸）的有線鑽桿的井下自動化系統（ ＤＨＡＳ ），有線鑽桿中數據的傳輸頻率為０．４Ｈｚ ，在有線鑽桿的幫助下，可實現司鑽閉環控制。該系統可實現可視化的井下作業並將對井下工作環境的認識應用到對自動化鑽井系統的完善中。同時，ＤＨＡＳ 得來的大量數據也能夠完善 ＰＤＣＡ （策劃—實施—檢查—改進）循環。該系統具備與其他成熟系統結合的能力。
該試驗選擇了該油田 Ａ 區塊作為試驗場地，試驗井數量為６口，並使用一個鑽井效率差的隊伍，檢驗 ＤＨＡＳ 的效果。首先用常規的鑽井方法鑽一口井作為參照基準，標號為６＃ 。採用批次作業，先鑽
６＃ 井鑽頭、馬達和 ＢＨＡ 參數保持一致，３＃ 、４＃ 、５＃井在鑽井過程中， ＤＨＡＳ系統加強了對鑽壓、鑽速、ＢＨＡ 等參數的管理，通過對比鑽井所消耗的時間，觀察新技術的改善效果。
經過對比可得：１＃～５＃ 井相對於６ ＃ 井都節約了較長的鑽井時間。其中３＃ 井加強了各種參數的管理，節約鑽井時間 ４８ｈ 。
4、 結論
１ ） 智能鑽井在鑽井質量、鑽井時間、鑽井成本、鑽井事故發生率等方面都具有比傳統鑽井無可比擬的優勢。
２ ） 智能鑽井與信息傳輸技術不可分割，重點是井下和地面之間的信息的傳遞。智能鑽井技術是智能鑽井系統和智能鑽井工具的綜合。
３ ） 智能鑽井是智能鑽井系統和智能鑽井工具的結合，卻少見智能鑽井工具和智能鑽井系統成套推出的消息。二者的聯合研發必然是智能鑽井發展的方向。
４ ） 智能鑽井需要井下與井上進行高速有效信息傳遞，傳遞方式和效率的發展必然會推動智能鑽井取得長遠的進步。如何進行信息的高效傳遞是智能鑽井發展的另一個方向。
５ ） 近年來人工智能在鑽井行業中應用廣泛，人工智能與鑽井行業的結合必然是鑽井行業發展的方向之一 。
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