第4卷第1期 智能系统学报 Vol 4 Na 1 2009年2月 CAA I Transactions on Intelligent Systems Feb 2009 未来智能钻井系统 刘清友 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都610500) 摘要：展望了未来智能钻井技术的系统组成、功能及其运行方式.智能钻井新技术是钻井技术新材料技术、检测 控制、微电子技术通信和计算机，机器人和超微加工技术等的集成.未来的智能钻井将采用轻便车载连续油管全自 动钻机，钻井作业中，安置在钻头上的智能机器人将观测和检测到的所有井下参数上传到地面，在钻井的同时完成 测井工作：地面人员通过控制钻头运动轨迹和转速，实现遥控智能钻井：起下钻等钻井作业均由地面机器人按指令 自动完成；通过通信网络技术，实现全球钻井协同工作.因此，智能钻井将大幅度降低钻井成本，大大提高钻井速度， 减少钻井事故的产生，实现井眼轨迹的精确控制，进一步提高石油天然气勘探开发技术水平. 关键词：智能钻井；钻井技术；智能机器人 中图分类号：TE21文献标识码：A文章编号：16734785(2009)01-001605 Future in telligent drilling technology L IU Q ing-you (State Key Laboratory orOil and Gas Reservoir Geology and Explitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China) Abstract:System composition as well as functional and operatinalmodes of an intelligent drilling technolgy for the future were analyzed in this paper It is an integration of a series of technobgies,including drilling,use of new ma- terials,new testing controls,m icroelectronics,telecommunications,computers,robots and ultram icromachining, etc A portable,truckmounted,flexible and fully automatic drilling rig with coiled tubing was envisioned for this system.In this future drilling process,intelligentm ini-robotsmounted on the drill bit observe and detect all down- hole parameters and send data back so as o smultaneously finish the logging operation while conducting the drilling process intelligent drilling under remote control will be comp leted automatically with robotic instructions robots control the drilling speed and trajecory of the bit All drilling operatons,such as trpp ing operatons and coopera- tion among gbbal drilling operations,are organized through communication netork technobgy It is antic ipated this technolgy will significantly increase drilling peed while greatly reducing drilling accidents and costs Owing to the precise control of well trajecpory,intelligent drilling technology will mp rove the technical level of exp loration and devebpment of petroleum and natural gas Keywords:intelligent drilling drilling technobgy,intelligent robot 世界新技术革命推动了石油科学技术的大发进入新世纪的世界石油工业，无疑使石油科技日益 展，在过去十年中，国内外钻井技术也取得了长足进走向信息化、智能化、可视化.由于高新技术在石油 步，大大提高了钻井技术水平，降低了钻井成本四 勘探开发中的应用，未来的钻井技术将向更加精确、 但钻井仍然是油气田勘探开采中花费最大的作业. 高效、低成本、智能化和环保的方向发展2)随着钻 井技术、新材料技术、检测控制、微电子技术通信和 收稿日期：2008-1107. 基金项目：因家自然科学基金资助项目(50674078,50874096). 计算机、机器人和超微加工技术等的进一步发展，智 通信作者：刘清友.Emai让liuqy66@yahoo com.cn 能钻井新技术必将应运而生，并将会成为21世纪钻 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第 4卷第 1期 智 能 系 统 学 报 Vol. 4 №. 1 2009年 2月 CAA I Transactions on Intelligent System s Feb. 2009 未来智能钻井系统 刘清友 (西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室 ,四川 成都 610500) 摘 要 :展望了未来智能钻井技术的系统组成、功能及其运行方式. 智能钻井新技术是钻井技术、新材料技术、检测 控制、微电子技术、通信和计算机、机器人和超微加工技术等的集成. 未来的智能钻井将采用轻便车载连续油管全自 动钻机 ,钻井作业中 ,安置在钻头上的智能机器人将观测和检测到的所有井下参数上传到地面 ,在钻井的同时完成 测井工作 ;地面人员通过控制钻头运动轨迹和转速 ,实现遥控智能钻井 ;起下钻等钻井作业均由地面机器人按指令 自动完成 ;通过通信网络技术 ,实现全球钻井协同工作. 因此 ,智能钻井将大幅度降低钻井成本 ,大大提高钻井速度 , 减少钻井事故的产生 ,实现井眼轨迹的精确控制 ,进一步提高石油天然气勘探开发技术水平. 关键词 :智能钻井 ;钻井技术 ;智能机器人 中图分类号 : TE21 文献标识码 : A 文章编号 : 167324785 (2009) 0120016205 Future intelligent dr illing technology L IU Q ing2you ( State Key Laboratory for O il and Gas Reservoir Geology and Exp loitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China) Abstract:System composition aswell as functional and operationalmodes of an intelligent drilling technology for the future were analyzed in this paper. It is an integration of a series of technologies, including drilling, use of new ma2 terials, new testing controls, m icroelectronics, telecommunications, computers, robots and ultra2m icromachining, etc. A portable, truck2mounted, flexible and fully automatic drilling rig with coiled tubing was envisioned for this system. In this future drilling p rocess, intelligentm ini2robotsmounted on the drill bit observe and detect all down2 hole parameters and send data back so as to simultaneously finish the logging operation while conducting the drilling p rocess; intelligent drilling under remote control will be comp leted automatically with robotic instructions: robots control the drilling speed and trajectory of the bit. A ll drilling operations, such as tripp ing operations and coopera2 tion among global drilling operations, are organized through communication network technology. It is anticipated this technology will significantly increase drilling speed while greatly reducing drilling accidents and costs. Owing to the p recise control of well trajectory, intelligent drilling technology will imp rove the technical level of exp loration and development of petroleum and natural gas. Keywords: intelligent drilling; drilling technology; intelligent robot 收稿日期 : 2008211207. 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50674078, 50874096). 通信作者 :刘清友. E2mail: liuqy66@yahoo. com. cn. 世界新技术革命推动了石油科学技术的大发 展 ,在过去十年中 ,国内外钻井技术也取得了长足进 步 ,大大提高了钻井技术水平 ,降低了钻井成本 [ 1 ] . 但钻井仍然是油气田勘探开采中花费最大的作业. 进入新世纪的世界石油工业 ,无疑使石油科技日益 走向信息化、智能化、可视化. 由于高新技术在石油 勘探开发中的应用 ,未来的钻井技术将向更加精确、 高效、低成本、智能化和环保的方向发展 [ 2 ] . 随着钻 井技术、新材料技术、检测控制、微电子技术、通信和 计算机、机器人和超微加工技术等的进一步发展 ,智 能钻井新技术必将应运而生 ,并将会成为 21世纪钻 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第1期 刘清友：未来智能钻井系统 ·17。 井技术的主要发展方向」 过调整井下钻头喷嘴方向和泥浆流速、流量来控制 1智能钻井系统 钻头运动轨迹，实现对轨迹的实时控制，通过调节井 下变速箱实现对钻速的控制.同时，起下钻等钻井作 智能钻井新技术是信息技术、微电子技术机器 业均由地面机器人按指令自动完成： 人技术和通信网络技术与钻井工程紧密结合的一种 当遇到特殊钻井问题时，可以通过高速可视化 集成化技术 智能网将信息传输到全球集中控制中心，集中控制 未来的智能钻井系统如图1所示.井下钻具非 中心的世界知名专家根据现场的实况及时分析、处 常简化，主要由高寿命智能钻头、高智能微型机器 理，并将处理结果反馈到现场地面控制中心，解决钻 人、轴承组、机械密封、变速箱、电机、润滑油补充系 井中的各种问题 统、断开接头、CT(coiled tubing)接头及复合材料连 由此可见，智能钻井将大幅度降低钻井成本，大 续油管(composite coiled tubing,CCT)构成.地面设 大提高钻井速度，减少钻井事故的产生，实现井眼轨 备将全部集中安装在一台标准的货运汽车车厢中， 迹的精确控制1，对推广各种特殊钻井工艺，如小 主要有CT全自动钻机、数据采集及显示系统、工艺 井眼钻井，大位移井，水平井钻井，定向钻井和丛式 控制系统、井控系统、钻井液循环及固控系统等.在 钻井等提供了可能，并能实现对复杂地层和恶劣自 每个钻井现场，通过植入CCT内的纳米电缆可形成 然环境下的石油天然气勘探开发 井下与地面的闭环信息流程，实现遥控智能钻井；全 显然，未来智能钻井新技术是多种高新技术的 球集中控制中心通过通信网络技术对全世界各个油 综合运用.它将对微机电技术、机器人技术、检测控 井的钻井操作进行控制，实现全球钻井协同工作 制、通讯和计算机、新材料技术及钻井工艺等提出更 高的要求」 2微机电技术与机器人技术 为降低钻井成本，未来智能钻井技术将主要用 于小井眼钻井、微钻井等.其钻井设备必然是小型 动力装置 连续软管 的，甚至是微型的，这就要求井下机器人和钻井设备 体积小、性能高.所以未来智能钻井新技术的实现与 下在非磁钻中的导向钻具 微电子技术、微加工技术、新材料技术、纳米技术及 遥测装置 弯外壳 机器人技术等的发展密切相关 马达或祸轮 21微机电技术 钻头 减速装置 未来智能钻井中的地面机器人、井下高智能微型 机器人、便携式计算机、小型高寿命钻头及钻井装备 钻头短节 等的出现和发展都离不开微电子技术和微加工技术. 图1智能钻井系统 微电子技术发展至今，其芯片控制元件最小的 Fig 1 Intelligent drilling system 尺寸是180m,是目前微电子材料技术工艺可以达 在钻井过程中，井下电动机直接驱动高寿命智 到的极限)纳米技术将极大地提高人类存储、处 能钻头进行钻井作业，高性能泥浆由小型高压泵通 理信息的能力，其发展将使微电子技术进入一个崭 过CT送入井下.安置在井下钻头上的高智能微型 新阶段.其运用将使得微电子芯片不仅具有更小的 机器人直接观察和检测井下钻压、钻速、扭矩、泥浆 尺寸，而且具有更复杂的功能、更快的处理速度、更 性能、岩石性能、地层孔隙压力、井眼轨迹、井壁稳 低的功耗和更高的集成度，不断地满足数字信息技 定、钻头磨损、力学特性等所有井下参数，并通过植 术发展的需要51.纳米技术将用于下一代的微电子 入CCT内的纳米电缆传输到地面控制中心，在钻井 器件即纳电子器件，使未来智能钻井中所用的便携 的同时完成测井工作.地面控制中心的1~2名技术 式计算机、机器人等的体积变得越来越小，功能越来 人员负责监控，并根据井下工况及钻井工艺要求，通 越强大」 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
井技术的主要发展方向. 1 智能钻井系统 智能钻井新技术是信息技术、微电子技术、机器 人技术和通信网络技术与钻井工程紧密结合的一种 集成化技术. 未来的智能钻井系统如图 1所示. 井下钻具非 常简化 ,主要由高寿命智能钻头、高智能微型机器 人、轴承组、机械密封、变速箱、电机、润滑油补充系 统、断开接头、CT( coiled tubing)接头及复合材料连 续油管 ( composite coiled tubing , CCT)构成. 地面设 备将全部集中安装在一台标准的货运汽车车厢中 , 主要有 CT全自动钻机、数据采集及显示系统、工艺 控制系统、井控系统、钻井液循环及固控系统等. 在 每个钻井现场 ,通过植入 CCT内的纳米电缆可形成 井下与地面的闭环信息流程 ,实现遥控智能钻井 ;全 球集中控制中心通过通信网络技术对全世界各个油 井的钻井操作进行控制 ,实现全球钻井协同工作. 图 1 智能钻井系统 Fig. 1 Intelligent drilling system 在钻井过程中 ,井下电动机直接驱动高寿命智 能钻头进行钻井作业 ,高性能泥浆由小型高压泵通 过 CT送入井下. 安置在井下钻头上的高智能微型 机器人直接观察和检测井下钻压、钻速、扭矩、泥浆 性能、岩石性能、地层孔隙压力、井眼轨迹、井壁稳 定、钻头磨损、力学特性等所有井下参数 ,并通过植 入 CCT内的纳米电缆传输到地面控制中心 ,在钻井 的同时完成测井工作. 地面控制中心的 1～2名技术 人员负责监控 ,并根据井下工况及钻井工艺要求 ,通 过调整井下钻头喷嘴方向和泥浆流速、流量来控制 钻头运动轨迹 ,实现对轨迹的实时控制 ,通过调节井 下变速箱实现对钻速的控制. 同时 ,起下钻等钻井作 业均由地面机器人按指令自动完成. 当遇到特殊钻井问题时 ,可以通过高速可视化 智能网将信息传输到全球集中控制中心 ,集中控制 中心的世界知名专家根据现场的实况及时分析、处 理 ,并将处理结果反馈到现场地面控制中心 ,解决钻 井中的各种问题. 由此可见 ,智能钻井将大幅度降低钻井成本 ,大 大提高钻井速度 ,减少钻井事故的产生 ,实现井眼轨 迹的精确控制 [ 3 ] ,对推广各种特殊钻井工艺 ,如小 井眼钻井 ,大位移井 ,水平井钻井 ,定向钻井和丛式 钻井等提供了可能 ,并能实现对复杂地层和恶劣自 然环境下的石油天然气勘探开发. 显然 ,未来智能钻井新技术是多种高新技术的 综合运用. 它将对微机电技术、机器人技术、检测控 制、通讯和计算机、新材料技术及钻井工艺等提出更 高的要求. 2 微机电技术与机器人技术 为降低钻井成本 ,未来智能钻井技术将主要用 于小井眼钻井、微钻井等. 其钻井设备必然是小型 的 ,甚至是微型的 ,这就要求井下机器人和钻井设备 体积小、性能高. 所以未来智能钻井新技术的实现与 微电子技术、微加工技术、新材料技术、纳米技术及 机器人技术等的发展密切相关. 2. 1 微机电技术 未来智能钻井中的地面机器人、井下高智能微型 机器人、便携式计算机、小型高寿命钻头及钻井装备 等的出现和发展都离不开微电子技术和微加工技术. 微电子技术发展至今 ,其芯片控制元件最小的 尺寸是 180 nm,是目前微电子材料技术工艺可以达 到的极限 [ 4 ] . 纳米技术将极大地提高人类存储、处 理信息的能力 ,其发展将使微电子技术进入一个崭 新阶段. 其运用将使得微电子芯片不仅具有更小的 尺寸 ,而且具有更复杂的功能、更快的处理速度、更 低的功耗和更高的集成度 ,不断地满足数字信息技 术发展的需要 [ 5 ] . 纳米技术将用于下一代的微电子 器件即纳电子器件 ,使未来智能钻井中所用的便携 式计算机、机器人等的体积变得越来越小 ,功能越来 越强大. 第 1期 刘清友 :未来智能钻井系统 ·17· © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
18 智能系统学报 第4卷 微加工技术在微型机电系统的发展中起着举足 着新的质的飞跃.现在科学家们正在研制具有形象 轻重的作用.随着技术的进步，各种微加工技术在不 思维能力的计算机，称作神经计算机，而且已有所突 断完善，其发展出现了超微细加工，并向纳米加工 破.当机器人用上了具有逻辑思维能力的诺曼计算 方向发展6).纳米技术是当前先进制造技术发展的 机和具有形象思维能力的神经计算机相结合的“大 热点和重点，也是微型制造技术大显身手、大有用武 脑”，那么它就会成为更高级的智能机器人1.它将 之地的新领域.这些技术为制造微型高性能机器人、 能够充分利用它的各种灵敏的感觉器官去观察和检 小型高寿命钻头及钻井装备奠定了基础 测所有井下参数，并实时地将井下信息上传到地面」 现阶段，电器微型化已进入分子时代.纳米级新 机器人光有躯体、四肢和大脑是不够用的，还得 型电路、DNA连接纳米电子器件、纳米电缆和超 有眼、耳、鼻、舌、身等各种感觉器官，才能灵活地从 微电机等的研究与发明已有相关报道.纳米级新 事各种工作.2003年国际电子器件大会一篇有关电 型电路能够显著减少导线之间的干扰，大大提高电 子皮肤的论文表明这种电子皮肤能够让机器人的手 路运行效率，并且降低了电路制作成本.DNA连接 臂产生触觉.会上还介绍了超灵敏化学传感器和生 纳米电子器件是采用DNA分子将所制造的纳米电 物传感器1.由此可见，随着纳米技术和各种微型 子器件连接起来构成电路.纳米电缆则是只有头发 传感器的发展，未来的微型或纳米机器人将具有眼、 丝五万分之一细的纳米级同轴电缆.纳米电缆中电 耳、鼻、舌、身等各种灵敏的感觉器官，可用于测量井 子的传输不同于普遍的导体，其传输速度快，能耗更 下各种参数 小.而超微电机的转子直径只有30μm,转速却高达 随着各高新技术的发展和交叉融合，有人预言： 2000rmn这些微型电器的诞生为未来的智能钻 纳米机器人在油藏漫步、直接探测油藏奥秘将不再是 井中形成地面与井下的双向信息通道和整个钻井作， 天方夜谭那么，安置在井下钻头上，用于直接观察和 业奠定了基础.地面要通过电缆向井下电动机提供 检测所有井下参数，并通过置于CCT内的纳米电缆 动力，以驱动钻头旋转钻进，井下高智能微型机器人 传输到地面控制中心，在钻井的同时完成测井工作的 观察和检测到井下的所有参数后，也需要通过电缆 高智能微型机器人也不再是虚无缥缈的想象 将信息上传到地面.同时，由于纳米电缆结构尺寸微 3通信网络技术的发展 小，将其植入CCT中对CCT的强度也不会产生影 响.显然，这些微型电器的出现和发展未来智能钻井 在传统行业中，石油行业是应用计算机最早、对 提供了技术保证」 信息技术依赖程度最高的行业.其发展与信息技术 22机器人技术 己是休戚相关，密不可分.未来的石油天然气工业将 微型机器人是一种微型机电系统，它是集微型 处在“被编织的世界”里，即由强大的计算机网络、 机构、微型传感器、微型执行器、信号处理、控制电 智能化的人机控制信息技术以及对组织行为严格管 路、接口通讯、电源等于一体的微型机电器件或综 理的模式所组成2) 合体.未来智能钻井对高智能微型机器人要求更高， 未来的智能钻井新技术通过将实时数据传输到 不仅体积小，而且能在高温高压的井下准确地观察 网络系统中来实现对钻井过程的远程控制.这种双 和检测出所有的井下参数，并及时上传到地面控制 向通信可以安全地传递油井信息，既可将钻井数据 中心 传递给全球集中控制中心的专家，也可将专家们的 电池是机器人的动力源，其尺寸严重影响着机 信息传回钴井现场.这将对通信网络技术的发展提 器人的尺寸.美国能源部正投资开发同位素微型电 出了新的、更高的要求.它将十分强调数据的“集 池，法国巴黎的国立超微技术研究所研制出一种超 成”，要求通信网络在传输数据时具有大容量、高速 微型电池1，这些都可看出随着电池技术的不断发 传输、交互便捷、低时延和极为稳定的性能等特点， 展及微型电动机械功耗的变小，将来为微型，甚至纳 在数据的管理方面要能处理好数据（信息）共享与 米智能机器人提供动力电池不是一项困难的技术. 专有的关系.同时，它还要求未来的信息技术包含有 电脑是机器人的“大脑”，因此机器人的“成长” 分析和决策功能，并且能支持本地和与世界各地其 与电脑的进展有直接关系.目前，电脑的发展正蕴藏 他用户的远程协同工作 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
微加工技术在微型机电系统的发展中起着举足 轻重的作用. 随着技术的进步 ,各种微加工技术在不 断完善 , 其发展出现了超微细加工 ,并向纳米加工 方向发展 [ 6 ] . 纳米技术是当前先进制造技术发展的 热点和重点 ,也是微型制造技术大显身手、大有用武 之地的新领域. 这些技术为制造微型高性能机器人、 小型高寿命钻头及钻井装备奠定了基础. 现阶段 ,电器微型化已进入分子时代. 纳米级新 型电路、DNA连接纳米电子器件、纳米电缆 [ 4 ]和超 微电机 [ 7 ]等的研究与发明已有相关报道. 纳米级新 型电路能够显著减少导线之间的干扰 ,大大提高电 路运行效率 ,并且降低了电路制作成本. DNA 连接 纳米电子器件是采用 DNA分子将所制造的纳米电 子器件连接起来构成电路. 纳米电缆则是只有头发 丝五万分之一细的纳米级同轴电缆. 纳米电缆中电 子的传输不同于普遍的导体 ,其传输速度快 ,能耗更 小. 而超微电机的转子直径只有 30μm,转速却高达 2 000 r/m in. 这些微型电器的诞生为未来的智能钻 井中形成地面与井下的双向信息通道和整个钻井作 业奠定了基础. 地面要通过电缆向井下电动机提供 动力 ,以驱动钻头旋转钻进 ;井下高智能微型机器人 观察和检测到井下的所有参数后 ,也需要通过电缆 将信息上传到地面. 同时 ,由于纳米电缆结构尺寸微 小 ,将其植入 CCT中对 CCT的强度也不会产生影 响. 显然 ,这些微型电器的出现和发展未来智能钻井 提供了技术保证. 2. 2 机器人技术 微型机器人是一种微型机电系统 ,它是集微型 机构、微型传感器、微型执行器、信号处理、控制电 路、接口、通讯、电源等于一体的微型机电器件或综 合体. 未来智能钻井对高智能微型机器人要求更高 , 不仅体积小 ,而且能在高温高压的井下准确地观察 和检测出所有的井下参数 ,并及时上传到地面控制 中心. 电池是机器人的动力源 ,其尺寸严重影响着机 器人的尺寸. 美国能源部正投资开发同位素微型电 池 ,法国巴黎的国立超微技术研究所研制出一种超 微型电池 [ 7 ] ,这些都可看出随着电池技术的不断发 展及微型电动机械功耗的变小 ,将来为微型 ,甚至纳 米智能机器人提供动力电池不是一项困难的技术. 电脑是机器人的“大脑 ”,因此机器人的“成长 ” 与电脑的进展有直接关系. 目前 ,电脑的发展正蕴藏 着新的质的飞跃. 现在科学家们正在研制具有形象 思维能力的计算机 ,称作神经计算机 ,而且已有所突 破. 当机器人用上了具有逻辑思维能力的诺曼计算 机和具有形象思维能力的神经计算机相结合的“大 脑 ”,那么它就会成为更高级的智能机器人 [ 7 ] . 它将 能够充分利用它的各种灵敏的感觉器官去观察和检 测所有井下参数 ,并实时地将井下信息上传到地面. 机器人光有躯体、四肢和大脑是不够用的 ,还得 有眼、耳、鼻、舌、身等各种感觉器官 ,才能灵活地从 事各种工作. 2003年国际电子器件大会一篇有关电 子皮肤的论文表明这种电子皮肤能够让机器人的手 臂产生触觉. 会上还介绍了超灵敏化学传感器和生 物传感器 [ 8 ] . 由此可见 ,随着纳米技术和各种微型 传感器的发展 ,未来的微型或纳米机器人将具有眼、 耳、鼻、舌、身等各种灵敏的感觉器官 ,可用于测量井 下各种参数. 随着各高新技术的发展和交叉融合 ,有人预言 : 纳米机器人在油藏漫步、直接探测油藏奥秘将不再是 天方夜谭.那么 ,安置在井下钻头上 ,用于直接观察和 检测所有井下参数 ,并通过置于 CCT内的纳米电缆 传输到地面控制中心 ,在钻井的同时完成测井工作的 高智能微型机器人也不再是虚无缥缈的想象. 3 通信网络技术的发展 在传统行业中 ,石油行业是应用计算机最早、对 信息技术依赖程度最高的行业. 其发展与信息技术 已是休戚相关 ,密不可分. 未来的石油天然气工业将 处在“被编织的世界 ”里 ,即由强大的计算机网络、 智能化的人机控制信息技术以及对组织行为严格管 理的模式所组成 [ 2 ] . 未来的智能钻井新技术通过将实时数据传输到 网络系统中来实现对钻井过程的远程控制. 这种双 向通信可以安全地传递油井信息 ,既可将钻井数据 传递给全球集中控制中心的专家 ,也可将专家们的 信息传回钻井现场. 这将对通信网络技术的发展提 出了新的、更高的要求. 它将十分强调数据的“集 成 ”,要求通信网络在传输数据时具有大容量、高速 传输、交互便捷、低时延和极为稳定的性能等特点 , 在数据的管理方面要能处理好数据 (信息 )共享与 专有的关系. 同时 ,它还要求未来的信息技术包含有 分析和决策功能 ,并且能支持本地和与世界各地其 他用户的远程协同工作. ·18· 智 能 系 统 学 报 第 4卷 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第1期 刘清友：未来智能钻井系统 ·19。 事实上，下一代网络是为多媒体通信而设计的， 料在内的多种优质钢材和复合材料，从多条焊缝发 能提供高效传输效率，能传送和处理包括话音、数据 展到无缝管，其强度、韧性、寿命有了很大提高，直 和多媒体等的多种业务.下一代网络的特征是智能建 径也在不断增大.目前，已有将电缆、铜线或光纤植 网.通信网络技术在钻井行业的应用越来越多且越普 入CCT管壁内的技术.那么随着新材料技术的发 及，在应用方向上出现了网络化、有形化、可视化、集 展，将纳米电缆植入CCT管壁内，就可以在向井下 成化、智能化等趋势).并且大屏幕可视化或虚拟现 电动机输送电力的同时，还能为井下和地面提供信 实技术近年来的发展已经在石油工业中创造出了一 息的双向通道，使井下和地面都能同时发送和接收 种全新的工作模式，三维可视化技术与虚拟现实技术 数据」 在石油领域的应用已有一些成功案例2).这些技术使 42井下钻具组合 专家们可通过网络和多媒体在遥远的全球控制中心 未来智能钻井与电动CT钻井用井下钻具相 实时看到作业现场的图像，听到机器的声音.而信息 比要简单.其中变速箱、电动机、润滑油补充系统、断 技术从信息高速公路到数字油田的飞速发展，足以证 开接头及CT接头的功能与电动CT钻井中相应钻 明随着通信网络技术的不断发展，它必定能很好地为 具的功能相同.目前，己有几家公司研制出了井下闭 未来的智能钻井新技术服务 环自动控制系统，已初具智能钻井井下钻具的雏形 CT钻井中常用的钻头有TSP(themal stable poly- 4钻井设备的发展 crystalline)、天然金刚石钻头和DC(polycrystalline 未来智能钻井技术采用电动CT钻井，其钻井 diamond composite)钻头21.国外有些公司正在着手 工艺基本上与CT钻井相同，只是它更加智能化，地 研制智能钻头，估计在今后几年中，智能钻头就可能 面钻井作业均由机器人按指令自动完成，现场只需 问世.由于新材料的应用，钻头的寿命会大幅度 要1~2名工作人员来维护钻井现场的设备以及操 增加.并且钻头的喷嘴可以由控制中心遥控，以调节 作CT钻机控制室内的便携式计算机，根据钻井现 其射流方向钻进中可通过调整井下钻头喷嘴方向 场的情况和钻井工艺要求发出指令或请求，以实现 和泥浆流速、流量控制钻头运动轨迹，实现对轨迹的 钻井作业快速、正常地进行.由此可见，智能钻井技 实时控制，通过调节井下变速箱实现对钻速的控制 术对其设备方面的要求更高 5结束语 41地面设备 地面设备将会向着小型化方向发展.电动CT 智能钻井技术是一项集成化技术，是高智能机 钻井技术具有占地面积小、具有所需工作人员少、钻 器人、智能控制及智能网络等高新技术的综合运用 井成本低、适宜在特殊环境及特殊勘探开发中应用、 它可以减少或消除对环境的污染，大幅度降低钻井 更加环保、更加适合用于自动化智能化钻井等优 成本，大大提高钻井质量和效率，节省时间，并可对 点02最近几年，国外不少公司投入巨资研究和 井眼轨迹精确控制，同时还可以根据地面的指令自 开发CT钻井技术及其装备，并取得了巨大的成就， 动在三维空间内改变井眼轨迹，优化钻井过程，快速 注入头、数据采集系统、工艺控制系统、CCT及钻 优质地固井、完井提供井眼保证，从而获得更好的经 机等已取得了重大技术改进则 济效益.同时，智能钻井新技术对推广各种特殊钻井 目前己针对许多不同情况和不同要求研制出了 工艺，如小井眼钻井，大位移井，水平井钻井，定向钻 相应功能的CT钻机，比如具有独特设计的Trans- 井和丛式钻井等提供了可能，并能实现对复杂地层 ocean Ensign Drilling CT钻机，贝克休斯公司研制的 和恶劣自然环境下的石油天然气勘探开发.连续管 3种具有不同功能的混合型钻机等1.随着钻井技 钻井技术、自动化钻井技术、通信网络技术、新型材 术的不断提高及钻井设备的不断发展，自动化、智能 料、超微技术、自动控制技术、计算机技术及机器人 化钻井技术作为21世纪的前沿钻井技术，不久必将 技术等为未来的智能钻井新技术提供了技术保证 会有许多公司投入大量人力物力开发CT全自动钻 随着这些技术的不断发展、交叉融合和综合运用，必 机并取得成功 将实现未来的智能钻井新技术。 现在CT材料己从普通碳钢发展到包括复合材 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.htp://www.cnki.net
事实上 ,下一代网络是为多媒体通信而设计的 , 能提供高效传输效率 ,能传送和处理包括话音、数据 和多媒体等的多种业务.下一代网络的特征是智能建 网.通信网络技术在钻井行业的应用越来越多且越普 及 ,在应用方向上出现了网络化、有形化、可视化、集 成化、智能化等趋势 [ 9 ] . 并且大屏幕可视化或“虚拟现 实 ”技术近年来的发展已经在石油工业中创造出了一 种全新的工作模式 ,三维可视化技术与虚拟现实技术 在石油领域的应用已有一些成功案例 [ 2 ] .这些技术使 专家们可通过网络和多媒体在遥远的全球控制中心 实时看到作业现场的图像 ,听到机器的声音. 而信息 技术从信息高速公路到数字油田的飞速发展 ,足以证 明随着通信网络技术的不断发展 ,它必定能很好地为 未来的智能钻井新技术服务. 4 钻井设备的发展 未来智能钻井技术采用电动 CT钻井 ,其钻井 工艺基本上与 CT钻井相同 ,只是它更加智能化. 地 面钻井作业均由机器人按指令自动完成 ,现场只需 要 1～2名工作人员来维护钻井现场的设备以及操 作 CT钻机控制室内的便携式计算机 ,根据钻井现 场的情况和钻井工艺要求发出指令或请求 ,以实现 钻井作业快速、正常地进行. 由此可见 ,智能钻井技 术对其设备方面的要求更高. 4. 1 地面设备 地面设备将会向着小型化方向发展. 电动 CT 钻井技术具有占地面积小、具有所需工作人员少、钻 井成本低、适宜在特殊环境及特殊勘探开发中应用、 更加环保、更加适合用于自动化智能化钻井等优 点 [ 10212 ] . 最近几年 ,国外不少公司投入巨资研究和 开发 CT钻井技术及其装备 ,并取得了巨大的成就 , 注入头、数据采集系统、工艺控制系统、CCT及钻 机 [ 13 ]等已取得了重大技术改进 [ 10 ] . 目前已针对许多不同情况和不同要求研制出了 相应功能的 CT钻机 ,比如具有独特设计的 Trans2 ocean Ensign D rilling CT钻机 ,贝克休斯公司研制的 3种具有不同功能的混合型钻机等 [ 10 ] . 随着钻井技 术的不断提高及钻井设备的不断发展 ,自动化、智能 化钻井技术作为 21世纪的前沿钻井技术 ,不久必将 会有许多公司投入大量人力物力开发 CT全自动钻 机并取得成功. 现在 CT材料已从普通碳钢发展到包括复合材 料在内的多种优质钢材和复合材料 ,从多条焊缝发 展到无缝管 ,其强度、韧性、寿命有了很大提高 , 直 径也在不断增大. 目前 ,已有将电缆、铜线或光纤植 入 CCT管壁内的技术. 那么随着新材料技术的发 展 ,将纳米电缆植入 CCT管壁内 ,就可以在向井下 电动机输送电力的同时 ,还能为井下和地面提供信 息的双向通道 ,使井下和地面都能同时发送和接收 数据. 4. 2 井下钻具组合 未来智能钻井与电动 CT钻井用井下钻具 [ 14 ]相 比要简单. 其中变速箱、电动机、润滑油补充系统、断 开接头及 CT接头的功能与电动 CT钻井中相应钻 具的功能相同. 目前 ,已有几家公司研制出了井下闭 环自动控制系统 ,已初具智能钻井井下钻具的雏形. CT钻井中常用的钻头有 TSP ( thermal stable poly2 crystalline)、天然金刚石钻头和 PDC ( polycrystalline diamond composite)钻头 [ 12 ] . 国外有些公司正在着手 研制智能钻头 ,估计在今后几年中 ,智能钻头就可能 问世 [ 1 ] . 由于新材料的应用 ,钻头的寿命会大幅度 增加. 并且钻头的喷嘴可以由控制中心遥控 ,以调节 其射流方向. 钻进中可通过调整井下钻头喷嘴方向 和泥浆流速、流量控制钻头运动轨迹 ,实现对轨迹的 实时控制 ,通过调节井下变速箱实现对钻速的控制. 5 结束语 智能钻井技术是一项集成化技术 ,是高智能机 器人、智能控制及智能网络等高新技术的综合运用. 它可以减少或消除对环境的污染 ,大幅度降低钻井 成本 ,大大提高钻井质量和效率 ,节省时间 , 并可对 井眼轨迹精确控制. 同时还可以根据地面的指令自 动在三维空间内改变井眼轨迹 ,优化钻井过程 ,快速 优质地固井、完井提供井眼保证 ,从而获得更好的经 济效益. 同时 ,智能钻井新技术对推广各种特殊钻井 工艺 ,如小井眼钻井 ,大位移井 ,水平井钻井 ,定向钻 井和丛式钻井等提供了可能 ,并能实现对复杂地层 和恶劣自然环境下的石油天然气勘探开发. 连续管 钻井技术、自动化钻井技术、通信网络技术、新型材 料、超微技术、自动控制技术、计算机技术及机器人 技术等为未来的智能钻井新技术提供了技术保证. 随着这些技术的不断发展、交叉融合和综合运用 ,必 将实现未来的智能钻井新技术. 第 1期 刘清友 :未来智能钻井系统 ·19· © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
·20· 智能系统学报 第4卷 [9]GOLEN IEW SKIL电信技术基础[M)唐宝民，江凌云， 参考文献： 王文鼎，等译.北京：人民邮电出版社，2003 [1岳登进，冯明.过去10年国外钻井技术的重要进步 [10大港油田集团钻采工艺研究院.国内外钻井与采油工 [J]钻采工艺，2001,24(4)：5-7 程新技术M1.北京：中国石化出版社，2002 YUE Dengjin,FENG Ming The mapr advances in drilling [11浏海浪，柯仲华，赵振峰.小井眼和连续油管技术的进 technology abroad over the last decade [J].Drilling Pro- 展与应用M]北京：石油工业出版社，1998 duction Technolgy,2001,24(4):5-7 [12陈会年，张国龙，胡清富.连续油管钻井技术的发展及 [2浏振武，方朝亮，王同良.高新技术在石油工业中的应用 应用[J]石油钻探技术，2000,28(2)：19-21 展望M1北京：石油工业出版社，2003. CHEN Huinian,ZHANG Guobng,HU Q ingfu Devebp- [3祝效华，刘清友，李红岩，等.井眼轨迹预测理论及方法 ments and applications of coiled tubing drilling techniques 研究[J]天然气工业，2004,24(4)：38-40 [J].Petroleum Drilling Techniques,2000,28(2):19- ZHU Xiaohua,LU Qingyou,L I Hongyan,et al Study on 21 theory and method of bore-hole trajectory prediction [J. [13侏才朝，谢永春，伍奎，等.钻机系统故障智能诊断方 Natural Gas Industry,2004,24(4):38-40. 法[J]重庆大学学报，2003,26(10)：97-100 [4范莉，王东升.纳米技术在电子技术中的应用[J]内 ZHU Caichao,XIE Yongchun,WU Kui,et al Study on 蒙古科技与经济，2004,3：58 the method of intelligence fault diagnosis system for drill [5张宝红，刘蕴哲.电子技术的发展[J]同煤科技，2002,6 [J ]Joumal of Chongqing University,2003,26(10): (2):13-40 97-100 ZHANG Baohong,L U Yunzhe On development of electronic [14 ]HE Yufa,L U Q ingyou Microhole technology probing and technobgy[J]Science Technobgy of Datong Coal Mining Propects[C]//The First Intemational Form on Petroleum Adm ingistration,2002,6(2):13-40 Sustainable Development for Ph D Candidates Beijing, [6贾宝贤，王振龙，赵万生.基于特种加工的微细制造技术 2007,8:2442-2445 [J]电加工与模具，2003(4)：14 作者简介： JA Baoxian,WANG Zhenbng.ZHAO Wansheng Micro 刘清友，男，1965年生，教授，博士 fabrication technobgy based on non-traditional machining 生导师，世界石油工程学会会员、中国 [J].Electromachining Mould,2003(4):1-4 计算机仿真学会理事、四川省石油学会 [7杨家军.机械系统创新设计M.武汉：华中理工大学出 理事、四川省机械工程学会副秘书长兼 版社，2000 学术委员会委员、四川省机械振动工程 「8蒋明.DM大会展现微米纳米电子技术方面的进 学会常务副理事长等.主要研究方向为 步[J]今日电子，2004(2)：121-126 机械工程油气井工程和计算机仿真技术.承担国家、省部级 J ANG Ming The achievements on m icron/nanometer elec- 研究课题30余项，先后获得省部级科技进步奖7项、国家专 tronic technobgy shown in IEDM [J]Electronic Products 利26项.发表学术论文150余篇，出版专著3部. China,2004(2):121-126 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
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