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