全球自動化鑽井關鍵技術進展與發展趨勢

作者：楊傳書　 張好林　 肖　 莉

（中國石化石油工程技術研究院）

0、 引　 言

一般認為，世界鑽井技術發展分為經驗鑽井、科學鑽井、自動化鑽井和智能化鑽井４個階段。根據這種劃分，自動化鑽井僅指鑽台設備的自動控制，智能鑽井則要通過計算模型和智能決策技術形成控制指令，達到自治式閉環控制鑽井。從目前的技術發展來看，此二者在同步發展，因此「自動化智能化鑽井」一詞常見使用，也就是廣義的自動化鑽井。

自動化鑽井技術的發展最早源於「計算機控制的鑽井」。早在20世紀60年代， 隨著集成電路計算機及標準化編程語言的誕生，人們開始探索用計算機程序控制鑽機設備。1969年， F.S.YOUNG等承擔了ＭＣＤ（最低成本鑽井）項目設計，並實施了一套基於鑽壓轉速控制的計算機控制鑽井系統，其通過短間隔的鑽速測試、參數優化和鑽壓扭矩調整等系列步驟實現控制鑽井，達到低成本鑽井的目的，但由於各種條件的限制，試驗並未能持續。

２０世紀８０年代後期，隨著感測器技術的發展，業界又看到了希望，並開始新一輪技術試驗。J.F.BRETT等設計了一套計算機控制的鑽井系統，該系統使用了３５種模擬輸入感測器、７種數字輸入儀器、５種模擬輸出儀器和５種數字輸出儀器，採用該系統開展了自動控制鑽壓和轉速實現純鑽進的技術試驗，儘管試驗取得了一些激動人心的效果，但因感測器的可靠度和準確度以及成本問題而終止。

此後，業界較少開展大規模的自動化鑽井試驗，而是重點致力於幾大關鍵技術領域的發展，比如儀器與測量系統、計算模型、信息通信與數據處理及遠程決策系統等。直至２０１０年前後，各大關鍵技術逐漸成熟，業界開始掀起了一股新的熱潮，先進的自動化和通信技術已經逐漸從實驗室走向鑽台，傳統的鑽井方法正逐漸被摒棄，鑽井過程正在朝自動化智能化方向發展。尤其是最近幾年，自動化智能化鑽井整體技術發展迅猛，單項技術走向整合，新的技術組織、服務公司和現場試驗項目不斷湧現。

１、 國外整體技術最新進展

１.１　 自動化鑽井技術路線圖

為了更快地推進自動化鑽井技術發展，美國石油工程師協會（SPE）於２００８年成立了鑽井系統自動化技術部（DSATS）。２０１３年，由deWards、Baker Hughes、M-ISWACO、Schlumberger、NOV和Shell等公司和設備製造商共同發起成立了自動化鑽井路線圖（DSA-R）聯盟。該聯盟與DSATS以及IADC的先進鑽機技術委員會（ART）廣泛溝通，分工協作，形成了合力，共同致力於自動化鑽井技術的快速推進。 以下是他們共同研究制定的願景與路線圖。

１.１.１　 自動化鑽井系統願景

設想的鑽井自動化系統願景如圖１所示。通過隨鑽井下測量的豐富信息，利用模型和模擬系統進行實時智能優化與決策，進而自動控制井場設備，完成最優化鑽井過程，最終實現基於全面自動優化的閉環鑽井。隨鑽井下測量的信息不僅有常見的井斜方位，而且還包括鑽頭鑽壓、鑽頭扭矩、鑽頭轉速和鑽具振動等鑽柱力學信息以及各種地層的評價信息。

１.１.２　 自動化鑽井技術路線圖

研究人員通過類比和學習其他行業成熟應用的系統工程理論，進行了自動化鑽井技術（ＤＳＡ）分級框架。 圖２為ＤＳＡ?Ｒ分級框架圖。從０級至４級依次是：手工控制的鑽完井施工；可感知的人工操控鑽完井施工；通過實時分析軟體和控制系統監測和控制的鑽完井施工；基於業務流程管控的鑽完井；涵蓋相關業務管控（包括物資的供應等）的鑽完井。其中第２級和第３級是工程技術領域研究的核心。

同時，為了便於協同研究，又將DSA劃分成了７大研究領域：通信、感測器與測量系統、鑽機設備、控制系統、建模與模擬、人機系統、標準及認證（見圖３），其中感測器與測量系統是重要基礎，數據是這個系統中的紐帶。

１.２　 技術研究重點及最新進展

1.２.１　 鑽機設備自動化

交流變頻驅動技術的出現對ＤＳＡ來說是個重大突破，使得機器控制變得更加靈活。鑽機設備自動化的主要功能如下。

旋轉： 頂驅自動控制能力由扭矩控制演算法（用於減輕黏滑運動）實現，該演算法可以最大限度地減少人工輸入。

起升：起升系統包括絞車、齒輪齒條和水力活塞。 電驅動絞車能實現升降補償， 電驅動永久磁鐵馬達能實現自動故障鎖定。

起下管柱： 這是重複次數多且在鑽台上最危險的工作，目前大部分鑽機沒有實現自動起下。

接單根：通過3D界面遠程控制無人值守接單根， 下步研製遠程控制接BHA。

泵送： 鑽井泵要有電驅動且具有適應於不同狀態的協議，比如階梯式速率。

鑽井液處理： 混漿和處理設施可以實現連續的鑽井液性能調控，減少人的干預。

井控： 緊急斷開系統和防噴器等。

目前許多廠商開展了相關研製工作，甚至出現了專門從事鑽機設備自動化設計製造的公司，比如RoboticDrillingSystem公司研製了系列自動化設備：鑽桿操作機器人（雙人）、鐵鑽工機器人、起升機器人、甲板機器人、升降機器人和機器人滑軌等，功能非常全面，部分機器人還具有自學習和記憶功能。

１.２.２　 儀器與測量系統

要使測量儀器完全適應DSA的應用場景，必須從以下方面對現有儀器進行研究改進：①完整性。每個儀器必須能檢測到全部狀態下的數據。②邏輯性。依據當前的作業狀態選擇對應的測量儀器（位置）。③近距離測量。感測器應儘可能置於所需參數測量點最近的位置。④精度。充分的信息以評估精度（尤其是估算的）及儀器校準。⑤換算。充分的信息用以更正測量信息。⑥臨界。臨界參數必須有冗餘測量（多種途徑測量）。⑦可靠性。可靠性是DSA的最基本要求。

此外，儀器廠家必須遵從一個標準，使其能夠方便地接入DSA。目前鑽井儀器與測量系統已經完全轉向隨鑽測量。地面測量除了傳統的綜合錄井儀外，岩屑和鑽井液參數的測量已在研究之中；井下測量方面，電纜測井項目大多已被隨鑽測井替代，井下動力學參數測量成為研究熱點。根據美國國民油井華高公司介紹，其開發的井下動力學測量短節（又稱Blackbox）可以測量鑽壓、扭矩、橫向加速度、旋轉加速度、軸向加速度、井下溫度、壓力、轉速、黏滑振動和渦動等參數，這些參數對於井下BHA的振動等力學模擬起到了至關重要的作用。

１.２.３　 通信技術

通信系統是DSA的神經，通過它實現自動化鑽井生態中各部分之間互聯互操作。 主要分為地上通信和井下通信２部分。其中，地上部分的通信包括遠程通信和井場近距離通信，目前有衛星、3G／4G、微波、有線寬頻和光纖等多種形式， 技術相對比較成熟。井下通信主要是測控儀器設備之間以及儀器與地面系統之間的通信。該領域一直是井下測控系統的技術瓶頸，目前比較成熟的是鑽井液脈衝和電磁波，智能鑽桿是一個業界看好的技術。此外還有聲波、光纖感測和激光二極體等技術，尚屬探索階段。

目前最受DSA試驗團隊歡迎的井下通信技術是智能鑽桿。國民油井公司研製的智能鑽桿目前已經應用130多口井，進尺超過3×10

５

ｍ。智能鑽桿數據傳輸具有高速、穩定和低延時的特點，還可實現雙向傳輸，為更多參數測量傳輸和控制指令的下達提供了有效途徑。智能鑽桿的應用使得沿著鑽柱的成串測量（ASMs）成為現實，從而可以更加精細地監測井筒壓力等關鍵參數。目前商業應用的智能鑽桿傳輸速率為57kbits/s（另據報道稱，最新產品傳輸速率已達2Mbits/s），需每隔500m左右安置１個信號增強處理器。

圖４是井下動力學測量短節與智能鑽桿配合使用形成ASMs的示意圖。

此外，貝克休斯公司推出的智能連續管將井下數據實時採集與井下供電結合起來，具有帶寬高、抗振和穩定的特點，可實時傳輸井下深度、壓力、溫度信號甚至視頻。

１.２.４　 控制系統

控制系統包括網路、控制系統（電、機械、水力）和自調節系統等。未來的鑽井控制系統必須能理解鑽井過程並給操作工提供建議，甚至更高水平的機器智能提供人機交互。控制系統還在鑽井執行系統中承擔重要作用，與模型、模擬和數據採集系統緊密結合。控制系統未來的研究重點在於：被持續測試和驗證；很容易植入現有鑽機；以鑽井全過程管理替代單一設備的管理；利用數據驅動方法和基於物理的演算法處理內在的不確定性。

１.２.５　 模型與模擬

計算機建模是近幾十年來業界重點研究的領域，取得了豐碩的成果。在DSA中， 現有模型除了不斷提高其計算準確性和全面性以外，更重要的是實現實時計算和多模型協同計算。經過長期研究，鑽井流體力學、鑽井管柱力學（摩阻扭矩）和井壁穩定性等傳統模型不斷改進成熟。近年來新研究了鑽柱動力學模型，在摩阻扭矩模型基礎上，對BHA振動狀態及其影響的相關模擬計算。該模型可以進行渦動、渦動伴隨黏滑振動以及高頻率旋轉振動的模擬計算。研究表明，振動是導致鑽頭及BHA失效、鑽井性能降低的主要原因。據某服務公司統計，由於衝擊和振動導致的效益損失佔到?4。智能鑽桿的高速率低延時傳輸，為振動信號的實時傳輸和振動分析模型應用提供了可能。

模擬是在上述模型基礎上，構建多領域參數預測優化的生態系統，其模擬結果一般通過一個虛擬模擬界面集成展現，其功能結構示意圖如圖５所示。構建這樣的生態系統，必須研究並處理各模擬子模塊之間的依賴關係、優先關係以及他們對鑽井狀態的依賴關係，軟體架構設計上必須充分考慮其實時性和協同性。

隨著自動化鑽井相關技術的逐漸成熟和迫切需求，鑽井數字模擬和遠程控制系統不斷被研發出來。最有代表性的產品有eDrilling系統、DrillTronics系統、Aker公司的HIL模擬器和德國的CelleHIL模擬器。

eDrilling系統是一套純軟體鑽井模擬系統，以地學模型、水力學模型、管柱力學模型、 井壁穩定模型、振動模型和機械鑽速模型為核心，以三維虛擬井筒為用戶界面，功能覆蓋鑽前模擬優化、鑽前模擬培訓預演、隨鑽監測與優化控制、鑽後回放分析等全過程。

DrillTronics系統主要針對實鑽過程，具有實時監測、過程回放、 診斷與優化控制功能。Sekal公司宣稱DrillTronics是世界上第１套自動化鑽井控制系統。該系統在Statoil應用中，通過優化參數、 自動化起下鑽、接單根和起停泵等操作，平均每口井節約鑽井時間４％，且提高了施工安全性。目前，聯合研究團隊正在進一步開展自動化鑽井液處理和地漏測試等研究工作。

Aker公司的三維鑽井模擬器屬於HIL（HardwareInloop）類型的模擬器，即將井下硬體同模擬軟體直接相連，更加真實地模擬鑽井過程。除了鑽機是虛擬的外，其控制系統—地面設備（絞車、排管架、 排管系統、上卸扣液壓鉗和頂驅等）及井下情況（各種操作、鑽進、起下鑽、流體、防噴器、 鑽井泵、壓力和體積等）與實際鑽機用的系統完全一樣，因此在模擬時其響應時間也完全一樣。

德國在Celle建立了鑽井模擬研究中心，準備研發一個基於HIL模型的混合型模擬器，將一段HBA＋鑽頭部分做成物理試驗台架，其他部分用虛擬模型實現，BHA的移動和相關測量都是基於硬體，彌補了虛擬模型的弱點。物理試驗台架包括岩石腔、BHA腔和動力腔３段，可以模擬全套BHA的振動情況，還可用來進行電子部件可靠度測試及壽命測試。該裝置可以模擬真實頻率和振幅的渦動與跳動。

１.２.６　 人機介面（HSI）

HSI是個為了改進和獲得更好的DSA而引入的相對較新的概念，其目的是一切以人的需求出發，建立一個以用戶為中心的過程。隨著DSA的發展，鑽台上的人會逐漸減少，但是人的角色將從井場轉移到系統內部和遠程中心。

１.２.７　 標準及認證

在單項技術快速發展的同時，必須制定開放的行業標準，才能促進成果的集成和減少重複研究，加快DSA整體技術進步。目前有超過33項標準與DSA有關，其中OPCUA已被推薦為DSA設備間通信協議標準， WITS/WITSML是設備與系統、系統與系統間通信的主要標準。其他標準仍需繼續研究。認證的目的是確保系統遵從相關標準，使得依賴的系統間能夠正常通信和交換，且通過驗證。

１.３　DSA的應用模式

圖６是貝克休斯公司繪製的鑽井遠程支持中心發展歷程。鑽井遠程支持中心配備的軟體大致包括以下功能：數據遠程傳輸、風險預測與診斷、方案模擬優化、智能決策及基於信息可視化的人機界面。

DSA的終極目標是建立「參數測量－智能分析決策－自動控制執行」 的自治式閉環系統，其中的智能分析決策部分相當於「大腦」，在未來的一個漫長的發展時期內，該大腦仍將由電腦和人腦共同組成，始終離不開人的參與。實踐證明，由遠程作業支持中心承擔智能決策分析功能，使得現場與後方形成閉環是一個最佳的應用模式。從最早的鑽井遠程監測和診斷指導，發展到遠程監督和決策指揮，到將來的實時模擬優化與遠程控制，直到自動化鑽井的最終目標閉環鑽井，遠程中心一直處於重要地位。

貝克休斯、 哈里伯頓和斯倫貝謝公司已經建立了100多個鑽井遠程支持中心。 隨著DSA相關技術的不斷提高，遠程作業支持系統的功能正在從監測決策向遠程控制方向演進。比如貝克休斯公司的專家決策支持與遠程作業網路平台（BEACON）已經實現了遠程MWD/LWD服務，即在遠程中心配備１名MWD/LWD工程師負責全面技術支持，現場只有１名定向工程師和１名實時高級工程師。後者是個新職位，其主要職責是負責現場的感測器、數據和計算機相關的所有問題，以及配合DDX處理部分儀器操作問題。貝克休斯公司認為這種模式在遠程中心增加了１人，但在現場減少了３～４人。

業界預測，新的鑽井施工模式將是「遠程決策＋技術服務」替代現場服務，使井場與後方的人員重新配置，技術服務和專家決策水平也會隨之大大提高，這是邁向自動化鑽井的第１步。這種新業態將催生集成作業承包商（IOC）的出現。此外，美國得克薩斯大學奧斯汀分校於2015年啟動了RAPID研究項目，研究範圍涵蓋了自動化鑽井系統的全部技術領域，包括自動控制系統、建模與模擬系統、實時監測與數據分析系統、智能鑽井控制設備及設備重構，其最終目標是實現縮短鑽完井時間（或降低成本）和降低井場用工量雙雙達到50％。

１.４　DSA現場試驗

部分公司已經在嘗試利用最新的技術成果進行小型或局部的DSA現場試驗。斯倫貝謝公司於2012年開展了名為ROPO的閉環自動化鑽井試驗。試驗的閉環系統包括鑽機控制系統、設備驅動部件及OPCUA伺服器、自動化司鑽台、 執行系統伺服器和應用伺服器。試驗結果表明使用該閉環系統明顯提升了ROP。 HESS公司與國民油井公司於2015年聯合開展了16口井的閉環自動化鑽井試驗。通過測量傳輸井下鑽壓、扭矩、轉速、陀螺測斜、橫向振動、軸向振動和環空壓力等參數，利用優化計算模型推薦的參數自動控制鑽井過程，試驗井平均日進尺提高了17％（其中直井段提高了24％），還突破了一些意料之外的技術瓶頸，積累了經驗。

２　 國內主要技術進展

２.１　 硬體系統

在地面設備方面，國內鑽機裝備製造商（如寶雞石油機械有限責任公司）研製了管柱自動化處理系統、遠程電子雙集成司鑽和鑽機集成控制系統，部分設備已經走向鑽台。在測量系統方面，國內眾多研究機構開展了綜合錄井儀、MWD、LWD、EM-MWD、FEWD和智能鑽桿等技術研究，其中綜合錄井儀、MWD和LWD日趨成熟，智能鑽桿技術仍處於研究階段。總的來說，國內擁有自主知識產權的儀器所能測量的參數比國外少得多，井下傳輸方面僅鑽井液脈衝和電磁波技術比較成熟。綜上，井下參數的測量傳輸技術仍是國內DSA的主要技術瓶頸。

２.２　 軟體系統

國內鑽井軟體研發大多偏重於鑽井設計，遠程決策與模擬控制方面的自研軟體較少，主要集中在錄井數據遠程監測和地質導向方面，部分系統在鑽井風險控制方面有了新進展。

中石油長城鑽探公司開發的遠程控制錄井系統將現場採集的感測器、 烴類氣體、 音頻和視頻數據傳輸給雙向傳輸系統和現場錄井系統，通過遠程無線網路將數據實時傳回基地；基地技術支持中心通過遠程同步控制系統對現場設備進行控制，完成遠程數據實時採集、監控、專家分析和診斷等過程的操作與分析，實現基地與現場的一體化錄井作業。

中海油鑽井遠程專家支持中心於2012年12月開始建設，安裝了eDrilling和Discovery等國外先進軟體，集成了實時地質建模、油井三維可視化、實時隨鑽測量、井眼軌跡控制和地質導向等功能，將井下和地面實時數據與龐大的資料庫信息、實時更新的地質模型、輔助定向鑽井工程師、地質導向工程師和隨鑽工程師進行定向指揮和地質導向決策。

中國石化石油工程技術研究院研發了鑽井工程決策支持系統DrillAdviser。該系統具備了數據遠傳、知識庫、遠程實時監測分析、鑽井風險預測與診斷、鑽井井場實時模擬等功能，如圖７所示。

該系統實現了地質數據與工程數據、歷史數據與實時數據、動態數據與靜態數據的融合，實現了中石化現存的多種不同標準和不同傳輸方式的實時數據綜合集成應用。

中國石化石油工程技術研究院利用此系統建立了可視化的遠程作業支持中心，已為西南元壩及涪陵、西北順北及順南、東北龍鳳山以及海外的加彭等地區近百口重點井提供了遠程技術支持。

２.３　 差距與思考

綜上所述可以看出，國外無論井場自動化設備、感測器與測量系統還是遠程決策控制系統軟體，都已經相當先進，而且通過DSA路線圖聯盟以及新的研究項目，正在將分散的技術進行集成，形成真正的自動化鑽井系統。而國內無論是整體技術還是單項技術，都存在很大差距。之所以有如此巨大的差距，筆者認為國內在技術研究方式和路線方面存在很大差異，國外有很多經驗值得借鑒。

２.３.１　 值得借鑒的國外經驗

值得借鑒的國外經驗包括：①尊重技術發展的客觀規律， 前瞻研究、總體設計、模型研究、軟體研發試驗、先導試驗、技術集成與商業推廣的思路非常清晰，每個階段的研究人員都可能不同，不過度追求短期效益，鍥而不捨長期持續投入，最終都能取得良好效果。②軟體不成熟時期，很少只提供軟體單項服務，而是把軟體與傳統技術集成起來提供服務，在驗證改進軟體的同時，提升了整體服務能力，進而催生新的服務項目。③量力而行，有所為有所不為，追求精而不追求全，合作研究非常普遍。④提供現場技術試驗單位作為研究團隊的一部分，共享研究成果。

２.３.２　 國內存在的不足

國內存在的不足：①自主產權的井下隨鑽測量儀器所測參數較少，井下隨鑽測量應用普及率較低，難以提供全面準確的實時數據。②計算模型的準確性、全面性和現場適用性需要改進。③對數據的全面性、準確性要求低，信息共享通道不暢，制約了軟體發展。④DSA是信息技術與傳統業務融合的產物，其涉及的技術面廣，影響因素多，成果的培育是一個漫長的過程，這個規律在國內鑽井行業沒能得到理解和落實。⑤由於國內的鑽井管理模式局限，技術人員仍然集中在井場，對DSA新技術尤其是軟體的依賴程度也不高，導致驅動力不足，技術發展緩慢。

３　 技術發展趨勢與建議

３.１　 發展趨勢

（１） 自動化鑽井技術研究重點已經從井場裝備自動化向鑽井過程模擬模擬、鑽井方案優化、遠程決策與控制領域邁進，尤其是利用大數據及人工智慧方法實現智能優化與決策，體現出明顯的智能化趨勢。

（２） 自動化鑽井各項關鍵技術發展到新的階段，全套技術的集成面臨較大難題，已經開展該領域技術研究的油公司、油服公司和裝備製造商已經聯合起來，推動自動化鑽井技術標準及技術發展路線的制定，業界對此寄予了很高的期望。

（３） 井下地質與工程參數的準確全面測量技術、地面與井下的雙向高速可靠通信技術仍然是自動化鑽井技術的瓶頸。

（４） 自動化鑽井技術的發展正在逐漸改變傳統的業務模式，催生ＩＯＣ集成承包（總包方主要負責技術）等新的業態和新的技術服務模式。

３.２　 建議

（１） 自動化智能化鑽井技術發展勢不可擋，

我國石油企業在很多單項技術方面也有不錯的進展，但針對這項覆蓋面廣且極其複雜的技術，急需進行頂層設計，同步布局裝備、工具、儀器和軟體的研發，滿足當前和未來的技術需求。

（２） 國內鑽井現場施工與技術支持隊伍條塊分割、技術人員集中在井場的傳統模式，與國外的遠程專家團隊實時監測與決策、施工方案隨鑽隨調的先進模式差距大，這在一定程度上影響了對自動化智能化鑽井技術發展的敏感性，因此國內的業務模式也急需變革。

（來源：石油機械 2017年第5期）

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