环球主动化钻井开云电竞要害时间进步与成长趋向

　　通常以为，寰宇钻井手艺发扬分为阅历钻井、科学钻井、主动化钻井和智能化钻井４个阶段。遵照这种划分，主动化钻井仅指钻台兴办的主动节造，智能钻井则要通过筹算模子和智能决定手艺造成节造指令，到达自治式闭闭头造钻井。从目前的手艺发扬来看，此二者正在同步发扬，因而“主动化智能化钻井”一词常见运用，也即是广义的主动化钻井。

　　主动化钻井手艺的发扬最早源于“筹算机节造的钻井”。早正在20世纪60年代， 跟着集成电道筹算机及规范化编程措辞的降生，人们开端搜索用筹算机措施节造钻机兴办。1969年， F.S.YOUNG等承受了ＭＣＤ（最低本钱钻井）项目策画开云电竞，并执行了一套基于钻压转速节造的筹算机节造钻井体系，其通过短间隔的钻速测试开云电竞、参数优化和钻压扭矩调解等系列办法告竣节造钻井，到达低本钱钻井的目标，但因为种种条目标限度，试验并未能络续。

　　２０世纪８０年代后期，跟着传感器手艺的发扬，业界又看到了心愿，并开端新一轮手艺试验。J.F.BRETT等策画了一套筹算机节造的钻井体系，该体系运用了３５种模仿输入传感器、７种数字输入仪器、５种模仿输出仪器和５种数字输出仪器，采用该体系发展了主动节造钻压和转速告竣纯钻进的手艺试验，假使试验博得了少少冲感人心的功效，但因传感器的牢靠度和确切度以及本钱题目而终止。

　　以来，业界较少发展大领域的主动化钻井试验，而是要点努力于几大体害手艺范畴的发扬，比方仪器与丈量体系、筹算模子、消息通讯与数据照料及长途决定体系等。直至２０１０年前后，各大体害手艺逐步成熟，业界开端掀起了一股新的高潮，先辈的主动化和通讯手艺依然逐步从实习室走向钻台，古板的钻井举措正逐步被摒弃，钻井历程正正在野主动化智能化偏向发扬。特别是迩来几年，主动化智能化钻井整个手艺发扬迅猛，单项手艺走向整合，新的手艺机闭、任事公司和现场试验项目持续展现。

　　为了更速地促进主动化钻井手艺发扬，美国石油工程师协会（SPE）于２００８年创设了钻井体系主动化手艺部（DSATS）。２０１３年，由deWards、Baker Hughes、M-ISWACO、Schlumberger、NOV和Shell等公司和兴办修设商配合提议创设了主动化钻井门道图（DSA-R）定约。该定约与DSATS以及IADC的先辈钻机手艺委员会（ART）寻常疏通，分工互帮，造成了协力，配合努力于主动化钻井手艺的迅疾促进。以下是他们配合商酌订定的愿景与门道 主动化钻井体系愿景

　　设思的钻井主动化体系愿景如图１所示。通过随钻井下丈量的充足消息，诈欺模子和模仿体系举办及时智能优化与决定，进而主动节造井场兴办，实现最优化钻井历程开云电竞，最终告竣基于周详主动优化的闭环钻井。随钻井下丈量的消息不单有常见的井斜方位，并且还囊括钻头钻压、钻头扭矩开云电竞、钻头转速和钻具振动等钻柱力学消息以及种种地层的评议消息。

　　商酌职员通过类比和练习其他行业成熟操纵的体系工程表面，举办了主动化钻井手艺（ＤＳＡ）分级框架。图２为ＤＳＡＲ分级框架图。从０级至４级循序是：手工节造的钻完井施工；可感知的人为操控钻完井施工；通过及时认识软件和节造体系监测和节造的钻完井施工；基于营业流程管控的钻完井；涵盖相干营业管控（囊括物资的供应等）的钻完井。此中第２级和第３级是工程手艺范畴商酌的焦点。

　　同时，为了便于协同商酌，又将DSA划分成了７大商酌范畴：通讯、传感器与丈量体系、钻机兴办、节造体系、修模与模仿、人机体系、规范及认证（见图３），此中传感器与丈量体系是首要基本，数据是这个人系中的纽带。

　　互换变频驱开端艺的映现对ＤＳＡ来说是个庞大冲破，使得机械节造变得愈加精巧。钻机兴办主动化的闭键成效如下。

　　转动：顶驱主动节造才能由扭矩节造算法（用于减轻黏滑运动）告竣，该算法可能最大限定地省略人为输入。

　　起升：起升体系囊括绞车、齿轮齿条和水力活塞。电驱动绞车能告竣起落赔偿， 电驱动久远磁铁马达能告竣主动窒碍锁定。

　　起下管柱：这是反复次数多且正在钻台上最告急的使命，目前大局限钻机没有告竣主动起下。

　　接单根：通过3D界面长途节造无人值守接单根， 下步研造长途节造接BHA。

　　目前很多厂商发展了相干研造使命，以至映现了特意从事钻机兴办主动化策画修设的公司，比方RoboticDrillingSystem公司研造了系列主动化兴办：钻杆操作机械人（双人）、铁钻工机械人、起升机械人、船面机械人、起落机械人和机械人滑轨等，成效出格周详，局限机械人还拥有自练习和回想成效。

　　要使丈量仪器统统适宜DSA的操纵场景，必需从以下方面临现有仪器举办商酌鼎新：①完好性。每个仪器必需能检测到一共形态下的数据。②逻辑性。根据今朝的功课形态拔取对应的丈量仪器（位子）。③近间隔丈量。传感器应尽恐怕置于所需参数丈量点迩来的位子。④精度。充塞的消息以评估精度（特别是估算的）及仪器校准。⑤换算。充塞的消息用以矫正丈量消息。⑥临界。临界参数必需有冗余丈量（多种途径丈量）。⑦牢靠性。牢靠性是DSA的最根本恳求。

　　其余，仪器厂家必需按照一个规范，使其或许便利地接入DSA。目前钻井仪器与丈量体系依然统统转向随钻丈量。地面丈量除了古板的归纳录井仪表，岩屑和钻井液参数的丈量已正在商酌之中；井下丈量方面，电缆测井项目多人已被随钻测井取代，井下动力学参数丈量成为商酌热门。遵照美国国民油井华高公司先容，其开垦的井下动力学丈量短节（又称Blackbox）可能丈量钻压、扭矩、横向加快率、转动加快率、轴向加快率、井下温度、压力、转速、黏滑振动和涡动等参数，这些参数看待井下BHA的振动等力学模仿起到了至闭首要的影响。

　　通讯体系是DSA的神经，通过它告竣主动化钻井生态中各局限之间互联互操作。闭键分为地上通讯和井下通讯２局限。此中，地上局限的通讯囊括长途通讯和井场近间隔通讯，目前有卫星、3G／4G、微波、有线宽带和光纤等多种款式， 手艺相比照较成熟。井下通讯闭键是测控仪器兴办之间以及仪器与地面体系之间的通讯。该范畴不绝是井下测控体系的手艺瓶颈，目前对比成熟的是钻井液脉冲和电磁波，智能钻杆是一个业界看好的手艺。其余另有声波、光纤传感和激光二极管等手艺，尚属搜索阶段。

　　目前最受DSA试验团队接待的井下通讯手艺是智能钻杆。国民油井公司研造的智能钻杆目前依然操纵130多口井，进尺赶过3×10

　　ｍ。智能钻杆数据传输拥有高速、褂讪和低延时的特色，还可告竣双向传输，为更多参数丈量传输和节造指令的下达供给了有用处径。智能钻杆的操纵使得沿着钻柱的成串丈量（ASMs）成为实际，从而可能愈加精采地监测井筒压力等要害参数。目前贸易操纵的智能钻杆传输速度为57kbits/s（另据报道称，最新产物传输速度已达2Mbits/s），需每隔500m驾驭安顿１个信号巩固照料器。

　　其余，贝克歇斯公司推出的智能相连管将井下数据及时收罗与井下供电团结起来，拥有带宽高、抗振和褂讪的特色，可及时传输井下深度、压力、温度信号以至视频。

　　节造体系囊括收集、节造体系（电、板滞、水力）和自医治体系等。将来的钻井节造体系必需能清楚钻井历程并给操作工供给提议，以至更高程度的机械智能供给人机交互。节造体系还正在钻井实施体系中承受首要影响，与模子、模仿和数据采全体系严密团结。节造体系将来的商酌要点正在于：被络续测试和验证；很容易植入现有钻机；以钻井全历程处理取代简单兴办的处理；诈欺数据驱动举措和基于物理的算法照料内正在的不确定性。

　　筹算机修模是近几十年来业界要点商酌的范畴，博得了丰富的收获。正在DSA中， 现有模子除了持续提升其筹算确切性和周详性以表，更首要的是实实际时筹算和多模子协同筹算。原委历久商酌，钻井流体力学、钻井管柱力学（摩阻扭矩）和井壁褂讪性等古板模子持续鼎新成熟。近年来新商酌了钻柱动力学模子，正在摩阻扭矩模子基本上，对BHA振动形态及其影响的相干模仿筹算。该模子可能举办涡动、涡动奉陪黏滑振动以及高频率转动振动的模仿筹算。商酌说明，振动是导致钻头及BHA失效、钻井本能低落的闭键出处。据某任事公司统计，因为冲锋和振动导致的效益牺牲占到4。智能钻杆的高速度低延时传输，为振动信号的及时传输和振动认识模子操纵供给了恐怕。

　　模仿是正在上述模子基本上，构修多范畴参数预测优化的生态体系，其模仿结果通常通过一个虚拟仿真界面集成露出，其成效布局示图谋如图５所示。构修如此的生态体系，必需商酌并照料各模仿子模块之间的依赖相干、优先相干以及他们对钻井形态的依赖相干，软件架构策画上必需充塞商量其及时性和协同性。

　　跟着主动化钻井相干手艺的逐步成熟和紧迫需求，钻井数字模仿和长途节造体系持续被研发出来。最有代表性的产物有eDrilling体系、DrillTronics体系、Aker公司的HIL模仿器和德国的CelleHIL模仿器。

　　eDrilling体系是一套纯软件钻井模仿体系，以地学模子、水力学模子、管柱力学模子、 井壁褂讪模子钻机设备、振动模子和板滞钻速模子为焦点，以三维虚拟井筒为用户界面，成效笼盖钻前模仿优化、钻前仿真培训预演、随钻监测与优化节造、钻后回放认识等全历程。

　　DrillTronics体系闭键针对实钻历程，拥有及时监测、历程回放、 诊断与优化节造成效。Sekal公司声称DrillTronics是寰宇上第１套主动化钻井节造体系。该体系正在Statoil操纵中，通过优化参数、 主动化起下钻、接单根和起停泵等操作，均匀每口井俭仆钻井期间４％，且提升了施工安闲性。目前，撮合商酌团队正正在进一步发展主动化钻井液照料和地漏测试等商酌使命。

　　Aker公司的三维钻井模仿器属于HIL（HardwareInloop）类型的模仿器，即将井下硬件同模仿软件直接相连，愈加真正地模仿钻井历程。除了钻机是虚拟的表，其节造体系—地面兴办（绞车、排管架、 排管体系、上卸扣液压钳和顶驱等）及井下情状（种种操作、钻进、起下钻、流体、防喷器、 钻井泵、压力和体积等）与实践钻机用的体系统统雷同，因而正在模仿时其响合期间也统统雷同。

　　德国正在Celle成立了钻井模仿商酌中央，计划研发一个基于HIL模子的搀杂型模仿器，将一段HBA＋钻头局限做成物理试验台架，其他局限用虚拟模子告竣，BHA的挪动和相干丈量都是基于硬件开云电竞，填补了虚拟模子的弱点。物理试验台架囊括岩石腔、BHA腔和动力腔３段，可能模仿全套BHA的振动情状，还可用来举办电子部件牢靠度测试及寿命测试。该安装可能模仿真正频率和振幅的涡动与跳动。

　　HSI是个为了鼎新和获取更好的DSA而引入的相对较新的观念，其目标是统统以人的需求启航，成立一个以用户为中央的历程。跟着DSA的发扬，钻台上的人会逐步省略，然则人的脚色将从井场改变到体系内部和长途中央。

　　正在单项手艺迅疾发扬的同时，必需订定绽放的行业规范，本领推动收获的集成和省略反复商酌，加快DSA整个手艺发展。目前有赶过33项规范与DSA相闭，此中OPCUA已被引荐为DSA兴办间通讯契约规范， WITS/WITSML是兴办与体系、体系与体系间通讯的闭键规范。其他规范仍需接连商酌。认证的目标是确保体系按摄影闭规范，使得依赖的体系间或许寻常通讯和换取，且通过验证。

　　图６是贝克歇斯公司绘造的钻井长途撑持中央发扬过程。钻井长途撑持中央装备的软件大致囊括以下成效：数据长途传输、危害预测与诊断、计划模仿优化、智能决定及基于消息可视化的人机界面。

　　DSA的终极倾向是成立“参数丈量－智能认识决定－主动节造实施” 的自治式闭环体系，此中的智能认识决定局限相当于“大脑”，正在将来的一个漫长的发扬时候内，该大脑仍将由电脑和人脑配合构成，永远离不开人的列入开云电竞。试验证实，由长途功课撑持中央承受智能决定认识成效，使得现场与后方造成闭环是一个最佳的操纵形式。从最早的钻井长途监测和诊断指挥，发扬到长途监视和决定引导，到畴昔的及时模仿优化与长途节造，直到主动化钻井的最终倾向闭环钻井，长途中央不绝处于首腹身分。

　　贝克歇斯、 哈里伯顿和斯伦贝谢公司依然成立了100多个钻井长途撑持中央。跟着DSA相干手艺的持续提升，长途功课撑持体系的成效正正在从监测决定向长途节造偏向演进。比方贝克歇斯公司的专家决定撑持与长途功课收集平台（BEACON）依然告竣了长途MWD/LWD任事，即正在长途中央装备１名MWD/LWD工程师刻意周详手艺撑持，现场只要１名定向工程师和１名及时高级工程师。后者是个新位置，其闭键职责是刻意现场的传感器、数据和筹算机相干的一贴题目，以及配合DDX照料局限仪器操作题目。贝克歇斯公司以为这种形式正在长途中央加添了１人，但正在现场省略了３～４人。

　　业界预测，新的钻井施工形式将是“长途决定＋手艺任事”取代现场任事，使井场与后方的职员从头修设，手艺任事和专家决定程度也会随之大大提升，这是迈向主动化钻井的第１步。这种新业态将催生集告成课承包商（IOC）的映现。其余，美国得克萨斯大学奥斯汀分校于2015年启动了RAPID商酌项目，商酌局限涵盖了主动化钻井体系的一共手艺范畴，囊括主动节造体系、修模与模仿体系、及时监测与数据认识体系、智能钻井节造兴办及兴办重构，其最终倾向是告竣缩短钻完井期间（或低落本钱）和低落井场用工量双双到达50％。

　　局限公司依然正在考试诈欺最新的手艺收获举办幼型或局限的DSA现场试验。斯伦贝谢公司于2012年发展了名为ROPO的闭环主动化钻井试验。试验的闭环体系囊括钻机节造体系、兴办驱动部件及OPCUA任事器、主动化司钻台、 实施体系任事器和操纵任事器。试验结果说明运用该闭环体系彰彰擢升了ROP。HESS公司与国民油井公司于2015年撮合发展了16口井的闭环主动化钻井试验。通过丈量传输井下钻压、扭矩、转速、陀螺测斜、横向振动、轴向振动和环空压力等参数，诈欺优化筹算模子引荐的参数主动节造钻井历程，试验井均匀日进尺提升了17％（此中直井段提升了24％），还冲破了少少预料除表的手艺瓶颈，积攒了阅历。

　　正在地面兴办方面，国内钻机设备修设商（如宝鸡石油板滞有限负担公司）研造了管柱主动化照料体系、长途电子双集成司钻和钻机集成节造体系，局限兴办依然走向钻台。正在丈量体系方面，国内繁多商酌机构发展了归纳录井仪、MWD、LWD、EM-MWD、FEWD和智能钻杆等手艺商酌，此中归纳录井仪、MWD和LWD日趋成熟，智能钻杆手艺仍处于商酌阶段。总的来说，国内具有自决学问产权的仪器所能丈量的参数比表洋少得多，井下传输方面仅钻井液脉冲和电磁波手艺对比成熟。综上，井下参数的丈量传输手艺仍是国内DSA的闭键手艺瓶颈。

　　国内钻井软件研发多人侧重于钻井策画，长途决定与模仿节造方面的自研软件较少，闭键荟萃正在录井数据长途监测和地质导向方面，局限体系正在钻井危害节造方面有了新起色。

　　中石油长城钻探公司开垦的长途节造录井体系将现场收罗的传感器、 烃类气体、 音频和视频数据传输给双向传输体系和现场录井体系，通过长途无线收集将数据及时传回基地；基地手艺撑持中央通过长途同步节造体系对现场兴办举办节造，实现长途数据及时收罗、监控、专家认识和诊断等历程的操作与认识，告竣基地与现场的一体化录井功课。

　　中海油钻井长途专家撑持中央于2012年12月开端创设，装置了eDrilling和Discovery等表洋先辈软件，集成了及时地质修模、油井三维可视化、及时随钻丈量、井眼轨迹节造和地质导向等成效，将井下和地面及时数据与远大的数据库消息、及时更新的地质模子、辅帮定向钻井工程师、地质导向工程师和随钻工程师举办定向引导和地质导向决定。

　　中国石化石油工程手艺商酌院研发了钻井工程决定撑持体系DrillAdviser。该体系具备了数据远传、学问库、长途及时监测认识、钻井危害预测与诊断、钻井井场及时仿线所示。

　　该体系告竣了地质数据与工程数据、史籍数据与及时数据、动态数据与静态数据的调和，告竣了中石化现存的多种差异规范和差异传输式样的及时数据归纳集成操纵。

　　中国石化石油工程手艺商酌院诈欺此体系成立了可视化的长途功课撑持中央，已为西南元坝及涪陵、西北顺北及顺南、东北龙凤山以及海表的加蓬等地域近百口要点井供给了长途手艺撑持。

　　综上所述可能看出，表洋无论井场主动化兴办、传感器与丈量体系如故长途决定节造体系软件，都依然相领先辈，并且通过DSA门道图定约以及新的商酌项目，正正在将散漫的手艺举办集成，造成真正的主动化钻井体系。而国内无论是整个手艺如故单项手艺，都存正在很大差异。之因而有如斯强大的差异，笔者以为国内正在手艺商酌式样和门道方面存正在很大分别，表洋有许多阅历值得鉴戒。

　　值得鉴戒的表洋阅历囊括：①崇敬手艺发扬的客观法则， 前瞻商酌、总体策画、模子商酌、软件研发试验、先导试验、手艺集成与贸易扩充的思绪出格了然，每个阶段的商酌职员都恐怕差异，不太过寻觅短期效益，锲而不舍历久络续加入，最终都能博得优秀功效。②软件不行熟时候，很少只供给软件单项任事，而是把软件与古板手艺集成起来供给任事，正在验证鼎新软件的同时，擢升了整个任事才能，进而催生新的任事项目。③实事求是，有所为有所不为，寻觅精而不寻觅全，团结商酌出格普及。④供给现场手艺试验单元举动商酌团队的一局限，共享商酌收获。

　　国内存正在的不够：①自决产权的井下随钻丈量仪器所测参数较少，井下随钻丈量操纵普及率较低，难以供给周详确切的及时数据。②筹算模子真实切性、周详性和现形势用性需求鼎新。③对数据的周详性、确切性恳求低，消息共享通道不畅，限造了软件发扬。④DSA是消息手艺与古板营业调和的产品，其涉及的手艺面广，影响身分多，收获的培植是一个漫长的历程，这个法则正在国内钻井行业没能取得清楚和落实。⑤因为国内的钻井处理形式范围，手艺职员依然荟萃正在井场，对DSA新手艺特别是软件的依赖水准也不高，导致驱动力不够，手艺发扬慢慢。

　　（１） 主动化钻井手艺商酌要点依然从井场设备主动化向钻井历程模仿仿真、钻井计划优化、长途决定与节造范畴迈进，特别是诈欺大数据及人为智能举措告竣智能优化与决定，呈现出彰彰的智能化趋向。

　　（２） 主动化钻井各项要害手艺发扬到新的阶段，全套手艺的集成面对较大困难，依然发展该范畴手艺商酌的油公司、油服公司和设备修设商依然撮合起来，鞭策主动化钻井手艺规范及手艺发扬门道的订定，业界对此寄予了很高的指望。

　　（３） 井下地质与工程参数真实切周详丈量手艺、地面与井下的双向高速牢靠通讯手艺依然是主动化钻井手艺的瓶颈。

　　（４） 主动化钻井手艺的发扬正正在逐步改革古板的营业形式，催生ＩＯＣ集成承包（总包方闭键刻意手艺）等新的业态和新的手艺任事形式。

　　我国石油企业正在许多单项手艺方面也有不错的起色，但针对这项笼盖面广且极其繁复的手艺，急需举办顶层策画，同步构造设备、器材、仪器和软件的研发，满意今朝和将来的手艺需求。

　　（２） 国内钻井现场施工与手艺撑持队列条块盘据、手艺职员荟萃正在井场的古板形式，与表洋的长途专家团队及时监测与决定、施工计划随钻随调的先辈形式差异大，这正在肯定水准上影响了对主动化智能化钻井手艺发扬的敏锐性，因而国内的营业形式也急需改变。环球主动化钻井开云电竞要害时间进步与成长趋向