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未来的人工智能钻井(上)

发布时间:2019年12月19日
来源:石油与装备公众号(2019-12-17)

人工智能(Artificial Intelligence),英文缩写为AI。它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能又称为“智械”、“机器智能”,它是指由人们制造出来的机器(机械)所表现出来的智能。通常人工智能是指通过人工制作的普通的计算机程序软件,使机器实现出人类智慧所要求的目标的技术。

何为智能钻井

对于人工智能钻井的定义,业界有广义与狭义之分。广义的人工智能钻井不仅指钻井、测井、完井作业本身的人工智能化,而是作业范围更广,包括了直至找到油藏,并且使产能更高的所有作业的人工智能化。狭义的人工智能钻井,则是仅指钻井、测井、完井作业本身的人工智能化,即通常俗称作的自动化钻井。

从上述广义的人工智能钻井定义可知,人工智能钻井几乎囊括了石油地质、物探、测井、钻井、采油、油藏工程以及机械、自动化、计算机等专业。这些专业过去是离线的各个领域相对独立的非连续的过程,人工智能化之后,则要求它们在线地联合起来,组成一个有机的整体并协同进行工作。因此,人工智能钻井就是要能够根据井下地质情况和油藏位置,自动地调整井眼的设计轨迹,并能够自动寻找和钻进到最佳的储层位置,从而获得最大产能。

智能钻井过程

第一步提供地质油藏特征,由地质和物探部门提供出地质条件和油藏的物理特性描述,组成特定的人工智能钻井专家系统。第二步实时随测随控钻进,在先进的钻井测控技术支持下,利用当前较为成熟并正在发展的5W(MWD、LWD、SWD、PWD和FEWD)作为手段,结合导向钻井及井下闭环控制技术,在钻进过程中实时地随钻随测控(如随钻测井、随钻地震),及时地把井眼周围及钻头前方的各种地质、地层、环境信息以及钻进状态采集到井下计算机。第三步精准确定目标油藏,由井下强大的人工智能钻井计算机系统,根据当时所能得到的井下最新数据进行智能判断,结合事先已知的地质勘探资料,从而发现目标油气藏,精确地确定其位置、大小、形态、厚度及走向。

笫四步优化最佳工艺钻进,以获得最大产能为目标函数,优化各种工艺参数,自动钻进寻找最佳轨迹穿过油气层。第五步给出直接实际资料,给出直接取得的最接近实际情况的第一手资料,如油藏描述结果以及实际的井眼轨迹和各段井眼状态等资料,并在此基础上,提出初步的最佳采油方式建议。

然而,上述过程的每一个环节都需要人工智能的参与和控制,所以称为广义的人工智能钻井。实践证明,石油钻井工程中的钻进过程是一个非常复杂的不确定过程。不仅钻进本身所产生的以及地层环境所提供的可采集信息往往是非精确的、非确定的、近似定性的非数值型的随机模糊信息,而且还要根据这些随机模糊信息,实时快速地进行钻进控制。显然,解决这些难题,实现广义的人工智能钻井,还有待于未来一段时间的努力奋斗。从目前发展人工智能钻井来看,当务之急是首先研发自动化钻井,从而实现狭义的人工智能钻井。

钻机作业系统

位于地面上的未来人工智能钻机作业系统,要能够实现下列先进功能:连续送钻,通过钻机的起升系统与顶部驱动装置的密切配合,在钻进过程中接单根时,不用停钻和停泵,可以边钻进边接单根,从而提高了钻井作业效率。连续起下钻,在起下钻柱过程中,不是如常规钻机那样,需要停下来进行钻柱的上卸扣,而是由人工智能的机器人,代替目前传统的钻台工和井架工,在起下钻过程中自动完式钻柱的上卸扣。这样一来,智能化的起下钻速度大大提高,据挪威West钻井产品公司的研究成果表明,不同钻柱直径的起下钻速度可分别达到3600m/h、2700m/h和1800m/h,远较常规钻机的起下钻速度600~900m/h为高。

连续下套管、油管完井,在进行完井作业时,无论是下套管或者下油管,都与下钻柱一样,不需要停下来进行上扣, 而是由人工智能的机器人完成丝扣连接,从而提高了作业速度,挪威West钻井产品公司的研究成果,下套管时可达到900m/h。连续循环钻井液,在起下钻和钻进过程中,不停泵,钻井液循环保持不间断。这是因为如上所述,送钻和起下钻都是连续的,所以能够实现连续循环钻井液。显然,连续循环钻井液有利于实施控压钻井,提高了作业的安全性。

双壁钻柱钻井,钻井时采用由内壁和外壁组成的双壁钻柱,从而使整个钻柱形成内管及内壁与外壁之间的环隙。双壁钻柱,在人工智能钻机控制下,可实现下列功能:反循环钻进,钻井液通过顶部驱动装置及其旋转接头后,向下泵入双壁钻柱的内壁与外壁之间的环形空间,然后,从钻头的喷咀喷出,向上流入底部钻具组合与井壁之间的环形空间。此后,当液流返回至防喷器组时,因防喷器上方装有旋转控制头,可将双壁钻柱的内壁与井壁之间的环形空间封死,故而上返的钻井液连同岩屑.只能通过靠近井底的双浮阀进入双壁钻柱的内管,上返至地面。显见,这样的反循环钻进的实施,可以消除岩屑床的堵塞问题,有利于保护油气储藏。输电及传输信息,双壁钴柱的内管外壁经过绝缘处理后,可以用作同轴电缆,向井下供电;还能双向传输电信息,其数据传输速率可高达6.4万位秒,因而即可使大容量的数据,高速地、实时地实现双向传输,非常有利于推行人工智能化。

双梯度钻井,由于双壁钻柱内为密度较高的钻井液,而井筒环形空间内(海底防喷器组以上)充满的却是密度较小的清洁流体(如海水等),这样,两者密度不同形成了两个压力梯度,因而即可实现双梯度钻井,这对于保护油气藏和防止井壁坍塌,提高钻井作业的安全性,具有重要作用,尤其是在深水中钻井时,格外重要。

无隔水管钻井,海洋钻井工艺中的隔水管,与钻柱同轴包围在钻柱外面,它主要起着隔绝海水的作用。目前通用的海洋钻井工艺中,隔水管下端与海底井口装置相连接,从而即可使自井底返回的钻井液在海底以上不会与海水相混。但当采用新型的双壁钻柱时,由于海底井口装置以上,上返的钻井液连同岩屑. 已经通过靠近井底的双浮阀,进入双壁钻柱的内管中与海水隔绝,因而即没有必要再使用隔水管,故即可实现无隔水管钻井,这对于降低钻井成本,提高经济效益,具有重要意义。

宽钻井液密度窗口钻井,防止井璧坍塌要求钻井液密度形成的压力梯度的上限不能超过岩层的破裂强度;防止井喷要求钻井液密度形成的压力梯度的下限不得低于油气藏的孔隙压力,这个上限与下限压力的差,构成了一个所谓的窗口,即保持钻井液的压力梯度在此上、下限区间内,才能安全钻进。

反循环钻井技术

目前,挪威的Reelwell公司,已经推出了崭新的双壁钻柱及其反循环钻井技术,适用于北海的深水钻井,有望不久即可推行。

所谓“一趟钻”,即在不换钻头的工况下,一次完成全部钻进任务,达到钻井的目标。因此,实施“一趟钻”的前提是必须要有超级长寿命钻头的配合。有了未来研发出的新型超级长寿命钻头,即可通过两个“一趟钻”,完成钻一口井的任务。第一个“一趟钻”是表层井段“一趟钻”,即通过 “一趟钻”完成下表层套管、装设井口装置的任务。第二个“一趟钻”是将余下的井段一趟钻进完成,直达目的油气层。显然,“一趟钻”的实现,可以大幅度降低钻井成本,尤其是用于水平井钻井更穾显出其优赿性。

所谓“一趟测”,即在一次下井过程中,能够完成所有测井要求的各项任务。这项技术不仅能在钻井过程中测量出所需要的所有测井信息,而且还能完成井下流体、岩心的取样,同时还担负着随钻随测提供出地质导向、随钻油气藏描述等项任务。显见,“一趟测”这些任务的实现,必然会大幅度降低作业风险,提高油气储层的钻遇率和单井产量。若前述的“一趟钻”能够实现,则“一趟测”与之配套,同步进行,不再占用额外的测井作业时间,更会进一步简化作业流程,有效降低测井作业成本。但是,“一趟测”的实现,也不是轻而易举的,它还需要解决随钻测井技术的很多难题,如数据传输、存储等问题。

超高温高压钻井,应对井下的高温、高压情况,需要实施人工智能的超高温高压钻井。这项技术的实现,主要是要研发出耐超高温高压的井下仪器、工具和材料,如随钻测量(MWD) 、随钻测井(LWD) 、近钻头地质导向仪等仪器;导向工具、井下电池、钻头、完井工具等工具以及钻井液、固井水泥、井下管柱的材料等等。随着科技的不断进步,这些器材工具的耐超高温高压问题,还是有望于不太长时间内可以解决的。例如,目前国外的MWD与LWD、旋转导向钻井系统、螺杆钻具的最高耐温温度,已分别达到了200 0C、200 0 C和230 0 C,而钻井液的最高耐温温度,也达到了2600C,这就表明,超高温高压钻井的实现,指日可待。目前,挪威West钻井产品公司,已经研发出一种人工智能钻机作业系统,能够实现上述部分功能。但是,上述功能的全面实现,还有待于进一步研发。

[责任编辑:dc]

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