智能化自动化钻探技术与装备发展概述

智能化自动化钻探技术与装备发展概述

摘要：现如今，我国是智能化快速发展的新时期，经济在迅猛发展，社会在不

断进步，持续开展大深度智能地质钻探关键技术与装备的研发是当前钻井技术发

展的主要方向，同时也是实现深地开拓必要的科技手段之一。本文简要回顾了钻

探技术与装备发展概况，介绍了智能化自动化钻井技术与智能化自动化钻井工具。并结合现阶段我国５０００米智能化自动化钻探技术与装备的研究进展，重点介

绍了项目研究目标、研究内容和预期成果，提出了我国现阶段智能化自动化钻探

技术与装备发展目标，以其为探索地球深部奥秘、勘探深部资源提供技术装备支撑。

关键词：智能化自动化；钻探技术；钻探装备；深部钻探

引言

当前，我国油气勘探开发领域正在由常规油气资源向低渗透、深层超深层、

海洋深水、页岩油气等非常规油气资源拓展，面临着资源劣质化、勘探多元化、

开发复杂化、环境恶劣化等挑战。钻井是油气资源发现、探明和开采的关键环节，但现有钻井技术在经济、安全、高效、环保等方面还无法满足复杂油气资源的开

发需求，亟需发展新一代变革性钻井技术。智能钻井技术是融合了大数据、人工

智能、信息工程、井下控制工程学等理论与技术的一项变革性钻井技术，通过应

用地面自动化钻机、井下智能执行机构、智能监控与决策技术等，实现钻井作业

的超前探测、闭环调控、精准制导和智能决策，能大幅提高钻井效率和储层钻遇率，降低钻井成本，显著提高复杂油气藏单井产量和采收率。

1智能控制技术概述

智能控制技术主要用来解决那些用传统的方法难以解决的复杂系统的控制问题，如智能机器人系统、计算机集成制造系统（CIMS）、复杂的工业过程控制系统、航天航空控制系统、社会经济管理系统、交通运输系统、通信网络系统、环

保与能源系统等。这些复杂系统具有以下特点：①控制对象存在严重的不确定性，控制模型未知或模型的结构和参数在很大的范围内变化；②控制对象具有高度的非线性特征；③控制任务要求复杂。例如，在智能机器人系统中，要求系统对一个复杂的任务具有自行规划和决策的能力，有自动躲避障碍达到目的地的能力。

智能控制技术通常通过智能控制系统发挥作用。简单地说，智能控制系统是指具

备一个智能行为的系统，它利用人工智能的方法能够解决难以用数学的方法精确

描述的复杂的、随机的、模糊的、柔性的控制问题，具有自学习、自适应、自组

织的能力。它的主要目标是探索更加接近人类大脑处理事物的“思维”模式，也是

研究一种数理逻辑，能使机器像人一样，根据少量模糊信息，依据一定的推理准

则进行“思维”，就可以得出相当准确的或足够近似的结论和控制策略。把智能控

制技术应用在工程机械产品上，解决了传统控制方法无法很好的适应多变复杂对

象的难题。智能控制技术可以改变控制策略去适应对象的复杂性和不确定性。它

不是仅依靠数学模型，而且根据知识和经验进行在线推理，确定并优选最佳的控

制策略，针对某种不确定性使系统保持预定的品质和期望的目标。智能控制技术

在工程机械上的应用大大提高了产品的作业质量和生产效率，节省了能源，保护

了环境，简化了操作，方便了日常维护保养和维修。智能控制技术在对作业质量

和节能环保有特殊要求的产品上得到了广泛地应用。

2智能化自动化钻井技术与装备

2.1智能化自动化钻井工具

智能钻井工具的出现使精确钻井能力大幅度提高，同时使智能化钻井成为了

可能。智能钻井工具主要包括智能钻柱、智能钻头、旋转导向工具等。智能钻柱

主要应用在复杂的地质条件下，可概括为热、高、长、大，即井温高、压力高、

管柱长、井径大，采用常规钻井机具难以满足钻井要求的，陆海复杂结构井、特

殊工艺井、深井、科学超深井等。主要优点包括：降低钻井成本、减轻井眼失稳

问题、提高钻头寿命、在大位移井中减少卡钻等。智能钻头是评价钻头动态工作

情况和动力学参数的一种工具，在钻井作业过程中，能够自动感知地层压力、地

层温度、钻头角度和深度等信息是智能钻井中的一个重要方面。旋转导向技术代

表了当今钻井工程技术的最高水平。旋转导向工具是旋转导向系统中的核心，是

旋转导向钻技术的核心，目前按照指向方式主要为推靠式和指向式。钻井过程中，旋转导向钻井系统中所装的测控系统，实现了井眼轨迹的随钻测量及自动控制；

地质导向系统以所开发的油气层为最终控制目标，该系统集井眼轨迹测量控制技

术和随钻测井技术为一体，可以根据井下实时地质参数及时调整及修改原钻井设计，使钻头沿着油气层目标安全有效地钻进，直至钻达目的层。

2.2智能控制在地质钻探当中的内容和措施

在对施工工程进行设计的过程中，工程勘察是一项不可缺少的步骤。工程勘

察是指采用勘察手段、调查方法、勘探方法以及相应的试验手段等来获取与工程

施工以及建设相关的水体、土体以及岩体信息；需要获取的信息指标包括力学参数、物理学参数、变化规律参数以及空间分布参数等。采用智能技术获得以上参

数之后，便可以对工程施工场地所具有的抗震能力以及稳定性等进行检验、论证

以及评价，同时也能够对环境演变情况以及工程适宜性进行评价，从而为施工设

计方案的提出提供参考意见。

2.3智能化定向钻探技术

智能化定向钻探是自动化钻探技术在实际应用过程中的高度体现。自动化定

向钻进侧重于钻探动作的自动控制执行，而智能化定向钻探侧重于钻进过程中的

智能最优化控制，它是基于大数据、人工智能、互联网、自动控制、新兴材料等

学科发展及其与现代化煤矿生产技术的深度融合的结果，具有智能监测、闭环控制、精准导向等显著特征。具体实施过程是通过建立智能化定向钻机与孔底智能

钻探工具之间双向传输通道进行随钻测量信息的实时采集和高速上传，经过智能

分析决策后进行指令下达，控制孔底导向工具完成动作执行。

2.4智能监测与决策技术

智能监测技术可以实时获取井下数据，用于井下复杂工况的实时诊断与预测，为智能决策提供重要数据支撑。贝克休斯开发了基于连续管的智能监测技术，实

现了井深、地层压力和温度等参数的动态监测。基于互联网的智能钻井监测技术，利用其可以实时监测钻井液在井筒内的流动状态。基于多传感器信息融合原理，

对钻井过程中的大钩载荷、扭矩、立管压力、钻速、钻井液进出口流量等参数进

行监测，提出了不依赖精确数学模型的神经网络和证据理论多传感器信息融合方法。结合油田现场钻井条件，建立了无线传感器网络信道衰落模型，优化了无线

传感器网络技术，有效提升了井下信息监测的可靠性。

3结束语

（１）自动化装备与技术在未来的钻井技术发展中是智能化钻井技术的执行

机构，人工智能与钻井行业的结合必然是钻井行业发展的方向之一，智能化钻井

装备与技术的应用可以优化钻井方案设计、提高作业效率、减少井下复杂事故率、降低钻井成本、提高钻井质量，并且在大幅减少作业人员以及防范风险方面具有