论智能钻井理论与技术及其发展.pdf

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1、论智能钻井理论与技术及其发展论智能钻井理论与技术及其发展 Study on the theory and technology of the intelligent drilling and its development 1 第一代和第二代智能钻井的基本理论、基本技术和 发展趋势。论述了基于电子钻柱的第二代智能钻井 技术的优点与功能，阐述它是研发的重点和发展方 第一代和第二代智能钻井的基本理论、基本技术和 发展趋势。论述了基于电子钻柱的第二代智能钻井 技术的优点与功能，阐述它是研发的重点和发展方 向。向。 第二代智能钻井技术的优点。第二代智能钻井技术的优点。 基于对接式电子钻柱的智能钻井技术

2、的主要内容和基于对接式电子钻柱的智能钻井技术的主要内容和 技术难点。技术难点。 摘摘要要 2 序言 石油钻井存在大量非均质性、不确定 性、非结构性、非数值化的难题，解决这些工程 “黑箱”问题迫切需要信息技术、智能技术和当代 高端科学技术。智能钻井理论与技术将 迎难而进，快速发展。 石油钻井存在大量非均质性、不确定 性、非结构性、非数值化的难题，解决这些工程 “黑箱”问题迫切需要信息技术、智能技术和当代 高端科学技术。智能钻井理论与技术将 迎难而进，快速发展。 3 远程遥控钻井作业 4 智能钻井理论智能钻井理论 1.契机契机 石油钻井、完井和采油正在进入信息化、智能化、自动 化阶段，并呈现快速发

3、展的趋势。我国随着海上油气资源的 扩大开发，随着陆上复杂油气田和难采难动用储量开发的需 求日增，复杂结构井（水平井、大位移井、多分支井)欠平 衡钻井、气体钻井等正在不断发展。国内外日益发展现代旋 转导向钻井技术，以随钻测井和随钻地震技术为依据的先进 地质导向钻井技术以及钻井动态参数的井下诊断和控制等， 越来越使得泥浆脉冲等无线随钻测量技术不能满足上述钻井 新技术的要求。 5 智能钻井理论智能钻井理论 1.契机契机 近60年来国内外一直研究既能由地面向井下输送电能， 又能在井下使用电控钻井硬件（含井下工具、仪表和传感器 等）并能建立有线随钻实时双向闭环钻井测控信息高速公路。 近年，智能油井管的设

4、计研制与生产应用已经和正在取得突 破性进展。这项研究工作表明智能油井管（智能钻杆、智能 油管、智能柔性连续管等）是实现智能钻井、完井、采油的 必要条件和技术关键。 6 智能钻井理论发展智能钻井理论发展 2.瓶颈瓶颈 2.1 当钻井循环流体介质为气体或气液两相流体时，泥浆脉冲MWD就 不能传输信息了； 2.2 现用的泥浆脉冲MWD的信息传输能力非常有限（国内水平为 35bps，国外最高水平为12bps）而发展目标也只能是3040bps； 2.3 闭环钻井的随钻测控作业要求井下与地面双向传输。目前上传 通道主要是应用泥浆脉冲MWD，而下传的泥浆脉冲通道技术国外也还 不很成熟，国内则尚未解决； 无线

5、随钻传输存在的主要技术问题 7 智能钻井理论发展智能钻井理论发展 2.瓶颈瓶颈 2.4 泥浆脉冲MWD的数据传输时间滞后。当传输较少参数时，在浅 井中滞后数秒，在深井中滞后可达1分多钟甚至更慢。如果需传输稍 多几个参数时，就不得不采用分时传输的办法，这就滞后得更严重。 2.5 电滋波无线传输法，由于电磁波在井壁地层中衰减严重，所以 仍只限于在浅井中研究，尚未能实现工业应用。 2.6 应该看到无线传输法的上述问题是不能或很难解决的，它不能 真正实现众多参数随钻实时测控传输的功能，更难以建立地面与井下 双向闭环信息高速公路。 由此，研发新一代有线传输技术的成为必然由此，研发新一代有线传输技术的成为

6、必然。 无线随钻传输存在的主要技术问题 8 智能钻井理论智能钻井理论 3.形成形成 3.1 在数据传输方面的前期进展 1940年左右开始研究电钻杆。例如： 1940年Dickson, Dennison等研究解决了在导电介质（有 研磨性、腐蚀性的高压钻井液）中接头丝扣连接导电性的问 题； 1942年D.C.Hare研究使用感应接头的方式进行钻柱上 下数据通讯连接（获专利），研究使用电容器、整流、放大 原理从一个单根传送信号到另一单根； 9 智能钻井理论智能钻井理论 3.形成形成 20世纪70年代，美Shell公司研制湿接头对接式的有线随 钻传输。这一技术不断发展，并一直沿用至今； 1987年Mi

7、g Howard利用霍尔效应传感器连接钻柱接头传 输数据，其传输速率高达100bps。 10 智能钻井理论智能钻井理论 3.形成形成 3.2 在井下送电方面的前期进展在井下送电方面的前期进展 20世纪40年代末/50年代初前苏联开始研制并应用井下（有杆、无杆） 电钻。到1997年用电钻具钻井3200口，进尺6,422,421,000米。基本上 是用管 内 吊线与电插头的方法（图1），其缺点是可靠性差，往往钻 进1,000m左右接头就 因磨损而失效。 70年代，美GE公司研究电钻杆，1977年获专利。但基本上未能商业 化应用。 80-90年代，法IFP公司研究唇密封的电钻杆（1985年获专利），

8、试 用于1000m浅井。 1990年A.f.Veneru用连续导线从地面传送电力到井下，可使供电能力 几乎不受限制，并获得专利。 11 图 1-A 有线随钻测控系统 1钻头 2旋转导向工具 3钻杆 4导线 5转盘 7导线 8电接头 10水龙头 11水龙带 12 图1B 管柱内孔悬挂导线法之一 下电线 接头 联接螺栓 导线 上电接 头线 钻杆 密封垫圈 钻杆 轴承支 撑架轴承 导线 13 智能钻井理论智能钻井理论 3.形成形成 3.3 智能钻杆的形成与进展 从20世纪80年代末（90年代初）钻井技术上提出了需要解决既能随钻 实时双向高速传输测控数据的需求，同时又能随钻往井下送电的要求。 于是开始

9、研究智能钻杆。其主要理由： 一、无线脉冲传输能力太低，而智能钻杆能成千上万倍地提高传输能 力； 二、井下需电能，而用电池和/或井下涡轮发电机等方法其供电能力有限、 费用贵，特别是加长了MWD、LWD、旋转导向钻井工具（Power Drive、 Antotrak、GeoPilot）等硬件的长度，难以满足近钻头测量的轴向距离。 14 智能钻杆的主要难点有三： 一要实现与保证正常普通钻杆的各种功能； 二要在钻杆内埋导线（铜、光纤）； 三要解决接头的导电传输与绝缘密封。 智能钻杆中有关电的的问题 智能钻杆接头的“机电”结合 用三相交流电还是用直流电 功率、扭矩、电压等参数的选择 导线截面积及形状（圆、

10、扁） 绝缘包装及其外径 动力电缆与信息通道的“二合一” 接头丝扣部位的导电及两接头间“对准位置”与 “防错位” 15 电钻杆本体基本上有三种结构（图2） 钻杆内壁为异形，埋线、密封绝缘（图2 A）； 钻杆内壁安放一小管，在小管内装入导线并密 封绝缘（图2B）； 在钻杆本体内套装同心内管，在钻杆内壁与同 心管的环形空间埋导线并浇注绝缘材料，称 “三明治”式（图2C）； 用 51/2 及 57/8 钻杆，倾向用5 7/8（可 用于8 1/2 至 12 1/4 钻头 16 图 2 17 GRANT的电钻杆接头有两种方案： 在现有接头上钻孔再嵌入导电材料并密封绝 缘； 用特制高质量电子接头，双台肩式、

11、金属面密 封既有锥体面密封又有双台肩面密封；锥体为 气密的弹性金属-金属密封，台肩为普通金属- 金属密封，电子接头用环氧树脂等封装。 18 Figure 3 Elastomer face-seal connection pin end 19 Figure 4 Elastomer face-seal connection box end 20 21 22 23 24 智能钻杆三相交流电（也试过直流电）的输送电能 可以根据井下硬件的要求来选择。智能钻杆的数据传 输速率可达1万bps（电导钻杆Electric Drillpipe）、10 万bps（导线式智能钻杆，wired Intellipipe）

12、和100万 bps（光纤式智能钻杆，Intellipipe with fibre optic cables），最大已达200万bps。 25 GRANT PRIDECO公司除了自己研究之外，1999年 与多家公司（Chevron、Phillips、Exxon、Arco、BP- Amoco、Global Marine）联合组成一个合作工业项目 组（JIP，Joint Industuy Program）研制智能钻杆和复 合材料钻杆（关于复合材料钻杆，Composite Dillpipe, 另文阐述）。进行了卓有成效的设计、制造、试验和 评价工作，有重大突破（可参阅2003年2月SPE年会 公开发表

13、的论文等），这都值得我们借鉴。 26 4智能钻柱及可选择性使用的井下硬件 用图9、10、11、12说明。 27 数字信号处理仪 智能地面监控软硬件 网络、可视化 电源 分布式传感器（1） 点测力传感器（1） 分布式传感器（2） 点测力传感器（2） 分布式传感器（3） 电子振动器/防牵引器 电子振动器（弱震） 电子振动器（弱震） 电子牵引/推进器 电控DWD测量短接 电马达（电钻钻具） 智能钻头 电控LWD 电控SWD PWD 电控三维球体旋转导向工具 （超级可控三维导向工具） 图 9 智能钻柱及可选择性硬件的信息（数据）流示意图 反循环井下泵 井下钻速器 近钻头传感器 28 图 10 Layo

14、ut of DWD measurement sub 随钻诊断测量短节示意图 29 图11 Comparison of surface and downhole WOB measurements 地面钻压和井底钻压的对比 30 图12 Comparison of surface and downhole TOB measurements 钻头的地面测量扭矩和井底测量扭矩的对比 31 5智能钻井主要功能与优点 由地面向井下供给电能，不必再向井下使 用电池或涡轮发电机等；可以改进井下工具 （如：LWD、旋转导向钻井工具等）的结 构提高它们的性能，还可以缩短它们的长 度，有利于实现“近钻头安置” ;

15、32 能应用于各种钻井流体中并在地面与井下之间 实现双向、双工闭环信息的超高传输速率 （104bps以上），彻底解决了现用技术存在的信 息传输滞后的问题，也解决了气体钻井和含气钻 井液的随钻测量随钻传输的问题 ; 33 能随钻实时由井下向地面传输地质类、井身轨道 类、钻井工程参数类和井下动态诊断类共计4050 个（以后还可能更多）实时参数，从而极大地发挥 了随钻测井、地质导向、随钻优化和随钻诊断等方 面目前已经研发成功的先进技术与装备的作用，而 不必因传输能力受限而限用它们，也不必采用分时 传输和压缩数据等应变方法。这也解决了随钻上传 与下传信息互不干扰的难题 ; 34 随钻把钻井、测井、录井

16、等作业实时集成起来， 并予以智能化同步处理。智能钻井的随钻测井简化 了作业程序，提高了自动化程度，提高了时效，实 时优化智能分析，钻井综合成本降低5%-20%。可 取代常规电缆测井作业; 35 随钻实时诊断、识别、决策、控制井下动态复杂情况， 随钻在井场及钻台直接与管理指挥层交流。实现地层可视 化、井眼及钻柱系统可视化、井内流体及其流动状况可视 化、井身轨迹可视化、可随钻监控井下隐患的动态变化分 析排除复杂情况，降低风险，确保钻井安全，减少乃至消 除钻井事故。（例如：在高压气层，特别是高含硫气层钻 进时可以随钻实时监视井下有无气侵及气侵程度是否达到 井底井喷、井口井涌溢流等临界状况，从而给作业

17、者实时 进行科学决策和控制提供依据，并能把事故及时消灭在萌 芽状态；再例如对井下的漏喷塌卡斜和井身轨迹的偏差状 况都能随钻监视实时处理等等） ; 36 在智能钻柱中分布安置传感器实测不同工况下钻柱受力状 况，为钻柱力学和钻具磨损等研究以及钻具寿命和钻柱设计 方面提供重要依据 ; 智能钻柱是研究油井管最新技术、新课题的重要手段。例 如：试验研究套管钻井、膨胀管技术、多分支井专用工具等， 可随钻进行其力学行为与工况的跟踪实测与分析，为研发工 作提供科学依据 ; 这套技术与膨胀管柔性连续管等项目的研发有关。 37 实时诊断判断井下复杂情况，可安全钻进； 实时钻台显示及可视化； 实时智能决策、实时智能

18、控制； （管串）钻柱受力实测，为钻柱力学和钻柱设计提供 依据； （管串）钻柱磨损、损坏、寿命的研究； 38 研究油井管新科研项目的重要手段与方法： 如试验研究套管钻井，可随钻进行其力学行为与状况 的跟踪实测、研究 如试验研究膨胀套管，可随钻进行其力学行为与状况 的跟踪实测、研究 如试验研究柔性连续管，可随钻进行其力学行为与状 况的跟踪实测、研究 39 智能钻井概念已有较长历史。80年代应用 MWD技术以来，形成了基于泥浆脉冲的随 钻测量技术，。第一代智能钻井集成了现 代 等先进技术到石油钻井主流技术中来。 智能钻井的发展 第一代智能钻井技术 40 41 传统数据传输传统数据传输 传输速率10b

19、ps 上传参数8个 下传指令3个 钻井液体含气量3% 不能用气体欠平衡钻井 传输速率10bps 上传参数8个 下传指令3个 钻井液体含气量3% 不能用气体欠平衡钻井 瓶颈 变排量脉冲 下传指令 地面录井、测井 GST:LWD、PWD DDS RST 随钻井下测控技术 井下用电：电池或井下涡轮发电 随钻测量 参数上传 现代数据传输现代数据传输 上传上传速率2Mbps 上传参数数十个 且不受外部环境干 扰 2Mbps 上传参数数十个 且不受外部环境干 扰 42 第二代智能钻井技术 针对上述瓶颈问题，近年先后研究了多种有线传输 技术及其测控工具。 目前比较成熟和开始试用的是智能电子钻柱。 智能钻井应

20、配备先进的电驱钻机和装备。智能钻井 系统包括：具备遥传数据和向井下送电双重功能的 智能钻柱系统，地面电源与电子监控装备和井下电 控工具三大部分。 43 第二代智能钻井技术 在钻柱中嵌装植入多芯铜导线，建立起从地面向井 下连续输送强电电力并同时建立起多参数双向双工 闭环信息系统。 44 第二代智能钻井技术 传输速率高达11042106 bps，不受钻 井流体类型和性能的影响与限制，还可与局 域网/因特网连接，形成井下与地面及远程控 制的立体网络系统。 45 第二代智能钻井技术 创造性地实现了基于电子钻柱的第二代智能钻井 技术。它在更大范围内更加全面地把石油钻井随 钻实时信息的采集、传输、处理、应

21、用提高到崭 新水平。 46 第二代智能钻井技术 它还能把快速发展起来的LWD、PWD、SWD、 NRWD、GST、RST、DDS等井下随钻测控工具 和可与之配套的智能钻头、井下安全工具（井下 防喷阀、震击器、减震降阻器等）、井下动态诊 断（漏喷塌卡斜）工具、井下工程参数（p、n、t） 测控工具，钻柱分布式测力短节等系列化选择性 电控仪表工具，有效地集成使用 47 第二代智能钻井技术 实现随钻测控和随钻计算、贮存、随钻传 输，特别是随钻建模功能，把实时数据纳 入其油藏与工程模型中，有效解决技术难 题和促成超越极限。 48 底水 油底 油层 夹层 油层 油顶 气顶 盖层 标志层 岩心录井 岩屑录井

22、 泥浆录井 综合录井 钻进录井 地 质 预 告 实 钻 深 度 实 外 剖 面 钻头指标(进尺-时间)/钻速 钻柱(分布式) 传感器 测力(拉压弯扭震) DDS短节 钻进液参数Q、P泵、P环、ECD(实时钻井液当量密度) 钻头工作参数(井底钻压、井底转速、井底扭矩、弯矩、纵横加速度) 旋转导向工具(井斜角、方位角、工具面角、井斜变化率、方位变化率) PWD(P井底孔隙压力、气体含量、气体成份、P破裂)、Tc LWD(、N-D、方位)、井径、NRWR 防喷阀 减震器 震动器 推进器 反循 环泵 近钻头 测斜 SWD 指 令 电 力 实 时 信 息 随 钻 测 量 信 号 实钻三维井眼轨迹实时井下

23、压力剖面随钻气测井底扭矩井底钻压钻速/钻时 邻井、地区、井史数据库知识库专家系统管理服务系统 随钻实时确定 实际地质剖面 实时决策待钻井段轨迹 三维井轨可视化(旋转平移) 随钻动态诊断 井下复杂情况 钻进过程 优化参数 调控ECD 随钻井控 随钻确定 套管鞋位置 其 它 塌 斜 漏 卡 卡 塌 硬 喷 漏 喷 孔 孔ECD 密度窗口V VC C 进尺进尺 智能钻井原理与功能示意图 随钻测井 49 井 下 测 量 系 井 下 测 量 系 统统 电阻率、近钻头电阻率、 自然伽马、方位密度、 补尝中子密度、中子间 隙度、声波 电阻率、近钻头电阻率、 自然伽马、方位密度、 补尝中子密度、中子间 隙度、

24、声波 井斜角、方位角、工具面 角、井斜变化率、方位变 化率、方位变化率等 井斜角、方位角、工具面 角、井斜变化率、方位变 化率、方位变化率等 井底钻压、井底转速、井 底扭矩、井底温度、井底 压力、钻杆内压等 井底钻压、井底转速、井 底扭矩、井底温度、井底 压力、钻杆内压等 地 质 参 数 地 质 参 数 轨 迹 参 数 轨 迹 参 数 钻 进 参 数 钻 进 参 数 评 价 参 数 评 价 参 数 钻柱弯矩、钻柱振动、钻 柱扭振、钻头磨损、井径、 机械转速等 钻柱弯矩、钻柱振动、钻 柱扭振、钻头磨损、井径、 机械转速等 井下数 据监测 井下数 据监测 A/D 转换 换 算 标 定 校 正 A/

25、D 转换 换 算 标 定 校 正 井下数据 信号处理 井下数据 信号处理 格式变换 低频滤波 付立叶变换 计算转换 集成平均值 量化分级 格式变换 低频滤波 付立叶变换 计算转换 集成平均值 量化分级 地面 测量 地面 测量 综合录井 泥浆录井 综合录井 泥浆录井 随 钻 随 钻 动 态 建 模 动 态 建 模 随钻实时确定地质 条件 随钻实时确定地质 条件 导向控制决策分析 及可视化控制 导向控制决策分析 及可视化控制 EPROM存储器（井下存储）存储器（井下存储） 钻井过程优化决 策和智能决策 钻井过程优化决 策和智能决策 随钻动态诊断与预 报钻井复杂情况 随钻动态诊断与预 报钻井复杂情况

26、 BHA、导向工具、 钻头力学行为分析 BHA、导向工具、 钻头力学行为分析 智能钻柱智能钻柱 决策控制指令决策控制指令 井下执 行系统 井下执 行系统 智能钻头 导向工具 电动钻具 智能钻头 导向工具 电动钻具 信号下传信号下传 数据库 知识库 专家系统 数据库 知识库 专家系统 智能钻柱智能钻柱 信号上传 智能SOD总体结构设计 The architecture diagram of SOD system 信号上传 智能SOD总体结构设计 The architecture diagram of SOD system 50 第二代智能钻井技术的电子钻柱 对接式电子钻柱 由钻杆本体和对接 式电

27、接头组成，在钻杆本体与电接头 中植入多芯的铜导线，多芯电导线在 钻柱中连续贯通，它既可以从地面向 井下传送强电电力又可建立双向双工 闭环信息通道。 三种结构 51 感应式电子钻柱 由钻杆本体和感应线圈电接头组成， 它不能传送电力，只能传输信号，且 由于感应线圈的发射与接收信号易衰 减，不仅要加用放大器而且这种电子 钻柱的可用长度（钻井深度）受限。 三种结构 52 连续软管（CT） 在连续软管（CT）中植入铜（或光纤）导线， 因为连续管（CT）钻井技术本身还不够成熟等 原因，这种方案也不宜作为主选方案。 三种结构 53 第二代智能钻井技术的电子钻柱 第二代智能钻井技术将更全面地更高水平地实现智能

28、化、信 息化、自动化钻井。在这项技术方面，我国与世界少数几个 发达国家的大石油公司及石油装备管具制造公司几乎同时起 步，我国能在近年取得突破并实现工程化应用，再不断完善 提升，将发展成为第二代智能钻井系列化配套技术。预计第 二代智能钻井技术将发展成为今后的钻井主流技术。 54 未来智能钻井技术的其他研究方向 随着世界新技术革命的深化，必将不断推动石油钻 井和石油科技的更大进步。 国内已有人研究并提出了基于连续管和井下智能机 器人的智能钻井集成化新技术。 55 未来智能钻井技术的其他研究方向 它将集成使用电子连续管及其配套装备、高智能机 器人、井下闭环电子智能控制和信息系统，微机械 电子技术及其

29、软硬件，如纳米级新型电路和纳米电 子器件、纳米光纤电缆、超微电机、神经计算机、 智能通信网络系统等新技术。预计这一步研究计划 从起步到钻井工程应用，可能需要更长的时间，它 或许可能成为未来第三代智能钻井技术。 56 研究思路 笔者认为当前智能钻井的研究路线宜在不断提升发 展第一代智能钻井技术的同时，重点研发第二代智 能钻井技术，以第二代智能钻井技术为重点和主体， 一方面不断吸收第一代智能钻井技术的成果，另一 方面随时融入第三代智能钻井技术的单项成熟技术。 57 智能钻井的基本理论与基本技术 智能钻井的基本理论是通过建立井下与地面之间的井下有 供电保证的宽带闭环高速信息公路以双向双工闭环系统来

30、解决钻井工程的“黑箱”难题，随钻监控钻井对象（地层、 储层）和井下实时工况，实现准确、透明、可视、可控作 业。 智能钻井的基本理论 58 智能钻井基本理论-运用黑箱理论与方法随钻实时 采集、处理、决策、执行和控制闭环连续反馈、随钻智能 化解决诸多不确定性难题。 岩性、储层、井轨、工况 不确定性，非数值化 岩性、储层、井轨、工况 不确定性，非数值化 黑 箱黑 箱 信息输入信息输入 信息输出信息输出 连续反馈连续反馈 连续反馈下传 ID 下传 上传 ID ID 连续反馈下传 ID 下传 上传 ID ID 第一代智能钻井存在瓶颈:无线MWD跟不上快速发展的随钻测控技术 传输参数少、传输速率低、下传M

31、WD不完善、钻井液性能受限。 第一代智能钻井存在瓶颈:无线MWD跟不上快速发展的随钻测控技术 传输参数少、传输速率低、下传MWD不完善、钻井液性能受限。 59 智能钻井的基本理论与基本技术 在地面用传统和现代方法建立模糊地质模型（或地质设计） 和工程模型（或工程设计）的基础上，充分依据并科学利用 随钻测量采集到的井下地质与工程众多实时参数（而且是有 目的地设置的参数）与信息，几乎是零时差快速有效地传输 到井下CPU 和地面信息处理中心的计算机进行处理，形成 更符合井下实况的实时智能随钻模型与实时决策技术参数。 智能钻井的原理 60 智能钻井的基本理论与基本技术 再随钻快速下达各种控制井底测控执

32、行工具的实时指令，使 井下测控执行工具准确动作，再反馈信息进行第二轮测量采 集，这样连续实现“测量采集处理决策控制执 行再测量采集再处理决策再控制执行”如 此连续进行，最终达到智能钻井的目标。 智能钻井的原理 61 智能钻井的基本理论与基本技术 电力 在井口配有强电电源和带有导电滑环结构的顶驱装置或电龙 头等，通过智能钻柱向井下传输电力，电力线损耗小、发热 少、对信号干扰小并满足井下测控工具用电要求。 智能钻井的基本技术 62 智能钻井的基本理论与基本技术 电信传输 信号线是有供电保证的宽带闭环信息通道，信号传输速率高， 损耗与干扰小信号稳定。 智能钻井的基本技术 63 智能钻井的基本理论与基

33、本技术 传感测控单元传感测控单元 在智能钻柱下部组装的随钻测井工具和各类电控智能工具中安装有 各种高端电传感器，（如地层电阻率、岩性特征测量探头伽玛、中 子-密度探头N-D，声波探头S、核磁共振探头NR、地层孔隙压力传感器 P、井斜角、方位角和导向工具的工具面角，钻头井底钻压Pb、 井底转数n、井底扭矩Tb、钻柱不同截面处的测力传感器等等,视钻井需 求可多达30-40个传感器。 智能钻井的基本技术 64 智能钻井的基本技术 这些测控工具不再用井下电池和涡轮发电机， 从而缩短了工具长度，更能实现近钻头测量的效率。 传感器所测量的信息通过数据有线传输法的信号线， 用串行总线等方式实时传输到地面。在

34、地面通过网 络协议软件及顶驱服务器把信号分开或集成并传输 到信息中心进行处理、解释、应用。 65 智能钻井的基本技术 这样，通过随钻采集并经过处理后准确得到真 实的地层剖面完整资料。主要包括：地层岩性和深 度、储层特性及标志层、气顶、油层、夹层、油底、 底水水层等岩性及其深度、地层流体深度和流体压 力、流体性质、实钻三维井身轨迹、钻柱及其各组 配件与钻头的实时工况、井下钻井动态工况等。 66 智能钻井的基本技术 这些实时信息被高速传输到地面后并与地震、SWD、测井、 工程录井等方法及数据库中的信息进行必要的综合分析与整 合集成，运用软件对这些不同时空采集并具有不同特征（时 变的与非时变的、实时

35、的与非实时的、模糊的或确定的、相 互支持或彼此冲突的等等）信息的相关关系及其融合性加以 研究，解释处理得出待钻井段优化的技术参数及决策措施。 67 智能钻井的基本技术 从而发出相应的下传指令再通过智能钻柱信号线控制井下各 种有关智能电控工具的执行机构，使井下每个智能执行机构 及时准确地动作，甚至可在井下相关执行机构之间传送收发 信号以协调与控制它们之间的动作，从而减免风险，安全可 靠、准确快速、高效优质地完成智能钻井的任务，并兼收环 保、节能、降低成本等综合效益。 68 智能钻井的基本理论与基本技术 智能钻柱是智能钻井的必要手段与关键技术; 智能动态模型及相应软件是技术关键; 高端传感器的功能

36、与质量是关键技术; 钻井是主流技术，要实现多方技术与之集成。 技术关键 69 基于对接式电接头电子钻柱的智能钻井技术 正在研发的对接式电接头电子钻柱，是在钻杆本体植入多芯 铜导线，并在铜导线周围敷以绝缘材料构成在钻杆内壁的环 形的复合层内的电子通道。电接头是双锥体双台肩结构，由 电接头的第一锥体承受力学载荷，第二锥体内植入由绝缘材 料和密封材料屏蔽和包裹的多芯铜导线。公母接头对扣后， 强弱电路均导通。 对接式电接头电子钻柱 70 对接式电接头电子钻柱 研究目标 自主研发国内首创对接式智能钻柱（电子钻柱）形成基于 电子钻柱的智能钻井先导性试验建立研发基地（第一步）； 建立完整的智能钻井理论与配套

37、工程应用技术实现工程化、 产业化（第二步）并可持续发展实现商业化（第三步）。 71 对接式电接头电子钻柱 主要研究专题主要研究专题 专题1. 智能钻柱与智能钻井的原理、理论、用途、功能、优点、市场、需求、 产业化前景论证（预测）建立地面向井下供电并双向通信的电通道并与Internet 等形成立体网络，并用机电仪一体化专用软硬件实现信息化、智能化、自动化的 智能钻井系统。 专题2. 双芯“二合一”方案选择、可行性论证与结构设计 导线与信号线“二合一”的双芯扁导线电子钻柱，对使用三相交流电或直流电的 选择论证； 钻杆本体与导线； 电接头设计、接头与丝扣及其导线的接通方法； “三明治”及内管的制作、

38、加工、测试。导线（铜、光纤）； 绝缘与填料密封 脂等； 内管（可与膨胀管防腐衬管的结合） 72 对接式电接头电子钻柱 专题3. 电子钻柱样件的试制（加工） 选加工合作者。 先做小样（全尺寸公母接头及2根短钻杆）并试制4000m3000m的 57/8（或5、5/2）内平智能钻杆及接头实物。 专题4. 智能钻井的地面配套装备及智能监控网络及可视化等软硬件 专题5. 与智能钻杆及电子接头配套的选择性井下专用硬件设计、加工 （可分批进行） 73 电子钻柱样件及其配套软硬件单元 专用硬件设计、加工（可分批进行。） 井下动态诊断短节； 分布式测力短节和测试短节、工程参数测试短节； 电子微震（减摩阻）振动器

39、； 电控三维旋转导向工具（超级电控三维旋转导向钻井工具） ； 电控LWD、PWD、NRWD等 74 基于对接式电接头电子钻柱的智能钻井技术 对接式智能钻柱能够双向双工传输几十个参数与指令，其双 向传输速率可以高达11042106 bps，在BHA中最大限 度地集成电控的随钻测井（LWD）、随钻测压（PWD）、 随钻核磁共振测井（NRWD）等地质导向钻井工具和电控的 旋转导向钻井工具（RST）等先进工具并充分发挥它们的作 用，彻底解决第一代智能钻井的瓶颈问题。 对接式电接头电子钻柱 75 基于对接式电接头电子钻柱的智能钻井技术 对接式多芯智能（电子）钻柱提高了智能钻井的功能与水 平，在钻进时，可

40、实时进行测井、录井等随钻作业，可取消 现用常规电测井等作业，简化钻完井工序，提高了作业效率， 可大幅度降低钻完井成本。 对接式电接头电子钻柱 76 基于对接式电接头电子钻柱的智能钻井技术 智能钻井系统设计，并通过地面模拟实验和现场井下试验完 善设计； 智能钻柱方案论证与设计研制，并按试件、样件、产品三步 进行设计研发； 研发智能钻井的地面软硬件设计与配套； 井下智能工具模块设计与研制； 智能钻井理论研究、随钻建模方法与应用的研究。 对接式电接头电子钻柱主要研究内容 77 结论 现代钻井已有160年历史，而智能钻井是创新性的是全面换代技术，需 要足够重视； 基于智能钻柱的第二代智能钻井技术是研究的重点和发展方向； 智能钻柱不仅具有常规钻柱的功能还能向井下输送电力并高速率的进行 双向双工信息传输建立地面与井下闭环信息网络，且与因特网、局域网 连通。对接式电子钻柱的优点可望成为智能钻柱的主要系列产品； 智能钻井理论与软硬件的开发要全面规划，多学科联合攻关，产学研结 合，力争尽快见到成果。 78 = = 79