1 智能鉆進關(guān)鍵技術(shù)

1.1 智能鉆進系統(tǒng)基本組成與原理

智能鉆進的基本技術(shù)主要包括以下5個系統(tǒng)。

(1)孔底動力輸送系統(tǒng)。該系統(tǒng)應滿足鉆孔及潛孔隨鉆測量系統(tǒng)(downhole measurement whiledrilling，DMWD)鉆頭運轉(zhuǎn)所需強電、測量系統(tǒng)及信息傳輸系統(tǒng)所需弱電的動力需求。

(2)鉆機運行參數(shù)測量與診斷系統(tǒng)。參見文獻[1]。

(3)數(shù)字式潛孔隨鉆測量集成系統(tǒng)。隨鉆測量單元和各類電控智能單元中安裝有各種高端傳感器，如地層電阻率、巖性特征測量探頭伽馬、中子-密度探頭，聲波探頭，核磁共振探頭，地層孔隙壓力傳感器，鉆孔傾角、方位角、導向工具的工具面角、鉆頭孔底鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)數(shù)、鉆頭扭矩、鉆桿不同截面處的測力傳感器，鉆頭應變及溫度傳感器，孔底地溫傳感器等，視鉆勘需求可多達數(shù)十個傳感器。

(4)孔底信息傳輸系統(tǒng)。傳感器所測量的信息通過數(shù)據(jù)有線傳輸?shù)男盘柧€，用串行總線等方式實時傳輸?shù)降孛妗?/p>

(5)地面數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。它是由計算機、監(jiān)視器、打印機及繪圖儀等終端組成，并接入網(wǎng)絡系統(tǒng)的信息處理中心。這樣，通過隨鉆采集并經(jīng)過處理后準確得到真實的地層剖面及地層分級等完整資料。

智能鉆進系統(tǒng)的基本原理是在鉆頭內(nèi)部或附近安裝隨鉆測量系統(tǒng)，通過各種傳感器技術(shù)對鉆機工作參數(shù)、鉆頭位置、鉆孔傾角、鉆孔方位、鉆孔巖性、巖石鑿入硬度及鉆進強度、鉆頭應變等進行實時測量，從而獲得鉆孔軌跡、鉆孔柱狀圖以及有關(guān)地層的物理力學參數(shù)、巖石分級及地應力數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地層的實時評判;同時，對鉆機工作狀態(tài)進行實時診斷、管理、控制、反饋和調(diào)節(jié)。通過測量采集—分析決策—控制執(zhí)行—再測量采集—再分析決策—再控制執(zhí)行如此連續(xù)進行，最終達到智能鉆進的目標。

1.2 鉆孔過程監(jiān)測技術(shù)

儀器鉆進系統(tǒng)技術(shù)(instrumented drilling sys-tem，IDS)是智能鉆進技術(shù)的雛形。英、前蘇聯(lián)、德、法、日、加拿大、美及中國等進行了一系列的研究。ENPASOL，PAPERO，Kajima[2]，KYPC、HDK及DA-TA-sENTRY[3]等儀器鉆進系統(tǒng)在鉆孔過程中實現(xiàn)了對鉆機工作參數(shù)及鉆進參數(shù)如施加在鉆具上的壓力、鉆具轉(zhuǎn)速、扭矩以及鉆頭位移等的自動監(jiān)測并用于簡單地層的判層。至于以往的IDS，鉆孔過程監(jiān)測系統(tǒng)(drilling process monitoring，DPM)[4]的主要進展在于建立了大樣本、復雜非線性圖形的相似性識別理論，解決了鉆進參數(shù)中大樣本數(shù)據(jù)間的相關(guān)性分析問題[1]。一種基于鉆進參數(shù)及能量的實時可鉆性分級方法、多峰非線性圖形的斜率搜索識別以及未知類及分類數(shù)的地層聚類判別方法已經(jīng)建立起來[5-7]，最新的技術(shù)及理論成果已在文獻[1]中論述。

1.3 鉆頭定位與導航技術(shù)

鉆頭定位包括3維空間坐標(經(jīng)度、緯度及高程)以及方位角。在20世紀80年代末，采用3軸磁力計和3向加速度計為基礎(chǔ)實現(xiàn)鉆頭導航。磁力計和加速度計為慣性測量單元(inertial measurement u-nit，IMU)的主要硬件，它們安裝于孔底裝配器(bot-tom hole assembly，BHA)中，測量時BHA處于休息狀態(tài)，磁力計和加速度計分別測量大地3個正交方向的磁場分量和重力加速度分量，大地磁場分量通過數(shù)學計算獲得方位角，大地重力加速度分量用以計算傾角，BHA的位置通過設(shè)定測站之間的軌跡來計算。但磁力計受地下磁場以及鉆進系統(tǒng)自身材料等外部場源干擾[8]。

自1976年美國Utah大學Vali和Shorthill首次提出光纖陀螺的概念以來，光纖陀螺得到了很大的發(fā)展。目前FOG以干涉式為主，集成光學型FOG將主要光學元件如耦合器、偏振器、調(diào)制器都集成在1塊芯片上，將光纖線圈、光源、檢測器接在芯片適當?shù)奈恢茫蜆?gòu)成了實用的集成光學型FOG。從FOG的發(fā)展方向來看，集成光學型FOG是最有發(fā)展前途的光纖陀螺形式。全光纖陀螺則將主要的光學元件都加工在1條偏光纖上，從而可以避免因元器件連接造成的誤差。目前，全光纖陀螺技術(shù)比較成熟，其性能最好，適合在現(xiàn)階段研制實用的商品光纖陀螺。由于閉環(huán)式光纖陀螺對環(huán)境、尤其是振動不敏感，是研制高精度光纖陀螺儀的理想形式。本世紀初，光纖陀螺儀(fiber-optic gyroscope，F(xiàn)OG)[9]用以取代磁力計。FOG具有尺寸小，無旋轉(zhuǎn)部件，消耗功率小，高可靠性及對溫度動態(tài)特性和振動的低敏感性，以及不受磁場影響。因此，IMU不再需要非磁套管保護，且尺寸小，所以減少了質(zhì)量和成本，提高了精度。FOG被認為是替代磁力計最為理想的方法。由于受FOG尺寸的影響，基于FOG的IMU經(jīng)歷了單FOG[9]、雙FOG[10]及三FOG[11]的發(fā)展過程。近來3向FOGs已進入商業(yè)化應用，它成本低且容易安裝，并逐漸趨于小型化?？梢灶A見，F(xiàn)OGs與加速度計將構(gòu)成鉆頭慣性導航系統(tǒng)(inertialnavigation system，INS)的新硬件。

智能鉆進還包括鉆孔方向與傾斜測量(direc-tional and Inclination while drilling，DIWD)。DIWD提供鉆孔過程及鉆孔軌跡信息，這些信息在確定推進方向和水平鉆進中非常重要。在控制系統(tǒng)中，DIWD反饋的信息可調(diào)整鉆孔過程使之遵循設(shè)定的路徑或確定鉆孔的生成軌跡。

研究表明，在基于磁傳感器的潛孔測量中，需要有專用的非磁套管來保護IMU，套管長度取決于井孔的精度、位置及傾角，在高北緯地區(qū)，要求磁傳感器到鉆頭的距離≥27 m[12]。在FOGs式的IMU中，單一FOG的IMU到3向FOGs的IMU，F(xiàn)OGs到鉆頭的距離縮短為7～8 m，設(shè)計的鉆管直徑為165.1mm，IMU艙內(nèi)安裝3向FOGs及3向加速度計，IMU前后安裝吸振器，并在IMU艙的外部增加環(huán)形吸振圈。單一FOG的IMU在傾角大于45°的井孔中，傾角的輸出誤差小于0.1°，傾角為20°時的誤差為0.3°，在接近北向時，方位角的精度為3°，當采用零速修正(zero velocity update procedure，ZUPT)后，方位角的精度可小于0.5°。

1.4 地層巖性判別

目前，DPM通過鉆進參數(shù)概化鉆進能量指標來劃分地層，巖性判別主要依賴于地質(zhì)分析。智能鉆進的另一主要目的則是對所鉆地層進行評價(for-mation evaluation while drilling，F(xiàn)EWD)，可采用的技術(shù)包括電阻率、γ射線、中子及密度傳感器。采樣信息可直接儲存在孔內(nèi)隨鉆的存儲芯片中或通過信息傳輸系統(tǒng)輸送到地面。電阻率和γ射線的數(shù)據(jù)用于地層識別，與中子及密度傳感器結(jié)合，可提供巖性、孔隙率及油或水飽和度方面的數(shù)據(jù)。已應用脈沖中子捕獲(pulsed neutron capture，PNC)及光譜脈沖中子測孔(spectral pulsed neutron logs，SPN)方法，由套孔PNC測井所產(chǎn)生的γ射線能提供地層密度信息。FEWD提供孔內(nèi)地質(zhì)數(shù)據(jù)，就像傳統(tǒng)的有線測井一樣。

1.5 潛孔隨鉆信號傳輸

在鉆進過程中，如何將BHA中測試系統(tǒng)的感應數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛嫘畔⑻幚碇行?，是智能鉆進的另一技術(shù)關(guān)鍵。在油氣領(lǐng)域，已提出的鉆井中井下檢測信號傳輸方式主要有泥漿脈沖、絕緣線纜、電磁波和聲波4種。按傳輸原理，電纜信號傳輸分為感應法傳輸和硬連接法傳輸2大類。電纜信號傳輸源于上世紀30年代。1939年，Crites等首先提出了利用鉆柱來建立地面與井底的電纜信號傳輸技術(shù)，即通過電纜建立地面與井底的雙向閉環(huán)鉆井測控信息系統(tǒng)。

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