井下機器人研究進展與應用展望

2019-06-28 00:51:26劉清友朱海燕趙建國

石油鉆探技術 2019年3期

劉清友，董潤，耿凱，朱海燕，趙建國

（1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學），四川成都 610059；2.西南石油大學機電工程學院，四川成都610500；3.中國石油集團海洋工程有限公司鉆井事業部，天津 300280）

水平井測井、壓裂等井下作業過程中，入井管柱常常因與井壁接觸面積過大而受到較大的摩阻，導致管柱屈曲鎖死而出現下入困難的問題[1]，通常采用機械減阻或潤滑劑減阻的方法來減小摩阻[2]，但不能從根本上解決管柱屈曲鎖死的問題。為此，國內外開展了井下機器人研究與應用，將其接在入井管柱中在井下對管柱進行牽引[3]，使管柱受到軸向拉力的作用，從根本上解決管柱下入困難的問題[4]。目前，根據井下機器人的主要用途和結構特點，將其分為井下牽引機器人和井下鉆井機器人2大類[5]，其中井下牽引機器人主要為井下管柱提供牽引力，分為輪式、履帶式和伸縮式3種類型[6-7]，國外應用較為成熟[8]，國內目前基本處于實驗研究階段；井下鉆井機器人不僅能為井下管柱提供牽引力，還具備鉆井液通道，能為鉆頭提供鉆壓，有伸縮式和獾式2種類型[9]，目前國外處于實驗研究階段，國內尚在理論研究階段，很少有相應的樣機實驗研究。筆者以近年來在井下機器人技術方面開展的攻關研究為基礎，系統介紹了井下機器人的4大關鍵技術與發展現狀，并對其現場應用進行了展望，以期為我國井下機器人技術的研究提供參考和借鑒。

1 井下機器人關鍵技術

井下機器人主要包括支撐機構、驅動系統、控制系統和能源供給系統4個部分（即井下機器人4大關鍵技術），到目前為止，還沒有對該4大關鍵技術進行系統研究的相關報道，因此筆者對其進行了詳細的調研和分析。

1.1 支撐機構

支撐機構的主要功能是為井下機器人的驅動輪、驅動滑塊或履帶提供在井壁或套管上的支撐力，以確保套管或井壁對井下機器人有足夠摩擦力，從而實現對井下管柱的牽引。井下機器人采用的支撐機構主要有齒輪、蝸輪蝸桿、絲杠、凸輪、液壓活塞和自鎖滑塊等，其性能對比見表1。由表1可知：齒輪、蝸輪蝸桿、絲杠和凸輪采用電機作為動力源，因此支撐力較小且容易失效卡住，但易于控制；液壓活塞、自鎖滑塊采用液壓泵或利用管內外壓差作為動力源，因此支撐力較大，能提供更大的牽引力，但存在動密封易失效、自鎖易卡住等問題。因此，設計井下機器人時，應根據各種支撐機構的結構特點和使用條件選擇合適的支撐機構。

表1 井下機器人不同支撐機構的性能對比分析Table 1 Comparative analysis on the performances of various supporting mechanisms of downhole robots

1.2 驅動系統

驅動系統的主要功能是為井下機器人提供牽引管柱的動力，并驅動井下機器人正常運行。目前，井下機器人的驅動系統主要有電機驅動輪、管內外壓差（閥門）和液壓驅動輪等，其性能對比見表2。由表2可知：液壓驅動輪的最大牽引力為12.00 kN，且最大牽引速度為1 677.5 m/h，是目前井下牽引機器人驅動系統的首選；而管內外壓差（閥門）的最大牽引力為65.77 kN，且最大牽引速度為304.0 m/h，能夠滿足小井眼連續油管鉆井對井下鉆井機器人的要求。

1.3 控制系統

控制系統可以對井下機器人的動作機構進行管控，對電磁閥或電泵的通斷進行邏輯控制，進而控制井下機器人的運動，同時收集其實時運動參數、井下工況并反饋至上位機，并進一步控制井下機器人的動作，從而形成一個閉環控制系統。井下機器人采用的控制系統主要有PIC（單片機）+CPLD（可編程器件）、PIC+DSP（數字信號處理）和智能控制等，不同控制系統的性能對比見表3。由表3可知：PIC結構簡單，工作可靠，因此目前井下機器人的控制系統主要以PIC為核心，但是難以實現閉環控制；智能控制方式可以實現井下機器人的自主運行，是井下機器人控制系統的發展方向，但其控制原理復雜，可靠性不高。

表2 井下機器人不同驅動系統性能對比分析Table 2 Comparative analysis on the performances of various drive systems for downhole robots

表3 井下機器人不同控制系統性能對比分析Table 3 Comparative analysis on the performances of various control systems for downhole robots

1.4 能量供給系統

能量供給系統用來為井下機器人提供動力，主要有流體動能發電、電纜和液壓等3種能量供給方式。目前，井下機器人主要采用電纜能量供給方式，由于電纜需占用機器人的設計空間，且牽引力較小，因此對于用于微小井眼的井下機器人來說，不宜采用電纜能量供給方式，采用液壓能量供給方式比較可取，因為液壓能量供給系統不會占用有限的設計空間，牽引力達到65.77 kN，且移動距離較長，能使井下機器人牽引更長的管柱。

2 井下機器人研究進展

2.1 井下牽引機器人

輪式井下牽引機器人技術較為成熟，其結構簡單、工作可靠，廣泛應用于測井、完井等井下管柱的牽引作業中，但是其牽引力較小，難以適應復雜的井下工況。目前，具有代表性的該類機器人是GESondex公司研制的輪式井下牽引機器人[10]，由驅動模塊和扶正模塊組成，一般單節配置1組驅動短節（包括2個驅動輪）和1組扶正短節（包括2個扶正輪），如圖1所示。大慶油田于2003年引進該機器人并用于水平井測井作業，成功獲得了生產測井資料。哈爾濱工業大學研制的輪式牽引機器人是國產該類機器人的代表[11]，其外徑105.0 mm，長度9 m，牽引力2 kN，目前已研制出實驗樣機。

圖1 GE-Sondex公司的輪式牽引機器人[10]Fig.1 GE-Sondex company's wheeled tractor robot[10]

伸縮式井下牽引機器人具有更大的牽引力，適用井深更深，但是難以小型化，安全可靠性低。因此，人們針對其安全性和小型化開展了一些研究，并取得了一些成果。G.Greg等人[12]發明了一種采用刀片式三連桿支撐機構的伸縮式井下牽引機器人（見圖2），能夠避免卡鉆，但是由于連桿支撐機構存在慣性力，容易產生動載荷，因此其牽引力較小。R.E.V.Krueger[13]發明了一種只有一條偏心支撐臂的井下牽引機器人（其他牽引機器人的支撐臂為3條或3條以上），大大減小了井下牽引機器人的外形尺寸（見圖3）。

2.2 井下鉆井機器人

井下鉆井機器人的設計空間有限，不但小型化難度較大，而且攜巖流道也難以滿足鉆井施工的攜巖要求。目前，國外只有WWT公司對伸縮式井下鉆井機器人的支撐機構進行了深入研究[14]，研制了彈簧片支撐機構井下鉆井機器人（如圖4所示），并進行了牽引試驗，但未見現場試驗的報道。

圖2 刀片式三連桿支撐機構伸縮式井下牽引機器人[12]Fig.2 Blade type telescopic downhole traction robot with three-link support mechanism[12]

圖3 偏心支撐臂牽引機器人[13]Fig.3 Traction robot with eccentric support arm[13]

圖4 WWT公司伸縮式井下鉆井機器人[14]Fig.4 WWT company's telescopic downhole drilling robot[14]

國內也開展了井下鉆井機器人的研究。筆者根據鉆井機器人牽引力大、尺寸小的現場施工要求，結合國內外井下機器人的研究與試驗情況，優選了伸縮式井下鉆井機器人結構方案，并于2016年研制出第一代液壓控制伸縮式井下鉆井機器人，主要由2個牽引缸、2個支撐缸及1個控制短節組成（外置液壓控制系統），牽引缸、支撐缸呈徑向布置（見圖5），采用液壓控件和單斜面支撐機構，避免了電子元件高溫易損壞的問題，且牽引力更大。

圖5 牽引缸、支撐缸徑向布置示意Fig.5 Schematic diagram of the radially arranged traction cylinders and support cylinders

2018年，筆者又設計研制了第二代伸縮式井下鉆井機器人，提出了牽引缸、支撐缸軸向布置方式及斜面-連桿支撐方式（見圖6），并進行了控制結構的可靠性和穩定性實驗研究。第二代井下鉆井機器人的牽引缸與支撐缸之間利用跨接拉桿實現固連，徑向上可以減少一層液缸，并減少了牽引缸與支撐缸之間的液壓流體通道，從而實現牽引缸、支撐缸單層液壓缸軸向布置，同時減小了鉆井機器人的徑向尺寸。

圖6 井下鉆井機器人牽引缸、支撐缸軸向布置示意Fig.6 Schematic diagram of the axially arranged traction cylinders and support cylinders for the second generation downhole drilling robot

圖7所示為伸縮式井下鉆井機器人的運動機理[15]。由圖7可知，井下機器人正常工作狀態包括6個運動過程、7個運動狀態。

圖7 伸縮式井下鉆井機器人運動機理Fig.7 Movement mechanism of downhole drilling robot

狀態a：右牽引缸將整個機器人向右牽引，左牽引缸帶動左支撐缸向右移動；

狀態b：左支撐臂利用左支撐缸完成支撐動作；

狀態c：右支撐臂與右牽引缸收縮并向右移動；

狀態d：左牽引缸牽引整個機器人向右移動；

狀態e：右支撐臂與右支撐缸一起完成支撐動作；

狀態f：左支撐臂與右牽引缸收縮并向右移動；

狀態g：重復步驟a—f。

3 應用展望

針對井下機器人的功能特點，并結合油氣開發現狀與需求，展望了井下機器人的應用前景，提出了基于井下機器人技術的3項鉆井完井技術。

3.1 連續油管多分支微小井眼水平井完井技術

我國頁巖氣開采依然面臨成本高、難度大、環境污染嚴重等諸多難題，為此，筆者等人[16]提出了多分支微小井眼水平井完井技術（如圖8所示），在微小井眼中實施定向爆破，以替代水平井分段壓裂，減少對儲層的損害和對環境的污染，從而形成經濟環保的頁巖氣開采新技術。該技術的關鍵是連續油管微小井眼鉆井技術，由于連續油管在井眼中容易出現屈曲鎖死的問題，因此水平段通常較短。井下鉆井機器人可在微小井眼中牽引連續油管并提供所需鉆壓，能大幅度增加水平段長度，從而提高頁巖氣井產量，降低開采成本。由于微小井眼的尺寸限制，且要求井下鉆井機器人具有攜巖流道，井下鉆井機器人的小型化仍是未來亟待解決的問題。

圖8 多分支微小井眼鉆井示意Fig.8 Schematic diagram of multi-lateral micro-hole drilling

3.2 連續油管智能閉環鉆井技術

智能閉環鉆井過程中無需操作人員干預，鉆壓、扭矩等鉆井參數完全由機器人自行控制，具有工況參數識別、鉆井數據處理、故障檢測與反饋、鉆井參數自行設定等特點，是信息技術、微電子技術、機器人技術及通信網絡技術與鉆井工程緊密結合的一種集成化技術[17]。為此，筆者提出了連續油管智能閉環鉆井技術（見圖9），整個鉆井作業可實現自動化控制，地面設備可集成安裝在一臺貨車車廂中。井下鉆井機器人是該技術的核心，但要實現鉆井作業的完全智能控制非常困難，因此還需要深入研究井下鉆井機器人的智能控制系統。

圖9 連續油管智能閉環鉆井技術Fig.9 Closed-loop drilling technology with coil ed tubing intelligent

3.3 無線單橋塞水平井分段壓裂技術

常規橋塞分段壓裂過程中要下入多個橋塞，壓裂完成后需對橋塞進行磨銑作業，不但耗時長，而且磨銑過程中容易損壞套管，引起井下故障[18]。為此，筆者提出了無線單橋塞水平井分段壓裂技術（如圖10所示）。該技術的關鍵設備主有井下機器人控制器、橋塞和無線井下機器人等，工藝流程為：1）將橋塞及機器人在地面進行組裝并測試，泵送到井底；2）地面發送分段壓裂指令，機器人自動搜索壓裂段位置，并射孔；3）自動避開射孔位置，并坐封橋塞；4）地面打壓壓裂，解封橋塞；5）重復步驟2）～4），完成多級分段壓裂；6）下入鉆柱打撈井下機器人，或直接將機器人泵入井底。

無線單橋塞水平井分段壓裂技術不僅具有常規分段橋塞壓裂大排量、高壓力的優點，還具有鉆柱起下次數少、橋塞免磨銑等優點，可以提高多級分段壓裂作業效率，降低作業風險。無線井下機器人為該技術的核心，應具有信號接收與執行、移動、坐封橋塞等功能，對無線單橋塞分段壓裂工藝施工具有決定性的作用。由于目前普遍采用深井/超深井進行油氣開采，因此信息傳輸是無線井下機器人的關鍵技術之一，也是未來井下機器人研究的熱點。