基于標準化視角的智能鉆井高速信息傳輸發展現狀

孫成芹 胡永建 孫琦 張冠杰 張祁夢莎

摘 要：本文首先闡述了當前智能鉆井高速信息傳輸系統國內外發展現狀，說明了鉆井高速信息傳輸系統研究的重要性，然后調研了國內外此類新技術產品的相關標準發布情況，最后從產品標準化推動技術進步的角度給出了一些建議和展望，希望能對鉆井智能信息傳輸標準化發展起到推動作用。

關鍵詞：鉆井信息，高速傳輸，標準化

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.20.009

0 引 言

由于石油勘探開發的復雜性，不能孤立地對待單口油井獲取的信息，需要從全局角度匯總探井、甚至全部油井的信息，從整體上進行地質與油藏評估、優化并改進鉆井工藝，從而提高勘探開發水平。因此，石油勘探開發測量技術也逐步沿著“常規隨鉆測量MWD、LWD——自動化服務——智能化服務”發展，鉆井優化服務已經逐步開展，未來的發展方向是石油鉆井的智能化和自動化。鉆井自動化、信息化均是智能鉆井技術的組成與基礎，是多學科、技術復雜的系統工程，包括智能地面系統、鉆機自動化、智能井下工具及智能通訊等多方面內容。其中，井下智能通訊是當前較為迫切的“卡脖子”技術，目前成熟應用的鉆井液脈沖、電磁波等傳輸技術速率極低，最高也只有幾十比特每秒（bps），導致常規隨鉆測量信息只能存儲于井下等待儀器到地面后回放，實時傳輸少量數據供參考。而很多實時性要求極高的井下信息，如安全風險預警信息、旋轉導向及隨鉆測井信息等，均需要高速、雙向、寬帶的通訊網絡加以支撐。因此，鉆井智能高速信息傳輸系統技術已成為鉆井智能通訊的瓶頸技術，已經引起業內廣泛關注。

1 鉆井智能高速信息傳輸系統發展現狀

1.1 國外技術發展現狀

國際幾大石油公司都在進行智能鉆井信息傳輸技術的研發，目前主要進行研發的是鉆井優化服務，其重要作用是鉆井成本控制，是決定石油和天然氣投資的關鍵因素。在鉆井成本高和鉆井事故可能發生的情況下，鉆井成本控制尤其重要。鉆井技術優化的關鍵在于減少非作業時間，諸如卡鉆、MWD/BHA失效、漏失、循環處理井眼、井壁坍塌等，即在現有鉆具、井隊工作人員和工程師基礎上，組合先進的、可定制選擇的優化工具，通過實時決策及數據分析來提高工作效率。智能鉆井技術基本組成如圖1所示[1]。

在產品技術研發體系逐漸完善的同時，標準和認證體系將有助于智能鉆井技術各系統之間的銜接，提高系統可操作性和可靠性，合適的標準與認證體系能加速智能鉆井技術的應用推廣，從而實現跨越式發展[1]。

國外主要大型石油服務公司當前主流的鉆井優化系統如下：斯倫貝謝公司的OptiDrill實時鉆井智能化系統、可提供多項參數監測、實現鉆井工況評價及參數優化；貝克休斯公司的CoPilot系統，測量、分析和診斷動態鉆井過程，可預防工具突然扭斷，或是井下工具及套管的長期磨損；NOV公司自動化閉環鉆井系統采用井下動態傳感器、有纜鉆桿，可實時獲取井底鉆壓、扭矩、井下振動、黏滑、井底壓力等參數，通過鉆井決策平臺對井下動態數據與地面數據分析后，控制地面鉆機設備和井下控制工具自動優化鉆井參數，提高鉆井效率。

美國NOV閉環鉆井系統的數據傳輸核心是鉆井智能高速傳輸系統（也稱智能鉆桿系統），目前已經生產出4in、5in、5-7/8in、6-5/8in鉆桿系列，以及4-3/4in、6-1/2in、8in鉆鋌系列，并持續開發更多尺寸的智能管柱系列。2017年，智能鉆桿在全球4個大洲，超過175口商業井中得到應用（包括垂直井，水平井），并且實現多種MWD/LWD儀器以及旋轉導向工具的連接。2021年NOV官網最新報道，最新一代的智能鉆桿在挪威北海地區從2016年到2020年累計開展了120口井應用，同期在美國本土應用80余口井，累計達到213余井次應用，1，846，984英尺鉆井進尺，有效工作時間91.7%（uptime），合并2014年的報道數據，共計313口井以上。NOV智能鉆桿地面系統如圖2所示，智能鉆桿接頭處磁感應環如圖3所示。

1.2 國內技術現狀

國內早在2010年左右就有多家國有企業和公司開展了相關研究，但缺乏整體規劃，進展緩慢。中石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院孫浩玉等于2011年曾發表論文[2]，做過相關基礎理論研究。海隆石油工業集團有限公司曾有報道研制電導通智能鉆桿樣機，采用了高溫高壓密封接頭結構，解決了智能鉆桿在密封、絕緣等問題上存在的不足，具有耐腐蝕、壽命長等特點，但其成熟產品及商業化應用均未見報道。中海油和海隆石油公司2022年也都有相關新技術專利授權，如CN112681985B一種基于智能鉆桿與鉆機頂驅的智能鉆井平臺，海隆石油CN2168414749U一種智能鉆桿接頭等。其他公司如嘉禾石油等也有部分專利發布，但均未見產品應用報道。

除了中石油工程院鉆井信息傳輸系統外，尚無其他成熟產品。工程院高速信息傳輸系統與NOV智能鉆桿原理采用同樣高頻磁耦合原理，全部自主研發有纜鉆桿關鍵技術，傳輸速率100 kbps，是鉆井液脈沖或電磁波的5000多倍；可實現全天候鉆井，不受地層和井筒流體介質限制；具備分布式、全井筒測量功能，可測量壓力、溫度、扭矩、鉆壓、轉速等7種分布式參數測量，有助于實時掌握井下工況、優化工藝參數、降低非鉆井時間。系統結構主要包括地面系統、地面無線旋轉短節、井下有纜鉆具（含有纜鉆桿、有纜方鉆桿、有纜止回閥、有纜震擊器、有纜減震器等）、中繼短節、數據轉換短節等。有纜鉆桿和中繼短節實物圖如圖4～5所示。

2 鉆井智能高速信息傳輸系統標準化現狀

鉆井智能高速信息傳輸系統是一種井下高速傳輸全新產品，其核心部件涉及電子、物理、通訊、機械和鉆井等多門學科，國外目前并沒有查到該產品系統的標準公布，只有常規鉆桿產品標準。國內此類產品研究剛剛起步，并沒有成熟的商業化應用產品，也沒有行業標準，有生產制造能力的廠商面臨沒有相關技術標準可參考，同樣具有推廣應用困難。

2.1 國外標準情況

國外產品主要有美國NOV公司產品中的有纜鉆桿，已開展商業化應用300余口井，但在ISO和API官網均沒有相應的產品標準，只有普通鋼制鉆桿及鉆柱標準如下：

（1） ISO/DIS 11961 Petroleum and natural gasindustries - Steel drill pipe 石油和天然氣工業鉆井桿用鋼管規范[3]。

（2） API美國石油學會規范SPEC 5DP鉆桿規范Drill Pipe，詳細說明了鉆桿的規格、材質、標識等要求[4]。

（3） RP7G 鉆柱設計和作業極限第17版[5]，DrillStem Performance Properties，對設計和選擇鉆柱元件的建議，包括對井斜角度控制、鉆井液、負荷、轉速的考慮，列出了新制和使用過的鉆桿和接頭、鉆鋌和方鉆桿的尺寸、機械特性和使用特性，并推薦了二手鉆桿、二手油管關注及鉆具接頭的一些標準。

2.2 國內標準情況

國內已有一些大學和科研院所研究智能鉆桿及生產技術，但均沒有相關標準，只有鉆桿類標準，如SY/T 5561-2014《鉆桿》[6]，SY/T 5146-2014《加重鉆桿》[7]，SY/T 6509-2012《方鉆桿》標準等[8]。此類標準只針對常規鉆井鉆桿規格、安全性能等做出了設計，對于鉆井高速信息傳輸特殊形式鉆桿特性如信號傳輸損耗、檢測方法等不能實現標準化目的。井下儀器類通用技術標準SY/T 6702-2019《地層評價隨鉆測井系統技術條件》[9]，僅對井下測量儀器結構及測試方法制定了規范。

中石油工程院北京石油機械有限公司根據目前產品研發與制造經驗，總結出了一系列產品制造指標、測試方法及規范，有助于規范化設計和對外合作批量生產，以及進一步推廣遙傳系統，該規范已形成中石油集團公司企業標準1項，規定了系統主要部件、結構和基本參數，為產品批量生產、規范業內產品發展奠定了基礎，系統的規模化發展還有待業內進一步推廣應用。

3 建議與展望

石油裝備研制是實現鉆井過程提速提效的重要環節，其標準化程度與質量對于石油裝備技術水平及應用效果至關重要。我國石油裝備目前與國際水平存在的較大差距就在于自動化、智能化不足，急需廣泛開拓創新，大力發展此類產品。完善智能鉆井工藝技術、產品、裝備、生產管理、設計應用等方面的標準規范，建立科學完整、層次分明、具有前瞻性的相關技術高質量發展標準化體系構建研究工作勢在必行。但目前國內技術前瞻性不足，智能化高速大容量傳輸系統等核心技術研發不系統，新產品新產業在逐漸發展。標準化是組織現代化生產的重要手段，作為技術創新產業化、市場化、國際化的重要手段，尤其適用于新產品。因此，主要建議如下：

（1） 提升石油業內及相關行業科研創新能力，國外目前沒有發布標準，同步推進標準制定并逐步實施，可以根據產品特點考慮團體標準等靈活方式建標；

（2） 完善產品標準化體系[10]，根據現有技術產品特點，盡早開展標準建設，提高產品行業標準化水平，推動新產品研發規范化、標準化、產業化進程；

（3） 引領相關行業技術協同發展，新產品與多學科、多專業技術相互協同工作，單一行業標準不能實現全部技術的規范化、標準化作用，有必要將多學科技術納入標準體系，形成技術群，促進跨學科、跨專業協同發展。

展望未來，制定鉆井信息傳輸系統標準規范、測試規范等，對國內同類生產企業的制造產品加以規范化、標準化，形成高標準、高質量井下高速信息傳輸產品系列，有效帶動鉆井信息傳輸產業發展，推動批量化生產，在復雜深井、致密油氣藏、頁巖氣藏勘探與開發過程中發揮重要作用，為國內智能鉆井發展打下堅實的基礎。

4 結 語

“十四五”是我國石油行業實現高質量發展的關鍵期，智能鉆井高速信息傳輸技術是當前智能鉆井技術中重要的井下高速通信基礎，標準化工作可充分發揮提高新產品質量和促進技術推廣方面的優勢，通過制定新產品標準，擴大相關生產加工廠家合作范圍，實現新產品分散化、批量化、標準化生產，有助于提高生產效率，擴大新產品市場推廣，開展聯合攻關，帶動新技術行業進步，提高我國高端石油裝備產業整體競爭力。