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未来的人工智能钻井(下)

发布时间:2019年12月19日
来源:石油与装备公众号(2019-12-18)

井下人工智能实时导向安全钻进系统的功能能够实时随钻随测随控井下钻头,既要对钻头导向,又要以获得最大产能为目标函数进行优化,使钻头采用最佳工艺参数钻进,自动寻找最佳轨迹,精准钻穿油气层。与此同时,还要在钻进过程中,能够进行实时状态监控与事故诊断,及时稳妥地自动处理事故排除故降,保障安全钻进。为了实现上述功能,该部分由以下两个专家系统组成。

人工智能钻井实时控制钻进专家系统

这个专家系统的任务是实现钻头的自动导向及自动选择最佳工艺参数和自动寻找最佳井眼轨跡。因此,这个系统的核心组成是新型智能化钻头。该钻头由 四部分组成,即;传感器测量部分 、计算机数据处理和存储部分 、电源供给部分、通讯控制部分。传感器测量部分负责采集钻进过程中实时监测取得的随钻随测钻井数据, 如方向、钻压、转速等参数。
计算机数据处理和存储部分,它存储有地质和物探部门提供的地质条件和油藏特征信息;能够应用神经网络法建立以获得最大油气产能为目标函数的钻井工艺参数(如钻压、转速等)优化模型,并将计算取得的最佳工艺参数与随钻随测实时获取的数据比较,实时发出调整工艺参数的指令,实现自动优化钻进。电源供给部分通过新式智能钻杆(如上述双壁钻柱)内装的高速传输缆供电,传输缆也可使钻头向地面上工作人员传送信息;通讯控制部分则是通过钻柱内装的传输缆与地面直接沟通,从而实现远程遥控。

目前,国外阿帕奇石油科技公司,己研发出一种智能化钻头,它可以自行考虑并与地面装备直接沟通,操控钻速和方向。而国外油服公司研发出的新式智能钻杆,内装有高速数据传输缆,可使钻头向地面传送信息,正符合智能化钻头的需要。

人工智能钻井实时监控判断处理故障专家系统

该系统的目的是保障钻进作业的安全。现有的钻井事故与复杂情况的诊断与处理技术,不能满足现场实际的需要,往往难于避免无法预料的钻井异常情况。这个新创建的专家系统是采用神经网络法建立模型,它建立起的贝叶斯(Bayesian)网络,涵盖了多种事件类型及其相关概率。该概率模型可利用过去和现在的数据趋势以及人工智能(AI)方法,产生关于钻井工艺事故和设备或传感器故障的预测,其网络布置可用于实时检测与井控、液压相关的各种事故,例如钻柱刺漏、泵故障、液体漏失、封隔器故障等等。此外,该模型还能够对预测的趋势进行评估,它可以通过自我学习和自我校准来提高其预测准确性,它可以针对失真传感器的数据信息和模型的不确定性进行调整,从而保证预测的精准,不用担心误报。

以预防井喷事故为例,目前国外已研发出了一种人工智能防喷器液控装置,它采用了先进的PLC和触摸屏以及高可靠性的ROFIBUS总线等设施,可以实时预测并及时发出警报。再如,为了检测可能发生的钻柱刺漏和泵故障并启动报警,目前,国外已研发出了一种新方法,这种方法是将钻井液流速趋势的实时监测数据、模拟的泵压力与流速的关联等参数,用来共同描述设备的状态,从而进行评估,于极限状态时,即可实时报警。报警第一阶段能够确定刺漏或泵故障风险及可能的发生时间;随后,将刺漏和泵故障作为一个整体,而不是单独识别,从而在第二阶段又可精确识别出警报代表的故障类型。

上述井下人工智能实时导向安全钻进系统在北美的一个海上钻井平台上曾经使用过。平台上的一次钻井作业中,该系统在钻柱刺漏前发出了6次警报。基于此,作业人员及时进行补救,消除了灾难性作业故障,防止了更大规模的经济损失。并且,由于该系统的早期事件检测,迅速解决问题恢复正常操作,还大大减少了非生产时间。

井场人工智能控制台采用先进的综合集成化人工智能技术

该技术对油气井钻井工程中的方方面面的模式识别、参数优选、系统优化及效果预测等等进行集成化的综合控制。其遥控方式为电信号,通过多芯电缆连接,反应速度快,能够实时反映转阀手柄位置,速度及精度均优于传统的气控方式。井场人工智能控制台的主要功能就是“解放司钻”,也就是说用它来代替司钻,完成所有的操控任务,让司钻从复杂的、紧张的操作中解放出来,不必长时间值守在岗位上,只需要在个别特殊下接管现场操作。

一部井场人工智能控制台,包括有:台架、防爆插销、防爆触摸电脑、防爆蜂呜警报器、防爆按钮和防爆旋钮开关等部件。台架上部装设防爆箱,箱内设有防爆触摸式工业计算机,计算机中载有:实时导向控制钻进以及实时监控判断处理故障系统软件,如关井系统软件等等。触摸屏上设有:井口防喷器组的各个单体防喷器的开关界面、节流管汇的阀件开关界面、参数控制界面、一键关井界面、BOP及节流管汇自定义组合界面和数据曲线及控制记录界面等等。在触摸屏下端左侧设有一个计算机程序启动的防爆主控按钮,右侧设有一个计算机防爆旋钮开关;在防爆箱底部设有一个防爆插销和一个防爆蜂呜器,防爆插销一端与防爆工业计算机的输入和输出端对应相联,另一端通过多芯电缆与已有的防喷器控制系统PLC相联。井口防喷器组的各个单体防喷器的开关界面用来直观用来显示防喷器的排列及对防喷器排列进行自定义组合;节流管汇的阀件开关界面用来直观地显示节流管汇的组合及对节流管汇进行自定义组合;这两个界面均可根据实际情况自定义布局,满足不同井口不同工控的需要。一键关井界面可根据井口实际工况进行自定义,一键关井程序运行时可显示关井步骤,并通过指示指导下一步。防爆工业计算机与井口防喷器控制系统PLC,通过多芯电缆连接,用于防喷器和节流管汇上的压力传感器压力数据传递、报警信号传递及控制阀的开关控制,对压力数据实时采集记录及查阅。

今以控制关井为例,说明其实施过程。当防爆工业计算机装入关井系统软件时,只要在触摸屏上点击防爆触摸式工业计算机控制程序,防爆触摸式工业计算机即可将触摸屏信号转换为通讯信号,并通过电缆传给防喷器控制系统PLC,再通过PLC分析信号转换为电信号,来控制节流管汇上的电磁阀及其它功能,与此同时触摸屏上显示出PLC回传的电信号,可实时显示出阀的开关位置及压力数据。若井口出现压力异常需要紧急关井时,只要通过触摸屏,点击一键关井界面上的开始按钮,防爆触摸式工业计算机即可自动地进行关井程序,并通过提示去指导手动的关井步骤。同时还能够将一切关井步骤、压力数据等记录下来,以备查询。显然,这样的关井程序自动化,大大缩短了关井时间,减少了人为误操作,提高了经济效益。 

远程人工智能控制中心。油气田的油气井分布区域,无论是陆地还是海上一般均很分散广阔,为了保障众多油气井钻井任务的正常运行,实现人工智能化,需要将各个开场的图像信息、钻井完井工艺及测井数据以及设备运转和维护状况等,实时传送到油气田管理部门,以便管理部门准确掌握可靠的第一手情报,及时做出正确的判断和指挥调度,实时远程反馈给各个油气井,这就需要设立一个远程人工智能控制中心。通常,人工智能钻井的远程控制中心的结构组成如下:

核心装置,它主要由数据服务器和移动专线组成。服务器上安装有操作系统软件、数据库软件、监测系统软件等。这些软件具备主动问询、数据显示、数据存储、数据查询、报警显示、生成电流、电压及示功图曲线等多项功能。

通信平台,通常可采用无线局域网、数传电台、GPRS等通讯方式。采用数字网络化的无线传输技术来实现数据的通讯,具有安装开通快捷、维护迁移方便、造价低、便于集中管理等优点,尤其是采用GPRS方式时,不仅可进一步减少井场的工作人员, 而且,还可以实现远程对各油气井钻机的联合控制。地球卫星通讯(GPRS)包括有:数据分析服务器集群和深度学习服务器集群。前者用于对被控系统发送的各个油气井的钻井控制过程中的实时数据进行分析,从而得到不同类型的实时分析数据,并发送给深度学习服务器集群;后者用于将实时分析数据和历史分析数据结合进行机器学习,以得到优化数据,并将其发送至认定的数据分析服务器集群;认定的数据分析服务器集群即可基于认定的优化数据,形成被控的油气井的钻井控制过程的优化指令,发送至被控系统。

监控设备,远程人工智能控制中心的监控设备主要包括有:油气井远程测控终端、油井工作参量信号/数据采集设备、现场电源模块、现场数据显示、操作终端以及密封防爆电器箱等。其中,远程测控终端由远程控制终端、电源、前端传感器加保护箱组成,远程控制终端由数据采集I/O、电源模块、通讯模块/接口、天线等几部分组成;保护箱是对测控系统进行保护的箱体,可以防雨、防晒、防尘。控制中心的监控设备中的现场数据显示、操作终端,设有液晶屏幕显示,面板上有操作按键,从而可实现对现场设备的配置与数据显示。 

计量设备,它包括拉力变送器、角位移变送器、电流电压互感器等等。

我国目前,凤凰技术收益基金公司已研制成了利用卫星传输信息的远程钻井系统;威控科技公司已研发出了以远程测控终端(RTU)为核心的油井远程监控系统,它们都为人工智能钻井远程控制中心的建设,创造了有利条件。
从全球来看,现在国外已有油服公司和科技公司,陆续推出了有关人工智能钻井的部分产品,预计到2025年有望进入人工智能钻井的初级阶段,开启人工智能钻井的新时代,而且“无人钻井(井场不需要员工)” 的愿景也将会在不太长的未来实现。因此,人工智能钻井是当前钻井技术的一次全方位深刻革命,它将对钻井行业及其从业人员产生深远的影响,它将大幅度提升钻井效率、质量、安全性、可靠性及经济、社会效益。由此可见,我国必须迎头赶上,大力开展人工智能钻井的研发,以只争朝夕的精神,在短时间内从“跟跑”到“领跑”,全面进入人工智能钻井的新时代。

[责任编辑:dc]

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