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未來的人工智能鉆井(下)

發布時間:2019年12月19日
來源:石油與裝備公眾號(2019-12-18)

井下人工智能實時導向安全鉆進系統的功能能夠實時隨鉆隨測隨控井下鉆頭,既要對鉆頭導向,又要以獲得最大產能為目標函數進行優化,使鉆頭采用最佳工藝參數鉆進,自動尋找最佳軌跡,精準鉆穿油氣層。與此同時,還要在鉆進過程中,能夠進行實時狀態監控與事故診斷,及時穩妥地自動處理事故排除故降,保障安全鉆進。為了實現上述功能,該部分由以下兩個專家系統組成。

人工智能鉆井實時控制鉆進專家系統

這個專家系統的任務是實現鉆頭的自動導向及自動選擇最佳工藝參數和自動尋找最佳井眼軌跡。因此,這個系統的核心組成是新型智能化鉆頭。該鉆頭由 四部分組成,即;傳感器測量部分 、計算機數據處理和存儲部分 、電源供給部分、通訊控制部分。傳感器測量部分負責采集鉆進過程中實時監測取得的隨鉆隨測鉆井數據, 如方向、鉆壓、轉速等參數。
計算機數據處理和存儲部分,它存儲有地質和物探部門提供的地質條件和油藏特征信息;能夠應用神經網絡法建立以獲得最大油氣產能為目標函數的鉆井工藝參數(如鉆壓、轉速等)優化模型,并將計算取得的最佳工藝參數與隨鉆隨測實時獲取的數據比較,實時發出調整工藝參數的指令,實現自動優化鉆進。電源供給部分通過新式智能鉆桿(如上述雙壁鉆柱)內裝的高速傳輸纜供電,傳輸纜也可使鉆頭向地面上工作人員傳送信息;通訊控制部分則是通過鉆柱內裝的傳輸纜與地面直接溝通,從而實現遠程遙控。

目前,國外阿帕奇石油科技公司,己研發出一種智能化鉆頭,它可以自行考慮并與地面裝備直接溝通,操控鉆速和方向。而國外油服公司研發出的新式智能鉆桿,內裝有高速數據傳輸纜,可使鉆頭向地面傳送信息,正符合智能化鉆頭的需要。

人工智能鉆井實時監控判斷處理故障專家系統

該系統的目的是保障鉆進作業的安全。現有的鉆井事故與復雜情況的診斷與處理技術,不能滿足現場實際的需要,往往難于避免無法預料的鉆井異常情況。這個新創建的專家系統是采用神經網絡法建立模型,它建立起的貝葉斯(Bayesian)網絡,涵蓋了多種事件類型及其相關概率。該概率模型可利用過去和現在的數據趨勢以及人工智能(AI)方法,產生關于鉆井工藝事故和設備或傳感器故障的預測,其網絡布置可用于實時檢測與井控、液壓相關的各種事故,例如鉆柱刺漏、泵故障、液體漏失、封隔器故障等等。此外,該模型還能夠對預測的趨勢進行評估,它可以通過自我學習和自我校準來提高其預測準確性,它可以針對失真傳感器的數據信息和模型的不確定性進行調整,從而保證預測的精準,不用擔心誤報。

以預防井噴事故為例,目前國外已研發出了一種人工智能防噴器液控裝置,它采用了先進的PLC和觸摸屏以及高可靠性的ROFIBUS總線等設施,可以實時預測并及時發出警報。再如,為了檢測可能發生的鉆柱刺漏和泵故障并啟動報警,目前,國外已研發出了一種新方法,這種方法是將鉆井液流速趨勢的實時監測數據、模擬的泵壓力與流速的關聯等參數,用來共同描述設備的狀態,從而進行評估,于極限狀態時,即可實時報警。報警第一階段能夠確定刺漏或泵故障風險及可能的發生時間;隨后,將刺漏和泵故障作為一個整體,而不是單獨識別,從而在第二階段又可精確識別出警報代表的故障類型。

上述井下人工智能實時導向安全鉆進系統在北美的一個海上鉆井平臺上曾經使用過。平臺上的一次鉆井作業中,該系統在鉆柱刺漏前發出了6次警報。基于此,作業人員及時進行補救,消除了災難性作業故障,防止了更大規模的經濟損失。并且,由于該系統的早期事件檢測,迅速解決問題恢復正常操作,還大大減少了非生產時間。

井場人工智能控制臺采用先進的綜合集成化人工智能技術

該技術對油氣井鉆井工程中的方方面面的模式識別、參數優選、系統優化及效果預測等等進行集成化的綜合控制。其遙控方式為電信號,通過多芯電纜連接,反應速度快,能夠實時反映轉閥手柄位置,速度及精度均優于傳統的氣控方式。井場人工智能控制臺的主要功能就是“解放司鉆”,也就是說用它來代替司鉆,完成所有的操控任務,讓司鉆從復雜的、緊張的操作中解放出來,不必長時間值守在崗位上,只需要在個別特殊下接管現場操作。

一部井場人工智能控制臺,包括有:臺架、防爆插銷、防爆觸摸電腦、防爆蜂嗚警報器、防爆按鈕和防爆旋鈕開關等部件。臺架上部裝設防爆箱,箱內設有防爆觸摸式工業計算機,計算機中載有:實時導向控制鉆進以及實時監控判斷處理故障系統軟件,如關井系統軟件等等。觸摸屏上設有:井口防噴器組的各個單體防噴器的開關界面、節流管匯的閥件開關界面、參數控制界面、一鍵關井界面、BOP及節流管匯自定義組合界面和數據曲線及控制記錄界面等等。在觸摸屏下端左側設有一個計算機程序啟動的防爆主控按鈕,右側設有一個計算機防爆旋鈕開關;在防爆箱底部設有一個防爆插銷和一個防爆蜂嗚器,防爆插銷一端與防爆工業計算機的輸入和輸出端對應相聯,另一端通過多芯電纜與已有的防噴器控制系統PLC相聯。井口防噴器組的各個單體防噴器的開關界面用來直觀用來顯示防噴器的排列及對防噴器排列進行自定義組合;節流管匯的閥件開關界面用來直觀地顯示節流管匯的組合及對節流管匯進行自定義組合;這兩個界面均可根據實際情況自定義布局,滿足不同井口不同工控的需要。一鍵關井界面可根據井口實際工況進行自定義,一鍵關井程序運行時可顯示關井步驟,并通過指示指導下一步。防爆工業計算機與井口防噴器控制系統PLC,通過多芯電纜連接,用于防噴器和節流管匯上的壓力傳感器壓力數據傳遞、報警信號傳遞及控制閥的開關控制,對壓力數據實時采集記錄及查閱。

今以控制關井為例,說明其實施過程。當防爆工業計算機裝入關井系統軟件時,只要在觸摸屏上點擊防爆觸摸式工業計算機控制程序,防爆觸摸式工業計算機即可將觸摸屏信號轉換為通訊信號,并通過電纜傳給防噴器控制系統PLC,再通過PLC分析信號轉換為電信號,來控制節流管匯上的電磁閥及其它功能,與此同時觸摸屏上顯示出PLC回傳的電信號,可實時顯示出閥的開關位置及壓力數據。若井口出現壓力異常需要緊急關井時,只要通過觸摸屏,點擊一鍵關井界面上的開始按鈕,防爆觸摸式工業計算機即可自動地進行關井程序,并通過提示去指導手動的關井步驟。同時還能夠將一切關井步驟、壓力數據等記錄下來,以備查詢。顯然,這樣的關井程序自動化,大大縮短了關井時間,減少了人為誤操作,提高了經濟效益。 

遠程人工智能控制中心。油氣田的油氣井分布區域,無論是陸地還是海上一般均很分散廣闊,為了保障眾多油氣井鉆井任務的正常運行,實現人工智能化,需要將各個開場的圖像信息、鉆井完井工藝及測井數據以及設備運轉和維護狀況等,實時傳送到油氣田管理部門,以便管理部門準確掌握可靠的第一手情報,及時做出正確的判斷和指揮調度,實時遠程反饋給各個油氣井,這就需要設立一個遠程人工智能控制中心。通常,人工智能鉆井的遠程控制中心的結構組成如下:

核心裝置,它主要由數據服務器和移動專線組成。服務器上安裝有操作系統軟件、數據庫軟件、監測系統軟件等。這些軟件具備主動問詢、數據顯示、數據存儲、數據查詢、報警顯示、生成電流、電壓及示功圖曲線等多項功能。

通信平臺,通常可采用無線局域網、數傳電臺、GPRS等通訊方式。采用數字網絡化的無線傳輸技術來實現數據的通訊,具有安裝開通快捷、維護遷移方便、造價低、便于集中管理等優點,尤其是采用GPRS方式時,不僅可進一步減少井場的工作人員, 而且,還可以實現遠程對各油氣井鉆機的聯合控制。地球衛星通訊(GPRS)包括有:數據分析服務器集群和深度學習服務器集群。前者用于對被控系統發送的各個油氣井的鉆井控制過程中的實時數據進行分析,從而得到不同類型的實時分析數據,并發送給深度學習服務器集群;后者用于將實時分析數據和歷史分析數據結合進行機器學習,以得到優化數據,并將其發送至認定的數據分析服務器集群;認定的數據分析服務器集群即可基于認定的優化數據,形成被控的油氣井的鉆井控制過程的優化指令,發送至被控系統。

監控設備,遠程人工智能控制中心的監控設備主要包括有:油氣井遠程測控終端、油井工作參量信號/數據采集設備、現場電源模塊、現場數據顯示、操作終端以及密封防爆電器箱等。其中,遠程測控終端由遠程控制終端、電源、前端傳感器加保護箱組成,遠程控制終端由數據采集I/O、電源模塊、通訊模塊/接口、天線等幾部分組成;保護箱是對測控系統進行保護的箱體,可以防雨、防曬、防塵。控制中心的監控設備中的現場數據顯示、操作終端,設有液晶屏幕顯示,面板上有操作按鍵,從而可實現對現場設備的配置與數據顯示。 

計量設備,它包括拉力變送器、角位移變送器、電流電壓互感器等等。

我國目前,鳳凰技術收益基金公司已研制成了利用衛星傳輸信息的遠程鉆井系統;威控科技公司已研發出了以遠程測控終端(RTU)為核心的油井遠程監控系統,它們都為人工智能鉆井遠程控制中心的建設,創造了有利條件。
從全球來看,現在國外已有油服公司和科技公司,陸續推出了有關人工智能鉆井的部分產品,預計到2025年有望進入人工智能鉆井的初級階段,開啟人工智能鉆井的新時代,而且“無人鉆井(井場不需要員工)” 的愿景也將會在不太長的未來實現。因此,人工智能鉆井是當前鉆井技術的一次全方位深刻革命,它將對鉆井行業及其從業人員產生深遠的影響,它將大幅度提升鉆井效率、質量、安全性、可靠性及經濟、社會效益。由此可見,我國必須迎頭趕上,大力開展人工智能鉆井的研發,以只爭朝夕的精神,在短時間內從“跟跑”到“領跑”,全面進入人工智能鉆井的新時代。

[責任編輯:dc]

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