智能鉆頭技術(shù)研究與應(yīng)用探索*

黃 哲 吳仲華 李 成 耿應(yīng)春 李緒鋒 燕修良 曹繼飛

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院；中國(guó)石化超深井鉆井工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

0 引 言

隨著勘探開發(fā)的進(jìn)行，難鉆地層提速增效已經(jīng)成為超深井與非常規(guī)資源開發(fā)的迫切需要。然而，現(xiàn)有提速增效技術(shù)在實(shí)施過程中，由于缺乏必要的數(shù)據(jù)積累，未能進(jìn)行鉆具響應(yīng)、巖石破碎、鉆進(jìn)參數(shù)、地質(zhì)特性、風(fēng)險(xiǎn)控制間的統(tǒng)籌關(guān)系挖掘，極易引發(fā)重復(fù)破碎與鉆具損傷，最終導(dǎo)致綜合提速效果不理想。作為破巖鉆進(jìn)的直接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，鉆頭的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)是鉆進(jìn)參數(shù)、地質(zhì)特性、鉆具結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)關(guān)系的直接體現(xiàn)。開展鉆頭位置處參數(shù)的采集與融合挖掘，是解決上述問題的關(guān)鍵。

然而鉆進(jìn)過程中，受管柱力學(xué)特性、地層參數(shù)非均質(zhì)、作業(yè)參數(shù)不穩(wěn)定等多種因素影響，現(xiàn)有模型與方法難以反映井下鉆具的真實(shí)工況[1-5]。受BHA力學(xué)結(jié)構(gòu)影響，鉆具動(dòng)力學(xué)響應(yīng)表現(xiàn)出沿深度變化的差異性分布[6]，現(xiàn)有井下工程參數(shù)與地面測(cè)量手段無法獲取鉆頭位置處的真實(shí)數(shù)據(jù)反饋，常規(guī)0～20 Hz低頻數(shù)據(jù)更是無法滿足智能鉆井?dāng)?shù)據(jù)挖掘與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的需要。

因此，國(guó)際石油公司，如國(guó)民油井、貝克休斯、哈里伯頓等，分別研發(fā)了BlackBoxTM、MultiSenseTM、CerebroTM等一系列鉆頭內(nèi)參數(shù)采集模塊[7-9]，配套鉆井參數(shù)優(yōu)化決策或鉆頭吃深(DOC)控制形成智能鉆頭技術(shù)。相關(guān)模塊主要采用電池供電、離線存儲(chǔ)的工作方案，具備鉆頭位置振動(dòng)/沖擊與轉(zhuǎn)速測(cè)量的能力，部分具備鉆壓與環(huán)空壓力采集能力，采樣率1 kHz以上，具備130 ℃、100 h以上無故障作業(yè)能力。不同于常規(guī)MWD和井下工程參數(shù)測(cè)量短節(jié)，模塊具備小型化、嵌入式、高頻率的特點(diǎn)，可以在不改變現(xiàn)有鉆具組合和施工工藝的前提下安裝于鉆頭內(nèi)部，直接采集鉆頭位置處的真實(shí)數(shù)據(jù)。配合理論分析，可用于探究鉆探功能障礙、預(yù)估鉆具風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化鉆具組合與作業(yè)參數(shù)，配套鉆頭內(nèi)機(jī)械伸縮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉆頭吃深(DOC)自適應(yīng)控制，達(dá)到提高鉆進(jìn)效率、降低作業(yè)成本的目的。

目前，國(guó)際石油公司已實(shí)現(xiàn)智能鉆頭技術(shù)完整的數(shù)據(jù)采集、分析、優(yōu)化服務(wù)[10-16]，并已開展全球應(yīng)用130余井次，綜合提速最高達(dá)200%。國(guó)內(nèi)如中石化勝利鉆井院、中國(guó)石油西部鉆探工程有限公司、西北油田等少量機(jī)構(gòu)研制了類似樣機(jī)產(chǎn)品，但僅具備振動(dòng)/沖擊與轉(zhuǎn)速測(cè)量能力，技術(shù)指標(biāo)略有差距，部分開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)但未見商業(yè)化應(yīng)用。為此，筆者基于嵌入式參數(shù)采集與鉆井參數(shù)優(yōu)化的智能鉆頭技術(shù)路線，開展了相應(yīng)的研究工作，針對(duì)智能鉆頭硬件研發(fā)與數(shù)據(jù)分析的部分關(guān)鍵問題進(jìn)行了探索[17-19]。

1 關(guān)鍵問題研究

1.1 智能鉆頭應(yīng)力測(cè)量方法

現(xiàn)有技術(shù)中，智能鉆頭參數(shù)采集模塊具有偏置式與中心式2種安裝模式(見圖1)。其中，偏置式模塊通常可以采用過盈配合的裝配方式實(shí)現(xiàn)與鉆頭本體結(jié)構(gòu)的剛性連接，從而具備應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。中心式則通常采用扶正支架或螺紋旋緊的形式實(shí)現(xiàn)測(cè)量模塊與鉆頭本體的連接，在結(jié)構(gòu)上缺乏必要的剛性約束與應(yīng)變片裝配條件，不滿足鉆頭本體應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)的直接測(cè)量需求。因此，國(guó)際石油公司在二代產(chǎn)品的研發(fā)重點(diǎn)逐步向偏置式安裝模塊傾斜(如MultiSenceTMII)，以順應(yīng)后續(xù)鉆具數(shù)字孿生的技術(shù)需要。

圖1 智能鉆頭測(cè)量模塊安裝模式Fig.1 Installation mode of intelligent bit measurement module

然而，偏置式模塊雖然具備鉆頭本體應(yīng)力應(yīng)變的直接測(cè)量條件，但由于其非對(duì)稱式安裝方式，并不具備使用惠斯通電橋進(jìn)行誤差校正的條件，即無法進(jìn)行鉆頭本體尺度上鉆壓、扭矩、溫漂的解耦。此外，偏置式安裝要求在鉆頭本體上開槽，在一定程度上對(duì)鉆頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度存在損壞，增加了施工風(fēng)險(xiǎn)。

為此，筆者對(duì)中心式安裝模塊硬連接方案進(jìn)行了探索，提出了工字形模塊結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 工字形模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of I-shaped module structure

模塊采用錯(cuò)位花鍵配合進(jìn)行周向限位，上、下游分別基于緊固端蓋與鉆頭體臺(tái)階進(jìn)行軸向限位，基于工字形臺(tái)階實(shí)現(xiàn)與鉆頭本體間剛性連接。使用有限元軟件建立工字形模塊力學(xué)模型，選取硬質(zhì)合金材料開展定性分析。依次施加20～80 kN鉆壓與10～20 kN·m扭矩，其應(yīng)力傳遞結(jié)果如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨鉆壓、扭矩變化響應(yīng)趨勢(shì)Fig.3 Response trend of strain at measuring points with changes in WOB and torque

由圖3可以看出，常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)范圍內(nèi)，工字形模塊測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)力與鉆頭本體鉆壓、扭矩呈線性關(guān)系，滿足鉆頭本體應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)直接測(cè)量的需求。此外，工字形模塊在空間中表現(xiàn)為帶臺(tái)階的中空?qǐng)A柱，具備中心對(duì)稱特征，其鉆壓、扭矩、溫漂的解耦可以通過惠斯通電橋進(jìn)行(見圖4)，計(jì)算式為：

圖4 惠斯通電橋結(jié)構(gòu)Fig.4 Wheatstone bridge structure

(1)

(2)

式中：δWOB、δTor分別為鉆壓扭矩作用下的應(yīng)力，Pa；εWOB、εTor分別為鉆壓、扭矩作用下的應(yīng)變；E為模塊框架彈性模量，Pa；Us、Uo分別為應(yīng)變片激勵(lì)、輸出電壓，V；k為應(yīng)變片系數(shù)。

1.2 智能鉆頭運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法

公開文獻(xiàn)表明，現(xiàn)有中心式與偏置式模塊運(yùn)動(dòng)參數(shù)通常由下式表示[15，20-22]：

(3)

(4)

其中：

(5)

(6)

顯然，偏置式模塊在進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)推算時(shí)并未排除側(cè)向振動(dòng)的干擾；中心式模塊需配套陀螺儀，且受陀螺儀量程的限制，其轉(zhuǎn)速測(cè)量量程通常應(yīng)不超過330 r/min。

根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)理論，剛體任意位置運(yùn)動(dòng)參數(shù)(加速度、角速度、角加速度)可以由下式表示：

(7)

式中：Ψ為各傳感器實(shí)測(cè)加速度，m/s2；Φ為由L與Lz構(gòu)成的18×12維系數(shù)矩陣；Γ為由剛體質(zhì)心位置加速度、角速度、角加速度構(gòu)成的參數(shù)矩陣；xi、yi、zi為編號(hào)為i的傳感器的三軸加速度，m/s2；x0、y0、z0為運(yùn)動(dòng)中心質(zhì)點(diǎn)的三軸加速度，m/s2；wj=x，y，z分別為運(yùn)動(dòng)中心質(zhì)點(diǎn)的三軸角速度和角加速度，rad/s、rad/s2。

因此，筆者在前期研究中[17]，結(jié)合前文工字形模塊結(jié)構(gòu)，提出了一種六棱柱式加速度計(jì)空間陣列構(gòu)型(見圖5)。分別以棱柱軸向與徑向構(gòu)建笛卡爾坐標(biāo)系，形成陣列載體坐標(biāo)系α，其Zα軸與棱柱軸向?qū)R，Xα與Yα軸分別指向一側(cè)棱邊與側(cè)面。三軸加速度傳感器1～6上下交錯(cuò)分布于棱柱側(cè)面，各傳感器Yi軸與Yα同向，Zi軸垂直側(cè)面指向外側(cè)。

圖5 六棱柱式陣列坐標(biāo)系關(guān)系示意圖Fig.5 Schematic diagram for coordinate system relationship of a hexagonal prismatic array

(8)

化簡(jiǎn)余式可得關(guān)于wj(j=x，y，z)的非線性方程組 [fi]=Ψ-ФΓ，令F=[f1，f2，… ，f9]T。繼而，計(jì)算雅各比矩陣DF，由下式迭代求得角速度與角加速度最小二乘解：

(9)

圖6 陣列Y軸角速度推算對(duì)比Fig.6 Comparison between calculated angular speeds of Y-axis of array

1.3 測(cè)量模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

基于前文六棱柱式傳感器空間陣列構(gòu)型，設(shè)計(jì)陣列式模塊如圖7所示。測(cè)量模塊擬基于臺(tái)階加工安裝于鉆具接箍外螺紋內(nèi)部。因測(cè)量模塊相對(duì)于原有鉆具結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了流道變徑，需對(duì)模塊內(nèi)流道進(jìn)行循環(huán)壓耗與沖蝕情況分析與流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以降低測(cè)量模塊對(duì)原有鉆井工藝與施工參數(shù)影響，并便于后期分布式測(cè)量方案的實(shí)施。

基于臺(tái)階入口、斜面入口、凹圓入口、凸圓入口、拋物線入口、最速降線入口的6種流道變徑結(jié)構(gòu)，使用有限元方法構(gòu)建流固耦合沖蝕模型。流體域以k-ε湍流模型描述，選用無滑移壁面條件、入口流量25～30 L/s、出口壓力0。待模型內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定后，入口按時(shí)間均勻釋放密度為2 200 kg/m3、直徑70 μm的固相顆粒。僅作定性研究，取沖蝕時(shí)間10 ms、粒子釋放時(shí)間8 ms，模擬啟停泵與穩(wěn)定循環(huán)過程中的沖蝕情況。

循環(huán)壓耗模擬結(jié)果如圖8所示。針對(duì)平面臺(tái)階、斜面、凹圓、凸圓、拋物線、最速降線6種流道入口結(jié)構(gòu)，同排量條件下凸圓循環(huán)壓耗最小，其次為斜面、拋物線、最速降線與凹圓。

圖8 不同入口結(jié)構(gòu)模塊循環(huán)壓耗Fig.8 Circulating pressure loss of modules with different inlet structures

沖蝕模擬結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，平面臺(tái)階與最速降線入口均會(huì)在內(nèi)徑最小處發(fā)生嚴(yán)重的沖蝕現(xiàn)象，隨循環(huán)的穩(wěn)定進(jìn)行，該損傷將進(jìn)一步擴(kuò)大至整個(gè)測(cè)量模塊使之破壞失效。拋物線與凹圓入口則會(huì)在加工倒角處產(chǎn)生較為嚴(yán)重的沖蝕。流道變徑部分凹圓沖蝕程度最小，其次為拋物線、凸圓、斜面入口。對(duì)斜面、凹圓、凸圓結(jié)構(gòu)開展速度與壓力分析如圖10所示。由圖10可知，因上游鉆具壁面效應(yīng)，流體運(yùn)動(dòng)在模塊倒角位置處發(fā)生滯止并產(chǎn)生局部高壓；在變徑處發(fā)生流體轉(zhuǎn)向并以此形成沖蝕磨損；在變徑完成后由于流體流動(dòng)慣性與壁面效應(yīng)的綜合作用，小徑處發(fā)生局部負(fù)壓并導(dǎo)致渦流的產(chǎn)生，從而造成額外的壓力損耗。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，凸圓結(jié)構(gòu)能夠有效降低滯止產(chǎn)生的局部高壓，且其在小徑處形成的局部負(fù)壓區(qū)域較小、能夠有效抑制渦流的產(chǎn)生，避免額外的壓力損失。

圖9 不同入口結(jié)構(gòu)模塊沖蝕情況Fig.9 Erosion status of modules with different inlet structures

圖10 速度與壓力分布云圖對(duì)比Fig.10 Cloud charts of speed and pressure distributions

啟停泵與穩(wěn)定循環(huán)過程沖蝕情況對(duì)比如圖11所示。由圖11可知，斜面、凹圓、凸圓3種結(jié)構(gòu)在啟停泵瞬間，受井筒內(nèi)壓力波動(dòng)影響，大徑處導(dǎo)角位置的滯止現(xiàn)象被破壞，死水區(qū)恢復(fù)流動(dòng)，導(dǎo)致大徑倒角位置在啟停泵瞬間產(chǎn)生劇烈沖蝕。啟停泵瞬間，凸圓在結(jié)構(gòu)上具有一定的導(dǎo)流效果，在一定程度上降低了死水區(qū)穩(wěn)定性，減輕了啟停泵瞬間的沖蝕規(guī)模與固相顆粒沖擊力(速度矢量變化小)，具有更好的抗沖蝕表現(xiàn)。而在穩(wěn)定循環(huán)階段，相對(duì)于凹圓與凸圓入口，斜面入口結(jié)構(gòu)因?qū)α黧w質(zhì)點(diǎn)速度矢量的影響最小，不會(huì)產(chǎn)生小規(guī)模的局部低壓與渦流沖蝕，其在變徑段表現(xiàn)出優(yōu)秀的抗沖蝕能力(見圖11)與低壓力損耗(見圖8)。

圖11 啟停泵與穩(wěn)定循環(huán)過程沖蝕情況對(duì)比Fig.11 Comparison of erosion status at pump on/off and in constant circulation process

因此，綜合加工難度、壓力損耗與抗沖蝕表現(xiàn)，采用凸圓+斜面復(fù)合結(jié)構(gòu)開展流道優(yōu)化，設(shè)計(jì)流道結(jié)構(gòu)如圖12所示。依次調(diào)整復(fù)合入口結(jié)構(gòu)參數(shù)，繪制其循環(huán)壓耗與累計(jì)沖蝕曲線如圖13、圖14所示。由圖12～圖14可以看出：隨導(dǎo)圓半徑的增大，復(fù)合入口循環(huán)壓耗表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)，并在R=5 mm附近達(dá)到最小；其累計(jì)沖蝕量隨導(dǎo)圓半徑的增大，表現(xiàn)為由斜面沖蝕特征向凸圓沖蝕特征的過渡；一定范圍內(nèi)，復(fù)合結(jié)構(gòu)入口處循環(huán)壓耗與入口高度成反比、累計(jì)沖蝕量與入口高度呈反比。綜合考慮各參數(shù)結(jié)構(gòu)水力性能與抗沖蝕能力，開展復(fù)合入口結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。優(yōu)化后模塊流道循環(huán)壓耗相對(duì)常規(guī)臺(tái)階入口降低89.1%、相對(duì)斜面入口降低84.6%，最大沖蝕量相對(duì)常規(guī)臺(tái)階入口降低96.5%、相對(duì)斜面入口降低45.8%(見表1)。

表1 流體通道性能參數(shù)(時(shí)間5 ms，流量30 L/s)Table 1 Performance parameters of different flow channels (t=5 ms，Q=30 L/s)

圖13 復(fù)合入口循環(huán)壓耗對(duì)比Fig.13 Comparison of circulating pressure loss of composite inlets

圖14 復(fù)合入口累計(jì)沖蝕對(duì)比Fig.14 Comparison of cumulative erosion at composite inlets

2 技術(shù)應(yīng)用探索

2.1 BHA井下聽診

基于嵌入式測(cè)量直接獲取井下鉆具運(yùn)動(dòng)參數(shù)，分析真實(shí)運(yùn)動(dòng)工況、指導(dǎo)參數(shù)優(yōu)化，是智能鉆頭技術(shù)的重要應(yīng)用方式。筆者基于前期研究基礎(chǔ)，加工智能鉆頭樣機(jī)2臺(tái)，開展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用5井次，累計(jì)入井時(shí)間超過140 h，采集數(shù)據(jù)790余萬條，最大井底壓力65 MPa、溫度120 ℃。

圖15 取芯段測(cè)量原始數(shù)據(jù)記錄Fig.15 Raw data record measured in coring interval

2.2 鉆井參數(shù)優(yōu)化

單位進(jìn)尺成本最優(yōu)是最為典型的鉆井參數(shù)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，然而由于其計(jì)算公式中鉆頭磨損系數(shù)難以進(jìn)行實(shí)時(shí)的定量評(píng)價(jià)，該方法在實(shí)際應(yīng)用中存在困難。此外，智能石油鉆井是一個(gè)多參數(shù)影響、多系統(tǒng)協(xié)作的復(fù)雜性系統(tǒng)工程，各智能子系統(tǒng)/模型間的控制目標(biāo)與決策指令并非相輔相成，而是存在著激烈矛盾、競(jìng)爭(zhēng)、讓步的統(tǒng)籌關(guān)系。鉆井過程任務(wù)規(guī)劃、方案實(shí)施、工況變化的復(fù)雜性，使得各子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)、耦合、矛盾、沖突不容忽視。

指定地面裝備與鉆具組合前提下，機(jī)械鉆速與比能是衡量鉆井方案的關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)一般規(guī)則，比能基線是優(yōu)化鉆井過程中所能達(dá)到的最高破巖效率的對(duì)照線，是觀測(cè)比能曲線的基準(zhǔn)線，實(shí)際比能曲線與比能基線偏離程度與破巖效率成反比。比能評(píng)分SE為：

SE=1-

E0∈[0，1]

(10)

式中：Ef為常數(shù)0.5；W為鉆壓，kN；dB為鉆頭直徑，m；RS為地面轉(zhuǎn)速，r/min；KN為動(dòng)力鉆具轉(zhuǎn)速流量比，r/L；Q為排量，L/s；TS為地面扭矩，kN·m；Tm為螺桿鉆具最大額定扭矩，kN·m；Δpp為鉆具壓力降，MPa；Δpm為動(dòng)力鉆具最大額定壓力降，MPa；v為鉆速，m/s；E0為比能基線。

根據(jù)楊氏方程可知，特定鉆具組合與地層條件下，機(jī)械鉆速與鉆壓、轉(zhuǎn)速成正比。特定條件下機(jī)械鉆速函數(shù)始終為單調(diào)遞增，極值點(diǎn)不存在，無法以極值基線的形式進(jìn)行機(jī)械鉆速評(píng)分。而實(shí)際鉆井過程中，鉆壓、轉(zhuǎn)速的提高，在單方面提高機(jī)械鉆速的同時(shí)，也會(huì)增加鉆頭泥包、鉆具振動(dòng)、渦動(dòng)、黏滑等異常工況的風(fēng)險(xiǎn)。鉆頭泥包是井底清潔程度的關(guān)鍵表征，并與排量呈現(xiàn)正相關(guān)相關(guān)，高排量下的井底清潔程度在一定程度上表征了鉆壓、轉(zhuǎn)速所能提高機(jī)械鉆速的上限。因此，機(jī)械鉆速評(píng)分以歸一化鉆速、井底清潔程度c1、振動(dòng)評(píng)價(jià)c2累乘的形式表征如下：

Sv=(v/vmax)c1c2

(11)

式中：Sv為鉆速評(píng)分；vmax為最大鉆速，m/s。

令，鉆井參數(shù)方案量化函數(shù)表示為比能評(píng)分、鉆速評(píng)分的乘積，即：

S=SvSE=h(H，W，Q，R，ρ，…)

(12)

式中：h為由井深H(m)、鉆壓W(kN)、排量Q(L/s)、轉(zhuǎn)速R(r/min)、鉆井液密度ρ(g/cm3)等工程參數(shù)表征的量化函數(shù)。

則，鉆井參數(shù)方案量化函數(shù)是井深、地層巖性參數(shù)、鉆井工程參數(shù)的多維度非線性映射。當(dāng)僅進(jìn)行鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量?jī)?yōu)化時(shí)，鉆井參數(shù)方案的優(yōu)選問題即可轉(zhuǎn)化為多維度非線性方程的全局尋優(yōu)，其最優(yōu)值可由粒子群算法求解，其邊界條件由振動(dòng)強(qiáng)度、設(shè)備性能等限定。

繼而，可以通過理論公式推演或深度學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)的方法，基于關(guān)鍵參數(shù)的超前預(yù)測(cè)與云圖繪制，鎖定優(yōu)化控制邊界；利用全局尋優(yōu)算法，實(shí)現(xiàn)指定深度位置處的參數(shù)優(yōu)化(見圖17)；最終，基于全井段遍歷，實(shí)現(xiàn)鉆井參數(shù)路線的優(yōu)化決策。

圖17 鉆井參數(shù)優(yōu)化決策(多目標(biāo)博弈)Fig.17 Optimization decision of drilling parameters(multi-objective gaming)

3 結(jié) 論

隨著勘探開發(fā)的進(jìn)行，挖掘鉆具響應(yīng)、鉆進(jìn)參數(shù)、地質(zhì)特性、風(fēng)險(xiǎn)控制間統(tǒng)籌關(guān)系，針對(duì)性開展提速增效工具/工藝設(shè)計(jì)與鉆井參數(shù)優(yōu)化，已成為(超)深層與非常規(guī)資源開發(fā)的迫切需要。以智能鉆頭為代表，小型化、嵌入式、高頻率的鉆具內(nèi)測(cè)量模塊已逐步成為國(guó)際油氣井下測(cè)量工具研發(fā)的重點(diǎn)方向。筆者基于嵌入式采集與存儲(chǔ)后參數(shù)優(yōu)化的技術(shù)思路，針對(duì)智能鉆頭硬件研發(fā)與數(shù)據(jù)分析的部分關(guān)鍵問題進(jìn)行了探索。

(1)提出了中心式模塊應(yīng)力應(yīng)變采集方案，采用錯(cuò)位花鍵配合進(jìn)行周向限位，上下游分別基于緊固端蓋與鉆頭體臺(tái)階進(jìn)行軸向限位，基于工字形臺(tái)階實(shí)現(xiàn)與鉆頭本體間剛性連接；數(shù)值模擬表明，測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)力與鉆頭本體鉆壓、扭矩呈線性關(guān)系，滿足鉆頭本體應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)直接測(cè)量的需求；基于工字形模塊中心對(duì)稱特征，使用惠斯通電橋排除溫漂與彎矩對(duì)鉆壓、扭矩測(cè)量的干擾。

(2)提出了棱柱式加速度計(jì)空間陣列構(gòu)型，基于最小二乘無約束優(yōu)化方法求解被測(cè)鉆具三軸加速度、角速度、角加速度；以傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)、當(dāng)前與前序時(shí)刻推算角加速度為輸入?yún)?shù)，以角速度為輸出參數(shù)，建立時(shí)間序列神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)角速度進(jìn)行校正，極大提高陣列Y軸與Z軸推算角速度的抗噪性，符合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與應(yīng)用要求。

(3)開展了測(cè)量模塊水力學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)了凸圓+斜面復(fù)合的流道入口結(jié)構(gòu)。使用有限元軟件開展數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，相對(duì)常規(guī)平面臺(tái)階與斜面入口結(jié)構(gòu)，復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠顯著降低循環(huán)壓耗80%以上、降低沖蝕量45%以上。30 L/s排量下，模塊流道循環(huán)壓耗僅為0.091 MPa，具備分布式應(yīng)用條件，能夠?yàn)槲磥硌劂@具測(cè)量與鉆柱數(shù)字孿生提供硬件基礎(chǔ)。

(4)加工了智能鉆頭樣機(jī)2套，開展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用5井次，累計(jì)入井超140 h。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，樣機(jī)可以耐受65 MPa、120 ℃井下環(huán)境，無滲漏，運(yùn)行良好、性能可靠。以勝利牛頁長(zhǎng)筒取芯實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，開展了取芯筒井下工況診斷；能夠有效識(shí)別接立柱、啟停泵與鉆具跳動(dòng)、黏滑、側(cè)向振動(dòng)等多種工況；經(jīng)參數(shù)分析，可嘗試調(diào)整鉆壓50～60 kN以提高當(dāng)前地層長(zhǎng)筒取芯收獲率，并可適當(dāng)增加轉(zhuǎn)速以提高取芯鉆速。

(5)基于多目標(biāo)優(yōu)化原理，統(tǒng)籌鉆速、比能、振動(dòng)、井底清潔等多種參數(shù)關(guān)系，提出了鉆進(jìn)參數(shù)方案量化評(píng)價(jià)函數(shù)，提出了基于粒子群優(yōu)化的鉆進(jìn)參數(shù)全局尋優(yōu)策略，但其鉆速、比能、振動(dòng)、井底清潔等關(guān)鍵參數(shù)在不同鉆具組合、地層特性、鉆進(jìn)參數(shù)下的超前預(yù)測(cè)與自學(xué)習(xí)自校正方法仍需進(jìn)一步研究。