智能鉆井液監測技術研究現狀及發展趨勢

蘇延鶴

［關鍵詞］智能鉆井液監測；人工智能；流變性；數據決策；分析軟件

鉆井工程“血液”鉆井液性能的現場系統性/實時/連續監測已成為“勘探/開發技術一體化”必然的、決定“井”能不能“打的成、打的快、打的可控”的核心技術挑戰之一。世界油/氣行業鉆井工程鉆井液現場實時監測存在的主要問題：（1）數據檢測質量無法保證；（2）現場鉆井液材料及加料管理缺規范；（3）關鍵復雜工況決策缺少科學性和時效性；（4）工程風險掌控弱；（5）成本控制無相關依據。為解決以上鉆完井工程存在的問題，迫切需要信息化技術、智能技術和高端科學技術等，智能化鉆完井技術是一項前沿變革性技術，智能化技術發展的主要趨勢和熱門就是人工智能，主要是基于大數據、人工智能、云計算、物聯網、機械工程和控制工程；地質情況和油氣藏位置智能識別，智能導向鉆進，高質量鉆遇；參數自動尋優，風險閉環調控，方案智能決策，安全經濟高效。此技術與石油鉆井工程進行結合也是油氣行業的主要發展趨勢，而且此技術在目前以及未來油氣工業的發展中發揮著重要作用。

智能化鉆井液監測是一項前沿變革性技術—行業熱點和發展方向，是基于大數據、人工智能、云計算、物聯網、機械工程和控制工程；實現單一設備鉆井液性能參數實時現場全自動監測；實時事件/數據/報表/決策等借助現場網絡實時對外數據分析功能；從地面到井筒的全部動態實時數據，建立完整鉆井液現場鉆井液數據體系；智能專家數據庫，確定/驗證/優化鉆井液技術提供科學性和時效性的數據決策支撐。

1 智能鉆井液監測技術國內外最新研究現狀

鉆井液經常被比喻為鉆井工程的“血液”，為了保證鉆井施工的安全順利進行，預防井下復雜情況的發生，控制維護鉆井液的性能顯得尤為關鍵，然而鉆井液性能的測量還處于人工測量階段，程序比較復雜且費時，難以對鉆井液的性能進行實時監測并及時發現井下復雜情況，如何實現鉆井液性能參數的自動化測量，一直是行業研究的熱點。

1.1 智能鉆井液監測技術國外研究現狀

2008 年，MI-SWACO 貝克休斯建成了全套鉆井液性能和鉆屑性能的自動化樣機，在現有手動測量設備的基礎上，逐漸開發出壓差密度傳感器、數字粘度計、質量流量計等自動化測量儀表，并研發出用于元素分析的X射線熒光和用于粒度分布的聚焦束反射測量儀等（圖1）。

2016年，哈里伯頓研發了一套自動測量鉆井液密度流變性的BaraLogix TM裝置，但是該技術不能實現密度流變性的連續性測量。

得克薩斯州大學提出利用管道粘度計的鉆井液流變性自動化測量方法，實現了牛頓流體與非牛頓流體流變性參數的動態解算，完成了室內完全自動化實驗設備建造，該設備直測量管長度達15 m，僅供室內研究使用。

國外在智能鉆井液監測技術研究方面較少。

1.2 智能鉆井液材料、智能鉆井液監測技術國內研究現狀

1.2.1智能鉆井液材料（專利方面）

（1）一種pH值響應型鉆井液鋁基防塌劑及其制備方法[1]

孔勇，楊小華，王海波等，研制了一種鉆井液鋁基防塌劑，當鉆井液pH＞8時以溶解態形式存在，在5≤pH≤7.5可快速形成氫氧化鋁沉淀，通過物理化學作用感知pH變化，生成氫氧化鋁沉淀，以實現封堵地層的孔喉和微裂縫的效果。

（2）改性溫敏性NIPAM 膨潤土及溫度響應型鉆井液[2]

蒲曉林，董汶鑫，王梓豪等，研制了一種改性溫敏性NIPAM 膨潤土，該鈉土在較低溫度下表現為親水性，易分散于水中，當溫度升高時，NIPAM膨潤土憎水性增強，提高了地層條件下封堵性。研制了一種溫度響應型鉆井液，包括改性溫敏性NIPAM膨潤土、Lv-PAC（低黏聚陰離子纖維素）、CMC（羧甲基纖維素）、CaCO₃和水。溫度響應型鉆井液具有溫度響應性，具備一定的自修復能力，高溫條件下，具備較好的穩定性。

（3）含有智能溫度響應型聚合物的生物柴油基恒流變鉆井液[3]

蔣官澄，史赫，崔凱蕭等研制一種含有智能溫度響應型聚合物的生物柴油基恒流變鉆井液，其中恒流變流型調節劑為智能溫度響應型聚合物，研制的生物柴油基恒流變鉆井液具有優異的抗溫性和CaO兼容性，并可在不同油水比和密度下維持2～120 ℃大溫度范圍內的恒流變性能，適用于溫差較大的深水鉆井。

（4）一種深水水基鉆井液用溫敏型流型調節劑的制備方法[4]

呂開河，王中義，黃賢斌等人研制了一種深水水基鉆井液用溫敏型流型調節劑，該處理劑溫度響應效果好，能夠有效地調節鉆井液低溫流變，滿足在大溫度跨度范圍下的流型調節要求，且具有一定的抗高溫能力。

（5）溫敏聚合物流變調節劑及恒流變水基鉆井液[5]

謝彬強研制了一種溫敏聚合物流變調節劑及含有這種溫敏聚合物流變調節劑的恒流變性水基鉆井液。該處理劑在海水具有高溫增粘和低溫降粘的特性，且抗溫性能突出。以溫敏聚合物流變調節劑為主劑，配合使用少量粘土、適量降濾失劑、抑制劑、加重劑等，配置的恒流變性水基鉆井液的流變性受溫度的影響較小，特別是切力、低剪切速率下的粘度等參數隨溫度的變化而變化較小，表現出穩定優良的流變性能。

（6）溫敏型堵漏劑組合物及其應用和鉆井液及其應用[6]

蔣官澄，葛慶穎，安玉秀等人研制了一種溫敏型堵漏劑組合物，其能夠在常溫下具有良好的流變性易泵送；但在泵入地層后在地層溫度下能夠形成強度提高的堵漏凝膠，具有良好的溫敏性，其溶脹情況受地層環境因素影響較小，具有較高的可控性。

（7）一種適用于裂縫性漏失地層的溫敏凝膠顆粒堵漏劑及其制備方法與應用[7]

白英睿，呂開河，孫金聲等人研制了一種適用于裂縫性漏失地層的溫敏凝膠顆粒堵漏劑，能適應不同裂縫寬度，具有耐高溫、膨脹率高、膨脹引發條件可控、膨脹后聚合物穩定的優點；并且其受熱膨脹的相變溫度可控，對一定尺寸范圍內裂縫都具有一定封堵效果，穩定性強，對儲層損害小。

（8）一種自適應鑲嵌封堵防塌鉆井液及其制備方法[8]

董宏偉，張小平，楊斌等人研制了一種自適應鑲嵌封堵防塌鉆井液，主要配方：封堵劑0.1%～0.2%、降濾失劑0.5%～1.0%，提粘劑0.1%～0.3%，抑制劑1%～3%，燒堿0.1%～0.2%，加重劑5%～10%。可應用于頁巖油開采中的微裂縫封堵，該鉆井液體系具有封堵效果好，抑制性強，泥餅光滑致密成膜狀，對頁巖油儲層傷害低，配方、配漿工藝簡便易行的特點。

（9）雙親性鑲嵌聚合物超低滲透劑及智能暫堵型水基鉆井液[9]

賀垠博，蔣官澄，邱愛民等人，研制了一種雙親性嵌段聚合物超低滲透劑及智能暫堵型水基鉆井液，該雙親性嵌段聚合物用于智能暫堵型水基鉆井液的超低滲透劑時，具有“自適應”特性，能夠在不需明確儲層孔喉尺寸及其分布的情況下充分填充鉆井液中的封堵材料在孔喉中形成的暫堵層縫隙，從而大幅度降低暫堵層滲透率，實現“超低滲”，并且該雙親性嵌段聚合物增黏效應弱，兼有提切作用，能夠改善鉆井液的流變性。

（10）一種基于地溫加熱的膠囊型膨脹體及其用于封堵地層漏失及其提高地層承載能力的方法[10]

林鐵軍，劉洋，練章華等人研制了一種基于地溫加熱膠囊型膨脹體，它隨鉆井液循環并進入井周及較遠距離的地層裂縫和孔洞，其隨地溫加熱到一定溫度范圍后快速大幅度膨脹，彈性變形自適應封堵各種類型的漏失地層并提高地層承載能力，實現封堵快速有效、自適應、長距離、可解除等特點。

1.2.2智能技術在鉆井液方面的應用現狀

（1）智能自愈合凝膠研究進展及在鉆井液領域的應用前景[11]

孫金聲，趙震，白英睿等人研制了一種受損后能自行愈合形成接近整體凝膠強度的智能材料，可作為隨鉆防漏和堵漏劑，進入井下高滲基質和裂縫后聚集堆積，自行愈合形成整體高強度凝膠封堵漏失通道；作為固壁材料可通過氫鍵、靜電和黏滯作用吸附聚集在井筒壁面，愈合后形成高強度凝膠固壁層，封堵孔隙和微裂縫，強化井壁穩定性；作為降濾失材料可與黏土、聚合物協同作用，愈合后在井壁形成一層致密的高強度濾餅，降低鉆井液濾失量。

（2）智能鉆井液的化學體系及輔助系統研究進展[12]

潘一，徐明磊，郭永成等人，對智能鉆井液化學體系的研發、鉆井液智能輔助系統的功能強化及開發應用進行了綜述，指出了當前智能鉆井液技術雖在化學體系、智能傳送及監測裝置、智能平臺等方面都有所發展，但在智能化學體系方面尚不能實現對鉆井液性能參數的精準控制，智能鉆井液的研制及其平臺建設智能方向過于單一，不能滿足當前鉆井現場需要，建議未來的鉆井液智能化應向綜合性多元化方向發展。

（3）智能材料在鉆井液堵漏領域研究進展和應用展望[13]

孫金聲，雷少飛，白英睿等人，闡述了智能形狀記憶合金、智能形狀記憶聚合物、智能凝膠、智能膜和智能仿生材料等智能型材料在鉆井液中的作用機制以及應用現狀，針對不同智能材料在鉆井液中的作用機制和特點，論述智能材料用于鉆井液堵漏的可行性和技術途徑，提出智能材料在鉆井液堵漏領域應用的技術研發方向、方法及應用前景展望。

（4）熱致形狀記憶“智能”型堵漏劑的制備與特性實驗[14]

暴丹，邱正松，葉鏈等人，基于形狀記憶智能材料學科新進展，利用“熱―機械變形”基本原理，研制了不同粒徑的熱致形狀記憶智能型堵漏劑（密度為1.16 g/cm³），實驗結果表明，熱致形狀記憶堵漏劑的玻璃化轉變溫度可依據漏層溫度進行調控（72.86～102.35 ℃），形狀固定率和恢復率大于99%;高溫高壓條件下（120 ℃、20 MPa）顆粒D90增長率大于40%，激活后抗壓強度高，有利于在裂縫中自適應架橋封堵。熱致形狀記憶堵漏劑激活前為片狀，易進入裂縫，達到激活溫度后膨脹至立方體塊狀的三維結構，在一定范圍內可自適應匹配漏層裂縫寬度，封堵效率高，采用一套封堵工作液配方即可成功封堵3～5 mm不同開度共存裂縫，實現溫敏、自適應、高效封堵作用。

（5）南海西部深水井智能凝膠堵漏技術與實踐[15]

張紹營，劉智勤等人通過分析南海西部陵水同區塊前期已鉆井的情況，南海西部鉆井作業者認為井漏問題是造成該區塊鉆井時效低、作業風險高的主要因素。經過綜合調研陵水區塊地層特點、漏失機理，研究制定了一套新型SmartGel智能凝膠堵漏鉆井液體系。室內實驗結果表明，該體系能提高區塊滲漏地層承壓15 MPa，裂縫性地層7 MPa，且具有較強的破膠性能。結合陵水區塊深水井的現場應用情況，認為該新型堵漏鉆井液體系堵漏效果良好，能為南海深水大氣區的鉆探提供技術參考。

（6）智能凝膠GD-1在陜北黃土層防漏堵漏中的應用[16]

胡祖彪，李德波，陳秉煒等人，根據陜北油田黃土層鉆井井漏發生的原因，在分析現有防漏堵漏方案缺點的基礎上，提出一種新的表層防漏堵漏鉆井液技術，其主劑為高分子量聚合物GD-1。結合GD-1防漏堵漏的機理，室內對其不同濃度的封堵效果以及其與常用堵漏劑的復配封堵效果進行了評價結果表明，GD-1的溶解性強，與其他常用堵漏劑的配伍性好，濃度大于0.3%的GD-1溶液對欠壓實的黃土粉封堵效果極佳GD-1的現場應用取得了良好的效果，防漏成功率達92.7%，其配制工藝簡便，值得推廣。

1.2.3智能技術在鉆井液監測方面的應用現狀

（1）鉆井液專家智能系統的模型與設計[17]

康力，鮮明，廖孝元，劉敏等人通過收集大量鉆井液在不同區塊，不同地質環境下鉆井過程中各種復雜情況下的具體使用實例及資料，結合數據模糊處理，人工智能，數據挖掘分析等科學分析手段與技術，設計了一套鉆井液專家智能系統（如圖3所示）。采用數據處理和分析等技術手段，根據收集的鉆井液大數據資料，建立鉆井液數據庫，并在數據庫的基礎上開發專家系統，實現對作業現場出現的各種鉆井情況提供實時指導和過程監控，實現對鉆井現場出現的各種復雜情況提供實時指導作用，保證鉆井過程的安全和節約鉆井綜合成本。

（2）鉆井液泥漿參數監測系統的研究[18]

李柏岐，白忠飛，李彥秋等人通過單片機控制超聲波的發射和接收，測量已知參數超聲波的衰減值（如圖4所示）。然后通過計算機計算出當前位置鉆井液泥漿的實時密度，間接計算泥漿的黏度，同時測量當前測量點泥漿溫度和泥漿的流速。

（3）基于可信度分析的鉆井液脈沖信號識別方法[19]

段友祥，張洋弘，李洪強等人針對隨鉆測量過程中鉆井液脈沖信號識別困難的問題，通過研究信號波形特征屬性和信號相似度，建立了基于可信度分析的鉆井液脈沖信號識別方法可以準確、智能地識別復雜礦場環境中的真實信號波形，為隨鉆測量工作的順利進行提供了技術支撐。

（4）新型智能錄井系統在優化鉆井工程中的應用[20]

倪朋勃，荊文明，袁勝斌等人為滿足深水、高溫高壓等惡劣環境下的智能錄井需求，引進了法國地質服務公司研發的最新一代智能化綜合錄井系統。該系統除現場監測軟件外，還配備了基地供專家決策的Thema智能分析軟件。現場監測軟件增加了氣測值同步校正、鉆井液體積實時補償以及鉆井液回流監測等功能，提高了惡劣環境下現場快速判斷井下復雜的能力。

（5）一種智能鉆井液監測系統[21]

梁鵬，郝剛等人研制了一種智能鉆井液監測系統，可連續、自動、智能的運行，連續獲得并記錄鉆井液流變參數：塑性粘度、動切應力、流性指數、稠度系數、漏斗粘度、初靜切力、終靜切力、API失水且誤差可有效控制在3%以內。

國內雖然做了大量的研究工作，但是在處理劑方面主要是針對溫敏性和智能凝膠堵漏方面，在監測系統中，對鉆井液流變參數、漏失、復雜情況判斷等進行了研究，但是缺乏對大數據、云計算，以及智能化決策等方面對目前國內典型的鉆井液體系、復雜工況地區的決策性研究。

2 智能鉆井液監測技術重點攻關的方向

（1）鉆井液中含有大量的磁性固相顆粒，容易吸附在磁性管道中，引起監測管道的堵塞，可優選無磁材料或者不銹鋼材質，設計研究管線，同時采用無阻管線模式，減少接頭，或者彎曲度較高的連接地方。

（2）離子濃度監測改造技術，飽和鹽水鉆井液、地層中含有大量石膏、鹽巖地層，金屬離子和氯根濃度較高，一般現有的技術很難精準檢測出具體的數值，現場測試一般都采用稀釋，滴定計算。應重點研究稀釋單元及工藝，提高監測傳感器的靈敏度及穩定性，提高測量數值的精度。

（3）油相、污質清洗難度大，一般水基鉆井液采用蒸餾水清洗，而含有油質或者瀝青質的體系，就很難用水進行清洗，長時間會導致測量管線中存在殘留物堵塞管道，造成測量精度誤差較大。可采用高壓+熱油+高效活性劑混合清洗工藝，提高針對特殊油相、污質清洗效率。

（4）監測儀器+系統多元化、兼容。可配套多元化測試端口，除常規監測元素，應加強重點微觀元素的測試分析，從而為現場鉆井液提供精準信息。

3 結論與展望

3.1 結論

（1）智能鉆井液實時監測技術和遠程專家智能庫系統可解決鉆井工程現場鉆井液從“取樣/檢測鉆井液性能參數”到“手動計算/形成現場鉆井液數據/報告”全流程人工/手動操作導致的鉆井液技術服務數據質量無保證、現場管理缺合規、工程決策缺科學性/時效性、工程風險弱掌控、成本控制無依據的問題。

（2）對鉆井液現場核心、關鍵工程數據（井涌、井漏、ECD、巖屑床高度、井筒內鉆井液流變性、起下鉆臨界速度等）隨鉆實時監控，提供相關技術支撐。

3.2 展望

（1）掌控鉆井工程本質安全（卡鉆/井漏/井涌），提升鉆井液優化效率/效果。

（2）形成鉆井工程單井管控效益：降低鉆井液NPT （非生產作業時間） 30%；降低鉆井液直接成本；提升ROP（鉆進速度）。

（3）提升/完善鉆井工程“大數據”體系。

（4）全流程、動態/功能化提供兼具科學性、時效性的鉆井液/鉆井工程現場決策數據支撐，使“數字/智慧"鉆井成為真實可能。