人工智能（Artificial Intelligence），英文缩写为AI。它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能又称为“智械”、“机器智能”，它是指由人们制造出来的机器(机械)所表现出来的智能。通常人工智能是指通过人工制作的普通的计算机程序软件，使机器实现出人类智慧所要求的目标的技术。
何为智能钻井
对于人工智能钻井的定义，业界有广义与狭义之分。广义的人工智能钻井不仅指钻井、测井、完井作业本身的人工智能化，而是作业范围更广，包括了直至找到油藏，并且使产能更高的所有作业的人工智能化。狭义的人工智能钻井，则是仅指钻井、测井、完井作业本身的人工智能化，即通常俗称作的自动化钻井。
从上述广义的人工智能钻井定义可知，人工智能钻井几乎囊括了石油地质、物探、测井、钻井、采油、油藏工程以及机械、自动化、计算机等专业。这些专业过去是离线的各个领域相对独立的非连续的过程，人工智能化之后，则要求它们在线地联合起来，组成一个有机的整体并协同进行工作。因此，人工智能钻井就是要能够根据井下地质情况和油藏位置，自动地调整井眼的设计轨迹，并能够自动寻找和钻进到最佳的储层位置，从而获得最大产能。
智能钻井过程
第一步提供地质油藏特征，由地质和物探部门提供出地质条件和油藏的物理特性描述，组成特定的人工智能钻井专家系统。第二步实时随测随控钻进，在先进的钻井测控技术支持下，利用当前较为成熟并正在发展的5W(MWD、LWD、SWD、PWD和FEWD)作为手段，结合导向钻井及井下闭环控制技术，在钻进过程中实时地随钻随测控(如随钻测井、随钻地震)，及时地把井眼周围及钻头前方的各种地质、地层、环境信息以及钻进状态采集到井下计算机。第三步精准确定目标油藏，由井下强大的人工智能钻井计算机系统，根据当时所能得到的井下最新数据进行智能判断，结合事先已知的地质勘探资料，从而发现目标油气藏，精确地确定其位置、大小、形态、厚度及走向。
笫四步优化最佳工艺钻进，以获得最大产能为目标函数，优化各种工艺参数，自动钻进寻找最佳轨迹穿过油气层。第五步给出直接实际资料，给出直接取得的最接近实际情况的第一手资料，如油藏描述结果以及实际的井眼轨迹和各段井眼状态等资料，并在此基础上，提出初步的最佳采油方式建议。
然而，上述过程的每一个环节都需要人工智能的参与和控制，所以称为广义的人工智能钻井。实践证明，石油钻井工程中的钻进过程是一个非常复杂的不确定过程。不仅钻进本身所产生的以及地层环境所提供的可采集信息往往是非精确的、非确定的、近似定性的非数值型的随机模糊信息，而且还要根据这些随机模糊信息，实时快速地进行钻进控制。显然，解决这些难题，实现广义的人工智能钻井，还有待于未来一段时间的努力奋斗。从目前发展人工智能钻井来看，当务之急是首先研发自动化钻井，从而实现狭义的人工智能钻井。
钻机作业系统
位于地面上的未来人工智能钻机作业系统，要能够实现下列先进功能：连续送钻，通过钻机的起升系统与顶部驱动装置的密切配合，在钻进过程中接单根时，不用停钻和停泵，可以边钻进边接单根，从而提高了钻井作业效率。连续起下钻，在起下钻柱过程中，不是如常规钻机那样，需要停下来进行钻柱的上卸扣，而是由人工智能的机器人，代替目前传统的钻台工和井架工，在起下钻过程中自动完式钻柱的上卸扣。这样一来，智能化的起下钻速度大大提高，据挪威West钻井产品公司的研究成果表明，不同钻柱直径的起下钻速度可分别达到3600m/h、2700m/h和1800m/h，远较常规钻机的起下钻速度600~900m/h为高。
连续下套管、油管完井，在进行完井作业时，无论是下套管或者下油管，都与下钻柱一样，不需要停下来进行上扣, 而是由人工智能的机器人完成丝扣连接，从而提高了作业速度，挪威West钻井产品公司的研究成果，下套管时可达到900m/h。连续循环钻井液，在起下钻和钻进过程中，不停泵，钻井液循环保持不间断。这是因为如上所述，送钻和起下钻都是连续的，所以能够实现连续循环钻井液。显然，连续循环钻井液有利于实施控压钻井，提高了作业的安全性。
双壁钻柱钻井，钻井时采用由内壁和外壁组成的双壁钻柱，从而使整个钻柱形成内管及内壁与外壁之间的环隙。双壁钻柱，在人工智能钻机控制下，可实现下列功能：反循环钻进，钻井液通过顶部驱动装置及其旋转接头后，向下泵入双壁钻柱的内壁与外壁之间的环形空间，然后，从钻头的喷咀喷出，向上流入底部钻具组合与井壁之间的环形空间。此后，当液流返回至防喷器组时，因防喷器上方装有旋转控制头，可将双壁钻柱的内壁与井壁之间的环形空间封死，故而上返的钻井液连同岩屑.只能通过靠近井底的双浮阀进入双壁钻柱的内管，上返至地面。显见，这样的反循环钻进的实施，可以消除岩屑床的堵塞问题，有利于保护油气储藏。输电及传输信息，双壁钴柱的内管外壁经过绝缘处理后，可以用作同轴电缆，向井下供电；还能双向传输电信息，其数据传输速率可高达6.4万位秒，因而即可使大容量的数据，高速地、实时地实现双向传输，非常有利于推行人工智能化。
双梯度钻井，由于双壁钻柱内为密度较高的钻井液，而井筒环形空间内(海底防喷器组以上)充满的却是密度较小的清洁流体(如海水等)，这样，两者密度不同形成了两个压力梯度，因而即可实现双梯度钻井，这对于保护油气藏和防止井壁坍塌，提高钻井作业的安全性，具有重要作用，尤其是在深水中钻井时，格外重要。
无隔水管钻井，海洋钻井工艺中的隔水管，与钻柱同轴包围在钻柱外面，它主要起着隔绝海水的作用。目前通用的海洋钻井工艺中，隔水管下端与海底井口装置相连接，从而即可使自井底返回的钻井液在海底以上不会与海水相混。但当采用新型的双壁钻柱时，由于海底井口装置以上，上返的钻井液连同岩屑. 已经通过靠近井底的双浮阀，进入双壁钻柱的内管中与海水隔绝，因而即没有必要再使用隔水管，故即可实现无隔水管钻井，这对于降低钻井成本，提高经济效益，具有重要意义。
宽钻井液密度窗口钻井，防止井璧坍塌要求钻井液密度形成的压力梯度的上限不能超过岩层的破裂强度；防止井喷要求钻井液密度形成的压力梯度的下限不得低于油气藏的孔隙压力，这个上限与下限压力的差，构成了一个所谓的窗口，即保持钻井液的压力梯度在此上、下限区间内，才能安全钻进。
反循环钻井技术
目前，挪威的Reelwell公司，已经推出了崭新的双壁钻柱及其反循环钻井技术，适用于北海的深水钻井，有望不久即可推行。
所谓“一趟钻”，即在不换钻头的工况下，一次完成全部钻进任务，达到钻井的目标。因此，实施“一趟钻”的前提是必须要有超级长寿命钻头的配合。有了未来研发出的新型超级长寿命钻头，即可通过两个“一趟钻”，完成钻一口井的任务。第一个“一趟钻”是表层井段“一趟钻”，即通过 “一趟钻”完成下表层套管、装设井口装置的任务。第二个“一趟钻”是将余下的井段一趟钻进完成，直达目的油气层。显然，“一趟钻”的实现，可以大幅度降低钻井成本，尤其是用于水平井钻井更穾显出其优赿性。
所谓“一趟测”，即在一次下井过程中，能够完成所有测井要求的各项任务。这项技术不仅能在钻井过程中测量出所需要的所有测井信息，而且还能完成井下流体、岩心的取样，同时还担负着随钻随测提供出地质导向、随钻油气藏描述等项任务。显见，“一趟测”这些任务的实现，必然会大幅度降低作业风险，提高油气储层的钻遇率和单井产量。若前述的“一趟钻”能够实现，则“一趟测”与之配套，同步进行，不再占用额外的测井作业时间，更会进一步简化作业流程，有效降低测井作业成本。但是，“一趟测”的实现，也不是轻而易举的，它还需要解决随钻测井技术的很多难题，如数据传输、存储等问题。
超高温高压钻井，应对井下的高温、高压情况，需要实施人工智能的超高温高压钻井。这项技术的实现，主要是要研发出耐超高温高压的井下仪器、工具和材料，如随钻测量(MWD) 、随钻测井(LWD) 、近钻头地质导向仪等仪器；导向工具、井下电池、钻头、完井工具等工具以及钻井液、固井水泥、井下管柱的材料等等。随着科技的不断进步，这些器材工具的耐超高温高压问题，还是有望于不太长时间内可以解决的。例如，目前国外的MWD与LWD、旋转导向钻井系统、螺杆钻具的最高耐温温度，已分别达到了200 0C、200 0 C和230 0 C，而钻井液的最高耐温温度，也达到了2600C，这就表明，超高温高压钻井的实现，指日可待。目前，挪威West钻井产品公司，已经研发出一种人工智能钻机作业系统，能够实现上述部分功能。但是，上述功能的全面实现，还有待于进一步研发。
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。
探矿工程技术信息、中国地质学会探矿工程专业委员会 2023-05-08 10:21