智能钻井液监测技术研究现状及发展趋势

苏延鹤

［关键词］智能钻井液监测；人工智能；流变性；数据决策；分析软件

钻井工程“血液”钻井液性能的现场系统性/实时/连续监测已成为“勘探/开发技术一体化”必然的、决定“井”能不能“打的成、打的快、打的可控”的核心技术挑战之一。世界油/气行业钻井工程钻井液现场实时监测存在的主要问题：（1）数据检测质量无法保证；（2）现场钻井液材料及加料管理缺规范；（3）关键复杂工况决策缺少科学性和时效性；（4）工程风险掌控弱；（5）成本控制无相关依据。为解决以上钻完井工程存在的问题，迫切需要信息化技术、智能技术和高端科学技术等，智能化钻完井技术是一项前沿变革性技术，智能化技术发展的主要趋势和热门就是人工智能，主要是基于大数据、人工智能、云计算、物联网、机械工程和控制工程；地质情况和油气藏位置智能识别，智能导向钻进，高质量钻遇；参数自动寻优，风险闭环调控，方案智能决策，安全经济高效。此技术与石油钻井工程进行结合也是油气行业的主要发展趋势，而且此技术在目前以及未来油气工业的发展中发挥着重要作用。

智能化钻井液监测是一项前沿变革性技术—行业热点和发展方向，是基于大数据、人工智能、云计算、物联网、机械工程和控制工程；实现单一设备钻井液性能参数实时现场全自动监测；实时事件/数据/报表/决策等借助现场网络实时对外数据分析功能；从地面到井筒的全部动态实时数据，建立完整钻井液现场钻井液数据体系；智能专家数据库，确定/验证/优化钻井液技术提供科学性和时效性的数据决策支撑。

1 智能钻井液监测技术国内外最新研究现状

钻井液经常被比喻为钻井工程的“血液”，为了保证钻井施工的安全顺利进行，预防井下复杂情况的发生，控制维护钻井液的性能显得尤为关键，然而钻井液性能的测量还处于人工测量阶段，程序比较复杂且费时，难以对钻井液的性能进行实时监测并及时发现井下复杂情况，如何实现钻井液性能参数的自动化测量，一直是行业研究的热点。

1.1 智能钻井液监测技术国外研究现状

2008 年，MI-SWACO 贝克休斯建成了全套钻井液性能和钻屑性能的自动化样机，在现有手动测量设备的基础上，逐渐开发出压差密度传感器、数字粘度计、质量流量计等自动化测量仪表，并研发出用于元素分析的X射线荧光和用于粒度分布的聚焦束反射测量仪等（图1）。

2016年，哈里伯顿研发了一套自动测量钻井液密度流变性的BaraLogix TM装置，但是该技术不能实现密度流变性的连续性测量。

得克萨斯州大学提出利用管道粘度计的钻井液流变性自动化测量方法，实现了牛顿流体与非牛顿流体流变性参数的动态解算，完成了室内完全自动化实验设备建造，该设备直测量管长度达15 m，仅供室内研究使用。

国外在智能钻井液监测技术研究方面较少。

1.2 智能钻井液材料、智能钻井液监测技术国内研究现状

1.2.1智能钻井液材料（专利方面）

（1）一种pH值响应型钻井液铝基防塌剂及其制备方法[1]

孔勇，杨小华，王海波等，研制了一种钻井液铝基防塌剂，当钻井液pH＞8时以溶解态形式存在，在5≤pH≤7.5可快速形成氢氧化铝沉淀，通过物理化学作用感知pH变化，生成氢氧化铝沉淀，以实现封堵地层的孔喉和微裂缝的效果。

（2）改性温敏性NIPAM 膨润土及温度响应型钻井液[2]

蒲晓林，董汶鑫，王梓豪等，研制了一种改性温敏性NIPAM 膨润土，该钠土在较低温度下表现为亲水性，易分散于水中，当温度升高时，NIPAM膨润土憎水性增强，提高了地层条件下封堵性。研制了一种温度响应型钻井液，包括改性温敏性NIPAM膨润土、Lv-PAC（低黏聚阴离子纤维素）、CMC（羧甲基纤维素）、CaCO₃和水。温度响应型钻井液具有温度响应性，具备一定的自修复能力，高温条件下，具备较好的稳定性。

（3）含有智能温度响应型聚合物的生物柴油基恒流变钻井液[3]

蒋官澄，史赫，崔凯萧等研制一种含有智能温度响应型聚合物的生物柴油基恒流变钻井液，其中恒流变流型调节剂为智能温度响应型聚合物，研制的生物柴油基恒流变钻井液具有优异的抗温性和CaO兼容性，并可在不同油水比和密度下维持2～120 ℃大温度范围内的恒流变性能，适用于温差较大的深水钻井。

（4）一种深水水基钻井液用温敏型流型调节剂的制备方法[4]

吕开河，王中义，黄贤斌等人研制了一种深水水基钻井液用温敏型流型调节剂，该处理剂温度响应效果好，能够有效地调节钻井液低温流变，满足在大温度跨度范围下的流型调节要求，且具有一定的抗高温能力。

（5）温敏聚合物流变调节剂及恒流变水基钻井液[5]

谢彬强研制了一种温敏聚合物流变调节剂及含有这种温敏聚合物流变调节剂的恒流变性水基钻井液。该处理剂在海水具有高温增粘和低温降粘的特性，且抗温性能突出。以温敏聚合物流变调节剂为主剂，配合使用少量粘土、适量降滤失剂、抑制剂、加重剂等，配置的恒流变性水基钻井液的流变性受温度的影响较小，特别是切力、低剪切速率下的粘度等参数随温度的变化而变化较小，表现出稳定优良的流变性能。

（6）温敏型堵漏剂组合物及其应用和钻井液及其应用[6]

蒋官澄，葛庆颖，安玉秀等人研制了一种温敏型堵漏剂组合物，其能够在常温下具有良好的流变性易泵送；但在泵入地层后在地层温度下能够形成强度提高的堵漏凝胶，具有良好的温敏性，其溶胀情况受地层环境因素影响较小，具有较高的可控性。

（7）一种适用于裂缝性漏失地层的温敏凝胶颗粒堵漏剂及其制备方法与应用[7]

白英睿，吕开河，孙金声等人研制了一种适用于裂缝性漏失地层的温敏凝胶颗粒堵漏剂，能适应不同裂缝宽度，具有耐高温、膨胀率高、膨胀引发条件可控、膨胀后聚合物稳定的优点；并且其受热膨胀的相变温度可控，对一定尺寸范围内裂缝都具有一定封堵效果，稳定性强，对储层损害小。

（8）一种自适应镶嵌封堵防塌钻井液及其制备方法[8]

董宏伟，张小平，杨斌等人研制了一种自适应镶嵌封堵防塌钻井液，主要配方：封堵剂0.1%～0.2%、降滤失剂0.5%～1.0%，提粘剂0.1%～0.3%，抑制剂1%～3%，烧碱0.1%～0.2%，加重剂5%～10%。可应用于页岩油开采中的微裂缝封堵，该钻井液体系具有封堵效果好，抑制性强，泥饼光滑致密成膜状，对页岩油储层伤害低，配方、配浆工艺简便易行的特点。

（9）双亲性镶嵌聚合物超低渗透剂及智能暂堵型水基钻井液[9]

贺垠博，蒋官澄，邱爱民等人，研制了一种双亲性嵌段聚合物超低渗透剂及智能暂堵型水基钻井液，该双亲性嵌段聚合物用于智能暂堵型水基钻井液的超低渗透剂时，具有“自适应”特性，能够在不需明确储层孔喉尺寸及其分布的情况下充分填充钻井液中的封堵材料在孔喉中形成的暂堵层缝隙，从而大幅度降低暂堵层渗透率，实现“超低渗”，并且该双亲性嵌段聚合物增黏效应弱，兼有提切作用，能够改善钻井液的流变性。

（10）一种基于地温加热的胶囊型膨胀体及其用于封堵地层漏失及其提高地层承载能力的方法[10]

林铁军，刘洋，练章华等人研制了一种基于地温加热胶囊型膨胀体，它随钻井液循环并进入井周及较远距离的地层裂缝和孔洞，其随地温加热到一定温度范围后快速大幅度膨胀，弹性变形自适应封堵各种类型的漏失地层并提高地层承载能力，实现封堵快速有效、自适应、长距离、可解除等特点。

1.2.2智能技术在钻井液方面的应用现状

（1）智能自愈合凝胶研究进展及在钻井液领域的应用前景[11]

孙金声，赵震，白英睿等人研制了一种受损后能自行愈合形成接近整体凝胶强度的智能材料，可作为随钻防漏和堵漏剂，进入井下高渗基质和裂缝后聚集堆积，自行愈合形成整体高强度凝胶封堵漏失通道；作为固壁材料可通过氢键、静电和黏滞作用吸附聚集在井筒壁面，愈合后形成高强度凝胶固壁层，封堵孔隙和微裂缝，强化井壁稳定性；作为降滤失材料可与黏土、聚合物协同作用，愈合后在井壁形成一层致密的高强度滤饼，降低钻井液滤失量。

（2）智能钻井液的化学体系及辅助系统研究进展[12]

潘一，徐明磊，郭永成等人，对智能钻井液化学体系的研发、钻井液智能辅助系统的功能强化及开发应用进行了综述，指出了当前智能钻井液技术虽在化学体系、智能传送及监测装置、智能平台等方面都有所发展，但在智能化学体系方面尚不能实现对钻井液性能参数的精准控制，智能钻井液的研制及其平台建设智能方向过于单一，不能满足当前钻井现场需要，建议未来的钻井液智能化应向综合性多元化方向发展。

（3）智能材料在钻井液堵漏领域研究进展和应用展望[13]

孙金声，雷少飞，白英睿等人，阐述了智能形状记忆合金、智能形状记忆聚合物、智能凝胶、智能膜和智能仿生材料等智能型材料在钻井液中的作用机制以及应用现状，针对不同智能材料在钻井液中的作用机制和特点，论述智能材料用于钻井液堵漏的可行性和技术途径，提出智能材料在钻井液堵漏领域应用的技术研发方向、方法及应用前景展望。

（4）热致形状记忆“智能”型堵漏剂的制备与特性实验[14]

暴丹，邱正松，叶链等人，基于形状记忆智能材料学科新进展，利用“热―机械变形”基本原理，研制了不同粒径的热致形状记忆智能型堵漏剂（密度为1.16 g/cm³），实验结果表明，热致形状记忆堵漏剂的玻璃化转变温度可依据漏层温度进行调控（72.86～102.35 ℃），形状固定率和恢复率大于99%;高温高压条件下（120 ℃、20 MPa）颗粒D90增长率大于40%，激活后抗压强度高，有利于在裂缝中自适应架桥封堵。热致形状记忆堵漏剂激活前为片状，易进入裂缝，达到激活温度后膨胀至立方体块状的三维结构，在一定范围内可自适应匹配漏层裂缝宽度，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不同开度共存裂缝，实现温敏、自适应、高效封堵作用。

（5）南海西部深水井智能凝胶堵漏技术与实践[15]

张绍营，刘智勤等人通过分析南海西部陵水同区块前期已钻井的情况，南海西部钻井作业者认为井漏问题是造成该区块钻井时效低、作业风险高的主要因素。经过综合调研陵水区块地层特点、漏失机理，研究制定了一套新型SmartGel智能凝胶堵漏钻井液体系。室内实验结果表明，该体系能提高区块渗漏地层承压15 MPa，裂缝性地层7 MPa，且具有较强的破胶性能。结合陵水区块深水井的现场应用情况，认为该新型堵漏钻井液体系堵漏效果良好，能为南海深水大气区的钻探提供技术参考。

（6）智能凝胶GD-1在陕北黄土层防漏堵漏中的应用[16]

胡祖彪，李德波，陈秉炜等人，根据陕北油田黄土层钻井井漏发生的原因，在分析现有防漏堵漏方案缺点的基础上，提出一种新的表层防漏堵漏钻井液技术，其主剂为高分子量聚合物GD-1。结合GD-1防漏堵漏的机理，室内对其不同浓度的封堵效果以及其与常用堵漏剂的复配封堵效果进行了评价结果表明，GD-1的溶解性强，与其他常用堵漏剂的配伍性好，浓度大于0.3%的GD-1溶液对欠压实的黄土粉封堵效果极佳GD-1的现场应用取得了良好的效果，防漏成功率达92.7%，其配制工艺简便，值得推广。

1.2.3智能技术在钻井液监测方面的应用现状

（1）钻井液专家智能系统的模型与设计[17]

康力，鲜明，廖孝元，刘敏等人通过收集大量钻井液在不同区块，不同地质环境下钻井过程中各种复杂情况下的具体使用实例及资料，结合数据模糊处理，人工智能，数据挖掘分析等科学分析手段与技术，设计了一套钻井液专家智能系统（如图3所示）。采用数据处理和分析等技术手段，根据收集的钻井液大数据资料，建立钻井液数据库，并在数据库的基础上开发专家系统，实现对作业现场出现的各种钻井情况提供实时指导和过程监控，实现对钻井现场出现的各种复杂情况提供实时指导作用，保证钻井过程的安全和节约钻井综合成本。

（2）钻井液泥浆参数监测系统的研究[18]

李柏岐，白忠飞，李彦秋等人通过单片机控制超声波的发射和接收，测量已知参数超声波的衰减值（如图4所示）。然后通过计算机计算出当前位置钻井液泥浆的实时密度，间接计算泥浆的黏度，同时测量当前测量点泥浆温度和泥浆的流速。

（3）基于可信度分析的钻井液脉冲信号识别方法[19]

段友祥，张洋弘，李洪强等人针对随钻测量过程中钻井液脉冲信号识别困难的问题，通过研究信号波形特征属性和信号相似度，建立了基于可信度分析的钻井液脉冲信号识别方法可以准确、智能地识别复杂矿场环境中的真实信号波形，为随钻测量工作的顺利进行提供了技术支撑。

（4）新型智能录井系统在优化钻井工程中的应用[20]

倪朋勃，荆文明，袁胜斌等人为满足深水、高温高压等恶劣环境下的智能录井需求，引进了法国地质服务公司研发的最新一代智能化综合录井系统。该系统除现场监测软件外，还配备了基地供专家决策的Thema智能分析软件。现场监测软件增加了气测值同步校正、钻井液体积实时补偿以及钻井液回流监测等功能，提高了恶劣环境下现场快速判断井下复杂的能力。

（5）一种智能钻井液监测系统[21]

梁鹏，郝刚等人研制了一种智能钻井液监测系统，可连续、自动、智能的运行，连续获得并记录钻井液流变参数：塑性粘度、动切应力、流性指数、稠度系数、漏斗粘度、初静切力、终静切力、API失水且误差可有效控制在3%以内。

国内虽然做了大量的研究工作，但是在处理剂方面主要是针对温敏性和智能凝胶堵漏方面，在监测系统中，对钻井液流变参数、漏失、复杂情况判断等进行了研究，但是缺乏对大数据、云计算，以及智能化决策等方面对目前国内典型的钻井液体系、复杂工况地区的决策性研究。

2 智能钻井液监测技术重点攻关的方向

（1）钻井液中含有大量的磁性固相颗粒，容易吸附在磁性管道中，引起监测管道的堵塞，可优选无磁材料或者不锈钢材质，设计研究管线，同时采用无阻管线模式，减少接头，或者弯曲度较高的连接地方。

（2）离子浓度监测改造技术，饱和盐水钻井液、地层中含有大量石膏、盐岩地层，金属离子和氯根浓度较高，一般现有的技术很难精准检测出具体的数值，现场测试一般都采用稀释，滴定计算。应重点研究稀释单元及工艺，提高监测传感器的灵敏度及稳定性，提高测量数值的精度。

（3）油相、污质清洗难度大，一般水基钻井液采用蒸馏水清洗，而含有油质或者沥青质的体系，就很难用水进行清洗，长时间会导致测量管线中存在残留物堵塞管道，造成测量精度误差较大。可采用高压+热油+高效活性剂混合清洗工艺，提高针对特殊油相、污质清洗效率。

（4）监测仪器+系统多元化、兼容。可配套多元化测试端口，除常规监测元素，应加强重点微观元素的测试分析，从而为现场钻井液提供精准信息。

3 结论与展望

3.1 结论

（1）智能钻井液实时监测技术和远程专家智能库系统可解决钻井工程现场钻井液从“取样/检测钻井液性能参数”到“手动计算/形成现场钻井液数据/报告”全流程人工/手动操作导致的钻井液技术服务数据质量无保证、现场管理缺合规、工程决策缺科学性/时效性、工程风险弱掌控、成本控制无依据的问题。

（2）对钻井液现场核心、关键工程数据（井涌、井漏、ECD、岩屑床高度、井筒内钻井液流变性、起下钻临界速度等）随钻实时监控，提供相关技术支撑。

3.2 展望

（1）掌控钻井工程本质安全（卡钻/井漏/井涌），提升钻井液优化效率/效果。

（2）形成钻井工程单井管控效益：降低钻井液NPT （非生产作业时间） 30%；降低钻井液直接成本；提升ROP（钻进速度）。

（3）提升/完善钻井工程“大数据”体系。

（4）全流程、动态/功能化提供兼具科学性、时效性的钻井液/钻井工程现场决策数据支撑，使“数字/智慧"钻井成为真实可能。