智能钻井系统(IntelligentDrilling Systems,简称IDS)是指将人工智能与钻井工程相结合所形成的一种先进钻井系统。分为广义和狭义两种智能钻井系统。从实现的功能和系统集成度看,狭义的智能钻井系统更接近现今钻井技术水平,更具短期的实现价值。基于智能钻柱的IDS是以智能钻柱为数据传输通道的基础上建立的具有地面与井下全双工通信、随钻数据实时显示和处理、沿井筒传感器测量、井下工具地面控制等功能的钻井系统。本文分别从系统组成、有线钻杆试制及可靠性研究、通信系统设计、沿井筒随钻测量和试验等几个方面开展了基于智能钻柱的IDS理论研究设计,包括以下内容:(1)分析了 IDS的基本组成,设计了基于智能钻柱的IDS结构框架,设计的系统由十三个功能模块组成,理论上实现了地面与井下的实时数据交换及动力下传,提高了在地面对井下钻进过程复杂情况的实时诊断和井眼轨迹的控制能力,延长了井下用电设备的使用时间,从而提高钻井效率和降低钻井成本。(2)对比了智能钻柱系统中有线钻杆的电缆、光纤、软接头和硬接头四种传输结构的优缺点,其中硬接头结构成本低、过流面积大、实现度最高。设计了内衬管和双层管两种硬接头结构的有线钻杆,并进行了样件的试制和其可靠性实验,双层管样件在密封实验中抗内压大于25MPa,在绝缘实验中500V电压下导线绝缘电阻大于10兆欧,具有很高的密封和绝缘可靠性。为有线钻杆的设计和应用提供了依据。(3)设计了柱面接触方式的有线钻杆导电环结构,找出了导电环在有线钻杆上卸扣时发生塑性变形的影响因素轴向力F,利用有限元分析方法对内、外导电环接触时单个导电环的应力状态进行了数值模拟。加工时将内、外导电环过盈配合时的过盈量控制在0.024mm以下,结合面锥度控制在1:5以上时,导电环在钻杆上卸扣过程中不会产生塑性变形,具有很高的可靠性。(4)分析了智能钻柱传输系统的信号传输特性和控制器局域网(Controller Area Net,简称CAN)总线作为智能钻柱中电缆的适用性。CAN总线的双绞线结构适于作为有线钻杆的电缆,传输距离理论上可达10km适合在超深井内的数据传输,可扩展网络节点适合沿井筒多点传感器测量技术的实现。设计了以CAN总线为井下网络,微处理器为下位机,地面计算机为上位机的通信系统,并编制了智能钻井地面通信软件。实现了计算机与数据收发模块之间的串行通信,实时显示井眼轨迹控制和井底钻井参数。(5)根据井筒多相流模型建立了沿井筒布置传感器的排列准则,并以发生溢流和井漏时的井筒流量和压力变化为例对布置在智能钻柱9个位置上的36个传感器进行了灵敏度排列,结果表明传感器的灵敏度随其精度和环空参数的变化程规律性分布。根据软测量的基本原理,利用智能钻柱上压力传感器节点处的实时测量值,建立了控压钻井中溢流实时预测模型,可以在溢流发生后100s内准确预测溢流大小和发生位置。(6)建立了基于智能钻柱的IDS适用性评价方案,指出了多级学科方法在智能钻井系统中的重要性。分析结果表明,下传指令可以有效调整旋转导向系统的指向力大小,在短时间内提高井眼轨迹控制质量;实时数据的最佳显示方式是将测量数据与时间和井深进行实时同步。本论文所提出的基于智能钻柱的IDS的理论、方法以及设计的方案,丰富了国内智能钻井系统的理论体系和研究内容,对智能钻井进一步研究与发展具有指导的意义。