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礦業開采智能化的關鍵技術你了解了么?
2018/12/19 16:57:46來源:中國起重機械設備網

智能開采始于 20 世紀八九十年代的自動采礦技術(Automated mining)和遙控采礦技術 (Telemining /Distance mining),1992年芬蘭提出智能礦山(Intellimine)計劃,煤炭智能開采的概念基本確定。當前我國老油田、非常規、深層、深水等油氣勘探開發亟需利用智能化裝備與材料,對油氣田生產動態進行智能調控,以降低開發成本、 提高油氣產量和采收率。智能開采是指在不需要人工直接干預的情況下,通過開采環境的智能感知、 開采裝備的智能調控、開采作業的自主巡航,由開采裝備獨立完成的回采作業過程。煤炭與油氣的智能化開采是在機械化開采、自動化開采的基礎上, 通過信息化與工業化的深度融合提高生產效率和經濟效益的革命性技術。

1)煤炭智能開采關鍵工程技術、裝備與材料。 它是環境感知、智能決策、自動控制三個技術單元的深度整合,涉及工程環境感知、數字礦山、礦山 物聯網、大數據云計算、裝備控制自動化五個分支。 工程環境感知是針對井下設備、人員和災害三個方面的自動探測與傳輸技術,旨在解決復雜地質條件 下采煤作業全過程監控自動化與精細化問題。澳大利亞側重于以熱紅外成像為基礎的煤層地質結構智能探測;中國聚焦于采煤裝備位置與姿態的智能探測。我國智能開采裝備水平與國外相當,具有采煤機運行參數、機器故障參數、機器姿態參數等在線感知能力,具有采煤機截割滾筒記憶截割、機載無線收發信號功能,能夠構建采煤機遠程監控系統。 國外主流電液控制液壓支架可完成綜采工作面設備 遠程控制和系統故障診斷等功能,國內液壓支架電液控制系統可靠性仍與國外技術存在一定差距。目前,我國自主研發的刮板輸送機智能化主要體現為 軟啟動控制、刮板鏈自動張緊和運行工況監測技術。綜采工作面智能化集成系統可實現綜采工作面采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉載機、破碎機、帶式輸送機、組合開關、移動變電站等設備的智能化集成控制及協同互鎖,在一些煤礦應用之后實現了綜采工作面自動化和少人化。裝備控制自動化是指在不需要人工直接干預情況下,采掘裝備通過預編程序實現自主調控、采掘作業的自主巡航,由采掘裝備獨立完成的回采作業。澳大利亞重點發展采煤機的記憶割煤與自主導航技術,中國聚焦于井下采掘裝備遠程遙控技術。

2)數字礦山與礦山物聯網關鍵工程技術、裝備與材料。它是以礦山空間數據與模型為中心,是空間信息技術、網絡技術及可視化技術在礦山企業綜合應用的集中體現,其基本任務是通過統一時空 基準、統一數據標準、統一網絡結構和統一集成平臺,為礦山生產全過程的可視化、精細化、智能化管控提供數據保障與技術支持。數字礦山未來的主攻方向為:礦山空間數據倉庫與數據更新技術、礦山數據挖掘與知識發現技術、真 3D 實體建模與虛擬采礦技術。礦山物聯網由感知層、傳輸層、分析層和應用層組成,依托覆蓋礦山井上井下的高速網絡建設礦山傳感網,通過多種傳感器將礦山環境、 設備及人員實時聯接起來,對礦山災害環境、設備健康狀況、人員安全態勢的實時監測、感知、交流與控制。礦山物聯網未來發展的重點為:多網融合 傳輸技術、多參量信息分析處理技術。隨著礦山物聯網覆蓋的范圍越來越廣,“人、機、物”三元世界在信息空間中交互、融合所產生并在互聯網上可獲得的數據也越來越大,這些數據的內在價值的提取和利用需要用超大規模、高可擴展的云計算技術來支撐。煤礦大數據云計算技術尚處于起步階段, 需要在統一技術標準、數據建模兩方面著力發展。

3)智能化鉆井關鍵工程技術、裝備與材料。 智能化鉆井通過結合大數據、人工智能等,利用超前探測、閉環調控、精準制導,可有效規避鉆井風險, 形成高質量井眼,提高鉆井速度、鉆遇率,降低鉆 井成本,是保證完井、生產順利開展的基礎。智能化鉆井需要基于鉆井過程大數據,通過分析實時工況,對鉆井破巖參數進行自適應優化,智能調控井眼軌跡。其中智能化鉆井關鍵工程技術主要涉及數據雙向高效傳輸技術、閉環智能調控技術、鉆井智能導向技術。鉆井過程會產生海量數據,為了確保地面控制系統與井下信息的動態交互,需要利用智能鉆桿等裝備進行更高效的數據傳輸。利用對鉆井數據的智能分析,通過信號反饋,優化鉆井參數,形成鉆井信息閉環調控,顯著提高了鉆井數據處理效率,具體涉及無人化鉆臺、智能控壓、一體化司鉆控制等裝備。智能導向是根據地層條件與地面控制指令,控制鉆頭鉆速進行靶點定向鉆進,具體涉及智能鉆頭等裝備。為了提高復雜條件下工具性能, 碳纖維復合材料、高熵合金、超級鋼、純相多晶金剛石等材料受到國內外廣泛關注。同時,仿生鉆井液、超分子聚合物鉆井液等作為井眼鉆進與順利進行的重要載體在國內外得到了廣泛研究。當前,挪威已將高度靈活、可執行多任務無人化鉆臺應用于 現場。貝克休斯首款 TerrAdapt 自適應鉆頭,通過自動化控制來大幅減小井下故障發生頻率。英國北海 Babbage 油田通過智能閉環控制,利用智能鉆桿的數據高效傳輸,使機械鉆速提高了近200%。斯倫貝謝、貝克休斯、威德福、哈里伯頓等相繼將智 能導向技術用于鉆井現場。

4)智能化完井關鍵工程技術、裝備與材料。 智能化完井是借助先進的傳感、傳輸、自動化控制設備,結合大數據、人工智能等,可對油氣生產過程進行實時監測與控制,為智能生產的進行提供有力支撐。智能化完井是利用結合大數據、人工智能等,通過自動化裝備,進行層間隔離、永久監測、流量控制、出砂控制,為智能化生產提供有效支撐。其中智能化完井關鍵工程技術主要涉及油井開采入流控制技術、完井參數智能優化技術。當前,一體化完井管理控制系統集井下監測、數據傳輸、分層流量控制于一體,可以實現油藏信息管理、動態數據共享和流量智能調控, 受到國內外廣泛關注,具體涉及井下傳感器、井下生產控制器、多通道封隔器等裝置。當前,貝克休斯 InCharge 完井系統利用電力液壓驅動,可控制多達 12 個產層,實現無級節流。斯倫貝謝 Manara 完井系統,可進行數據無線傳輸、多通道封隔、分層監控。此外,哈里伯頓、中石油等也相繼推出了SmartWell、EIC-Riped完井系統。同時, 結合納米材料與完井液的多功能智能化納米完井液體系,可對井下復雜情況或事故進行自動識別與處理,已成為未來發展趨勢。

5)智能化生產關鍵工程技術、裝備與材料。 智能化生產是基于大數據、嘗試學習等對油氣田全生命周期的生產進行動態管理與優化。利用研究分支間協同工作,通過資料數據、儀器設備、施工作業等有效整合,進而可實現油氣開采智能化。智能化生產利用傳感裝置采集井下數據,然后傳輸至地面系統進行智能分析和信號反饋,通過地面與井下裝備執行控制指令,對井下工況進行智能管理與優化。其中,智能化生產關鍵工程技術主要涉及油藏生產動態實時四維解釋技術、智能驅替提高油田采收率技術、多元海量數據智能分析利用技術。油氣智能化生產主要涉及油田智能監測裝備,獲取各個環節動態信息,為油氣藏實時解釋、油氣開采智能分析提供支撐。同時,在油氣田生產中會產生海量數據,需要利用深度學習與數據挖掘等進行信息的智能分析,對大數據儲存、計算裝備的性能也提出了更嚴苛的要求。此外,納米智能驅油劑由于可以顯著提高低滲透油藏的采收率,已得到了國內外高度關注。當前,Anadarko 石油公司基于 Delaware 盆地微生物 DNA 正在構建龐大監測數據庫,用于分析油氣藏生產動態。油藏機器人可以準確監測復雜條件下溫度、壓力等信息,已成為國內外研究前沿,阿美石油公司在該領域開展了積極研究。而殼牌公司利用大數據、云計算建立了油田管理系統, 初步實現了生產自動調控。為了提高油田采收率,中石油、中石化等在智能精細注水、智能納米驅油劑提高采收率方面進行了積極探索。加拿大自然資源公司也開展聚合物納米微球提高采收率先導試驗。此外,中國在超級計算機方面發展迅速,已達到國際先進水平,為油氣開采中海量數據存儲、計算、分析等方面研究奠定了重要基礎。


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