人工智能赋能钻机连续循环系统安全性能优化研究
在繁复的钻井施工环境下，钻井液连续循环装置（CCS）展现出多项突出优势，诸如精确控制井底压力、改善井眼清洁效果与增强井壁稳固性等。
针对窄密度窗口钻井工况（涵盖深水、高温高压、大位移水平段等特殊场景），这些特性是确保人身安全、提高施工效率、缩减开支的重要基础。
另外，该技术既能作为独立装置单独部署，也能与既有设备协同配合，显著加快接单根操作的速度与安全保障水平。
此系统能够完成带压循环接单根作业：当顶驱脱离后，钻井液依然可经由钻柱保持连续循环。
依托逾百口井实操经验构建的模型驱动软件，结合实时数据采集能力，使连续循环装置的流量监测模块能够高精度辨识溢流与漏失现象，即时向司钻发出预警信号，激活标准井控程序。
连续循环钻井系统（CCS成套装备的关键组件）与流量监测能力的融合，构建了一套能够对井筒液压屏障实施不间断监控的体系，有效改善钻井施工效率。
连续循环装置支持施工过程中与井底维持持续通信，在加减钻杆立柱时确保钻井液循环不中断。
仅在执行钻杆连接或拆卸操作时，才对传统泥浆流道进行调整：该设计确保了装置的稳定可靠与运行效能，防止泥浆在循环通道内形成额外的压力损失。
此装置的突出优势集中体现于安全水平提升、井眼品质优化及钻井效能增强三个层面。
部署新一代连续循环装置可在钻井全程保持泥浆循环，产生如下安全保障效益：
l消除"接单根溢流"产生的条件
l减小起下钻、接单根环节中的井喷溢流隐患
l接单根施工期间不必上提钻具组合
l出现溢流时仍可保持井底持续钻井
l接单根阶段随钻测量（MWD）/随钻测压（PWD）数据传输保持连续
l井底温度保持恒定
l大幅削减温度引发的井下复杂状况
l两套成熟、独立、可靠的井屏障持续发挥作用，确保井控安全万无一失。
主要品质改善效益涵盖：
l消除泵启停循环造成的井筒脉动压力，缩减非生产时间（NPT）相关事件的处置需求
l降低钻杆卡阻诱发的扭转事故与井下复杂问题
l井底保持持续清洁，无钻屑沉积，井眼稳定性能改善
主要时效改善效益包括：
l单根连接总耗时压缩
l裸眼施工阶段不必调整泥浆密度
l接单根前无需循环等待
l接单根溢流识别与处置时间缩减
l欠平衡钻井（UBD）接单根后无需循环排出积聚气体
l钻井周期整体压缩、泥浆漏失量降至零、设备使用寿命延长，共同促成钻井成本显著下降，推动油田提前投产。
新型自动化装置由卡箍、滑车、泥浆分流管汇、视觉系统、人机交互界面（HMI）及PLC控制撬块构成。
滑车与卡箍由司钻房远程操控。借助视觉系统，司钻能够将卡箍与短节上的外置阀门精确对位，并按需前后移动调整。系统支持左右±10°区间的三维空间对位，软件设计以最大程度降低人为与系统偏差为核心原则。
为优化施工流程，研发并迭代了新型自动连接系统，可通过顶部吊升装置或机械臂完成连续循环连接工具的上扣操作，在改善系统性能与作业重复性的同时，缩减非生产时间（NPT）与钻井周期，进一步保障钻台人员安全。
此装置的优势可归纳为如下方面：
l适配孔隙压力/破裂压力窗口狭窄的复杂地层钻井，保持全井段压力制度平稳
l接单根阶段持续清洁井眼，大幅降低钻具卡阻或砂桥卡钻事故概率
l防止钻杆接单根阶段因井底温度波动影响等效循环密度（ECD），进而造成泥浆流变性变化
l接单根阶段实时监控井底压力（ECD）、温度等核心参数
l可通过轴向（上部）耳轴阀实施电缆/钢丝作业
l作业人员将短节调整至适宜作业高度与径向位置、满足卡瓦坐挂条件后，即可启用自动化连续循环装置开展钻杆连接作业。
l连接流程首步为作业人员手动将连接工具与短节对接。工具装配于机械臂上，也可适配橇装布放方式，人工推送至短节位置。初步啮合后，工具下放至最终对位位置，通过液压缸锁紧固定于短节上，锁紧力足以承受工具的非预期弯矩载荷。
l工具锁定并完成对位、侧门啮合功能设置后，作业人员启动控制系统，执行压力调控、拆除侧门安全阀、自动安全啮合旁通流道等一系列操作。
l随后，软件系统激活管汇控制系统，开启侧翼阀门，安全地将泥浆流道从上部传输管线切换至预设旁通流道。同时，软件联动管汇阀门泄压，使短节上方压力释放，确保上部阀门自动关闭。
l至此，上部单元可完成脱开，加装新钻杆立柱。
l钻机作业完成、新钻杆连接完毕、新立柱组配完成后，控制系统启动灌注泵对新立柱进行灌浆。灌浆完成后，软件与人机交互系统按反向流程执行
前述步骤，直至设备恢复至可从短节拆卸的状态。
最终，作业人员通过解除液压缸锁紧力、解锁远程停止装置，将工具自动回撤至停放位。
l针对复杂钻井应用场景，该技术可与控压钻井（MPD）实时水力建模与控制系统无缝集成，实现井底压力（BHP）的高级监测与调控。
l该自动化设备已完成实验室试验、现场先导试验验证。现场试验结果表明，应用包含旁通工具、管汇及配套设备的自动化系统开展连续循环连接作业，安全水平得到显著改善。
l该系统目前已进入海上市场应用，可在存在复杂工况或红区的作业环境中，有效防范钻台平面事故发生。
l连续循环系统采用行业通用的标准防喷器（BOP）组件制造，连接作业全流程封闭在该系统内，安全可控。
连续循环系统技术已迭代适配至新一代钻机。全自动化系统与人工智能的融合实现了远程控制，为钻台无人员作业的工况提供了安全作业可能。
该技术可保障作业连续性，全面符合安全标准。摄像系统可在最恶劣工况下稳定运行，配套照明系统参数均经过极端作业环境测试验证。系统通过阀门识别与短节自动对齐功能启动连续循环流程。人工智能的应用大幅提升了钻井效率与安全水平，减少了人工干预频次。人机协同模式相较传统系统具备显著竞争优势。
系统共配置3台安装于滑车固定轴上的摄像设备，具体参数如下：
1号相机：左侧相机，500万像素，12mm镜头
2号相机：右侧相机，500万像素，12mm镜头
3号相机：中央相机，500万像素，25mm镜头
三台相机可适应各类不可控的野外作业环境。中央相机视场角较小，侧重精准识别；两侧相机视场角更大，负责大范围搜索阀门位置。所有相机均封装于ATEX防爆外壳内，系统配置支持持续采集图像数据用于算法训练。
相机可适配以下差异化作业条件：
短节不同转速（最高10转/分钟）
不同观测角度
有无辅助照明
阀门不同脏污状态
依托人工智能技术，原本复杂的接单根特种作业转化为常规标准化作业，简化了过往被视为高风险、高难度的系列流程。尽管后端技术复杂度较高，但研发全程均有终端用户参与设计与验证，充分贴合现场作业实际需求。
新一代连续循环系统的创新点涵盖：
l硬件与软件升级
l设计与作业流程创新
l数字化与虚拟技术应用
l建井方法与服务体系革新、自动化与机械化程度提升
l监测、报警与预测性分析功能完善
l井底工具应用配置与钻井系统设计优化
l泥浆循环系统与钻杆连接自动化
l针对多层级自动化作业的操作风险，系统引入了常规、主动、被动三类监测系统提供作业支撑，配套算法可在作业过程中持续学习迭代。
l系统底层硬件由多层监测设备与软件联动控制，逻辑关系清晰，便于作业人员理解因果链路，跟踪作业状态。
l若发生故障，系统将通过日志提示最简修复操作，帮助系统快速恢复正常模式。