报告 | 《全球工程前沿2018》：电力与能源技术领域

1.2.3 煤炭与油气开采智能化关键工程技术、装备 与材料

（1）概念阐述

智能开采始于20 世纪八九十年代的自动采 矿 技 术（Automated mining）和遥控采矿技术 （Telemining /Distance mining），1992 年芬兰提出 智能矿山（Intellimine）计划，煤炭智能开采的概 念基本确定。当前我国老油田、非常规、深层、深 水等油气勘探开发亟需利用智能化装备与材料，对 油气田生产动态进行智能调控，以降低开发成本、 提高油气产量和采收率。智能开采是指在不需要人工直接干预的情况下，通过开采环境的智能感知、 开采装备的智能调控、开采作业的自主巡航，由开 采装备独立完成的回采作业过程。煤炭与油气的智 能化开采是在机械化开采、自动化开采的基础上， 通过信息化与工业化的深度融合提高生产效率和经 济效益的革命性技术。

（2） 各前沿分支工程科学

1）煤炭智能开采关键工程技术、装备与材料。 它是环境感知、智能决策、自动控制三个技术单元 的深度整合，涉及工程环境感知、数字矿山、矿山 物联网、大数据云计算、装备控制自动化五个分支。 工程环境感知是针对井下设备、人员和灾害三个方 面的自动探测与传输技术，旨在解决复杂地质条件 下采煤作业全过程监控自动化与精细化问题。澳大 利亚侧重于以热红外成像为基础的煤层地质结构智 能探测；中国聚焦于采煤装备位置与姿态的智能探 测。我国智能开采装备水平与国外相当，具有采煤 机运行参数、机器故障参数、机器姿态参数等在线 感知能力，具有采煤机截割滚筒记忆截割、机载无 线收发信号功能，能够构建采煤机远程监控系统。 国外主流电液控制液压支架可完成综采工作面设备 远程控制和系统故障诊断等功能，国内液压支架电 液控制系统可靠性仍与国外技术存在一定差距。目 前，我国自主研发的刮板输送机智能化主要体现为 软启动控制、刮板链自动张紧和运行工况监测技术。 综采工作面智能化集成系统可实现综采工作面采煤 机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、带 式输送机、组合开关、移动变电站等设备的智能化 集成控制及协同互锁，在一些煤矿应用之后实现了 综采工作面自动化和少人化。装备控制自动化是指 在不需要人工直接干预情况下，采掘装备通过预编 程序实现自主调控、采掘作业的自主巡航，由采掘 装备独立完成的回采作业。澳大利亚重点发展采煤 机的记忆割煤与自主导航技术，中国聚焦于井下采 掘装备远程遥控技术。

2）数字矿山与矿山物联网关键工程技术、装 备与材料。它是以矿山空间数据与模型为中心，是 空间信息技术、网络技术及可视化技术在矿山企业 综合应用的集中体现，其基本任务是通过统一时空 基准、统一数据标准、统一网络结构和统一集成平 台，为矿山生产全过程的可视化、精细化、智能化 管控提供数据保障与技术支持。数字矿山未来的主 攻方向为：矿山空间数据仓库与数据更新技术、矿 山数据挖掘与知识发现技术、真3D 实体建模与虚 拟采矿技术。矿山物联网由感知层、传输层、分析 层和应用层组成，依托覆盖矿山井上井下的高速网 络建设矿山传感网，通过多种传感器将矿山环境、 设备及人员实时联接起来，对矿山灾害环境、设备 健康状况、人员安全态势的实时监测、感知、交流 与控制。矿山物联网未来发展的重点为：多网融合 传输技术、多参量信息分析处理技术。随着矿山物 联网覆盖的范围越来越广，“人、机、物”三元世 界在信息空间中交互、融合所产生并在互联网上可 获得的数据也越来越大，这些数据的内在价值的提 取和利用需要用超大规模、高可扩展的云计算技术 来支撑。煤矿大数据云计算技术尚处于起步阶段， 需要在统一技术标准、数据建模两方面着力发展。

3）智能化钻井关键工程技术、装备与材料。 智能化钻井通过结合大数据、人工智能等，利用超 前探测、闭环调控、精准制导，可有效规避钻井风险， 形成高质量井眼，提高钻井速度、钻遇率，降低钻 井成本，是保证完井、生产顺利开展的基础。智能 化钻井需要基于钻井过程大数据，通过分析实时工 况，对钻井破岩参数进行自适应优化，智能调控井 眼轨迹。其中智能化钻井关键工程技术主要涉及数 据双向高效传输技术、闭环智能调控技术、钻井智 能导向技术。钻井过程会产生海量数据，为了确保 地面控制系统与井下信息的动态交互，需要利用智 能钻杆等装备进行更高效的数据传输。利用对钻井 数据的智能分析，通过信号反馈，优化钻井参数，形成钻井信息闭环调控，显著提高了钻井数据处理 效率，具体涉及无人化钻台、智能控压、一体化司 钻控制等装备。智能导向是根据地层条件与地面控 制指令，控制钻头钻速进行靶点定向钻进，具体涉 及智能钻头等装备。为了提高复杂条件下工具性能， 碳纤维复合材料、高熵合金、超级钢、纯相多晶金 刚石等材料受到国内外广泛关注。同时，仿生钻井 液、超分子聚合物钻井液等作为井眼钻进与顺利进 行的重要载体在国内外得到了广泛研究。当前，挪 威已将高度灵活、可执行多任务无人化钻台应用于 现场。贝克休斯首款TerrAdapt 自适应钻头，通过 自动化控制来大幅减小井下故障发生频率。英国北 海 Babbage 油田通过智能闭环控制，利用智能钻杆 的数据高效传输，使机械钻速提高了近200%。斯 伦贝谢、贝克休斯、威德福、哈里伯顿等相继将智 能导向技术用于钻井现场。

4）智能化完井关键工程技术、装备与材料。 智能化完井是借助先进的传感、传输、自动化控制 设备，结合大数据、人工智能等，可对油气生产 过程进行实时监测与控制，为智能生产的进行提 供有力支撑。智能化完井是利用结合大数据、人 工智能等，通过自动化装备，进行层间隔离、永 久监测、流量控制、出砂控制，为智能化生产提 供有效支撑。其中智能化完井关键工程技术主要 涉及油井开采入流控制技术、完井参数智能优化 技术。当前，一体化完井管理控制系统集井下监 测、数据传输、分层流量控制于一体，可以实现 油藏信息管理、动态数据共享和流量智能调控， 受到国内外广泛关注，具体涉及井下传感器、井 下生产控制器、多通道封隔器等装置。当前，贝 克休斯InCharge 完井系统利用电力液压驱动，可 控制多达12 个产层，实现无级节流。斯伦贝谢 Manara 完井系统，可进行数据无线传输、多通道 封隔、分层监控。此外，哈里伯顿、中石油等也 相继推出了SmartWell、EIC-Riped完井系统。同时， 结合纳米材料与完井液的多功能智能化纳米完井液体系，可对井下复杂情况或事故进行自动识别 与处理，已成为未来发展趋势。

5）智能化生产关键工程技术、装备与材料。 智能化生产是基于大数据、尝试学习等对油气田全 生命周期的生产进行动态管理与优化。利用研究分 支间协同工作，通过资料数据、仪器设备、施工作 业等有效整合，进而可实现油气开采智能化。智能 化生产利用传感装置采集井下数据，然后传输至地 面系统进行智能分析和信号反馈，通过地面与井下 装备执行控制指令，对井下工况进行智能管理与优 化。其中，智能化生产关键工程技术主要涉及油藏 生产动态实时四维解释技术、智能驱替提高油田采 收率技术、多元海量数据智能分析利用技术。油气 智能化生产主要涉及油田智能监测装备，获取各个 环节动态信息，为油气藏实时解释、油气开采智能 分析提供支撑。同时，在油气田生产中会产生海量 数据，需要利用深度学习与数据挖掘等进行信息的 智能分析，对大数据储存、计算装备的性能也提出 了更严苛的要求。此外，纳米智能驱油剂由于可以 显著提高低渗透油藏的采收率，已得到了国内外高 度关注。当前，Anadarko 石油公司基于Delaware 盆地微生物DNA 正在构建庞大监测数据库，用于 分析油气藏生产动态。油藏机器人可以准确监测复 杂条件下温度、压力等信息，已成为国内外研究前 沿，阿美石油公司在该领域开展了积极研究。而壳 牌公司利用大数据、云计算建立了油田管理系统， 初步实现了生产自动调控。为了提高油田采收率， 中石油、中石化等在智能精细注水、智能纳米驱油 剂提高采收率方面进行了积极探索。加拿大自然资 源公司也开展聚合物纳米微球提高采收率先导试 验。此外，中国在超级计算机方面发展迅速，已达 到国际先进水平，为油气开采中海量数据存储、计 算、分析等方面研究奠定了重要基础。

（3）发展现状与未来发展趋势

智能化开采未来的发展方向是基于生产过程中 的动态信息，依托相关工程技术、装备与材料，对煤炭及油气开采进行全生命周期实时智能调控。目 前，国内外围绕智能化开采的关键领域均进行了大 量研究，但仍未实现全过程智能开采，未来需要在 以下方面实现重大突破： 1）工程装备、材料与人工智能的深度融合： 通过有效的数据采集、分层智能生产、数据挖掘与 智能分析，实现煤炭与油气高效智能开发。利用先 进的计算机、光电和导航技术对开采设备和人员进 行自动定位，以实现安全监控和精确开采。同时， 材料与人工智能的深度融合有助于全方位改善工程 装备性能，实现对采场未知区域的自动探查和检 测，甚至对井下复杂生产情况或事故进行自动识 别与处理。 2）数据智能采集– 高效传输– 智能分析– 智 能调控一体化技术：基于采集的多元海量数据，通 过智能分析，确定生产实时动态，利用智能调控开 采过程，实现数据采集、传输、分析、调控各个环 节协同工作。

（4）国家/ 地区和机构以及之间的对比及合作情况

根据表1.2.9 可知，该研究方向的核心论文产 出数量最多的国家是中国、印度、加拿大、澳大利 亚和英国。其中，中国核心论文比例超过 50%，其 他国家核心论文比例均低于10%。由表1.2.10 可知，该研究方向的核心论文产出数量最多的机构分 别是Xi’an Univ Sci & Technol, Luohe Med Coll 以 及 China Univ Min & Technol Beijing。其中，Xi’an Univ Sci & Technol 和 Luohe Med Coll 的核心论文 产出比例超过 5%。 根据图1.2.5 可知，较为注重该领域国家或地 区间合作的有中国、澳大利亚、美国、英国和意大 利。其中中国与澳大利亚、美国、英国这三个国家 均具有合作关系，合作国家数最多，合作发表的核 心论文数量也最多。而印度、加拿大的论文数尽管 较多，但没有与其他国家或地区进行过合作。 根据图1.2.6 可知，与其他机构具有合作关 系的机构有Luohe Med Coll，Chinese Acad Sci, Henan Qual Engn Vocat Coll, Henan Polytech Inst 和 CSIRO，其中Luohe Med Coll 分别与Henan Qual Engn Vocat Coll, Henan Polytech Inst 这两个机构之 间彼此具有合作关系，合作发表核心论文数量也较 多。中国西安的 Xi’an Univ Sci & Technol 是发表论 文数量最多的机构，但没有与其他机构开展过合作 研究。 根据表1.2.11 可知，该研究方向的施引核心 论文产出数量最多的国家是中国、澳大利亚、美 国、英国和印度。其中，中国施引核心论文比例超 过 50%，其他国家只有澳大利亚施引核心论文比例高于10%。由表1.2.12 可知，该研究方向的核 心论文产出数量最多的机构分别是China Univ Min & Technol、Chinese Acad Sci 以及Shandong Univ Sci & Technol。其中，China Univ Min & Technol 和 Chinese Acad Sci 的施引核心论文产出比例均超过 20%。