地面/井下集成鉆井自動(dòng)化穩(wěn)步發(fā)展

    從某種意義上講，油氣鉆井作業(yè)好像是“賭博”，一方面，人們?cè)敢馔顿Y成百上千萬(wàn)美元（如果是深水鉆井的話則要投資過(guò)億美元乃至更多）去鉆不知能否成功的探井，而另一方面，鉆井界也深知其各種風(fēng)險(xiǎn)固然極大，假若一旦成功，其所得的回報(bào)會(huì)更高。從歷史上講，石油鉆井工業(yè)對(duì)新技術(shù)的采用一直較慢，其向自動(dòng)化和機(jī)械化發(fā)展的道路漫長(zhǎng)而艱辛。一般而言，各公司都不愿率先嘗試新技術(shù)，而是希望別的公司先試用，視其效果好壞再?zèng)Q定是否采用。

    考慮到石油天然氣鉆井工業(yè)的高昂成本和復(fù)雜性，謹(jǐn)慎行事是完全可以理解的。然而，隨著鉆井自動(dòng)化進(jìn)程的緩慢發(fā)展，鉆井承包商和各服務(wù)公司都已逐步認(rèn)識(shí)到鉆井自動(dòng)化的潛在利益是巨大的，這些潛在利益包括更好的安全性、更高的鉆井效率、更小的風(fēng)險(xiǎn)以及整體優(yōu)化的鉆井工藝。

    現(xiàn)代鉆機(jī)的進(jìn)步
    離不開自動(dòng)化

    整體而言，現(xiàn)代鉆機(jī)在技術(shù)方面比以往任何時(shí)候都更為先進(jìn)。通過(guò)廣泛采用交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)、電子司鉆、PLC控制系統(tǒng)、頂驅(qū)裝置、鐵鉆工、自動(dòng)排管裝置以及機(jī)械化貓道等先進(jìn)設(shè)備，現(xiàn)代鉆機(jī)不再依賴手工操作和低效率不精確的機(jī)械化系統(tǒng)。

    先進(jìn)的頂驅(qū)裝置使鉆機(jī)能夠在起鉆時(shí)進(jìn)行倒劃眼作業(yè)，從而更適合于鉆較長(zhǎng)的水平井段和大位移井。PLC（可編程邏輯控制）技術(shù)也已被油田所采用，使得可以在鉆臺(tái)上集成多種機(jī)械裝置，并使司鉆能夠在全天候的司鉆控制室內(nèi)遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)控制各種鉆井活動(dòng)。美國(guó)H&P鉆井公司在其FlexRig鉆機(jī)上裝配了電子司鉆后，通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)、軟件
和觸摸屏控制裝置來(lái)監(jiān)控和調(diào)整多項(xiàng)鉆井參數(shù)、優(yōu)化鉆井工藝并減少或消除了長(zhǎng)期困擾鉆井工業(yè)的一些常見問(wèn)題，使鉆井工業(yè)自動(dòng)化又向前邁進(jìn)了一步。電子司鉆與VFD（變頻驅(qū)動(dòng)）的結(jié)合應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)效果，取代機(jī)械制動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)更精確和更穩(wěn)定的控制且減輕司鉆的體力負(fù)荷。

    自動(dòng)送鉆裝置也在不斷發(fā)展，通過(guò)應(yīng)用自動(dòng)送鉆裝置和優(yōu)化鉆井工藝，在某些地區(qū)可提高鉆井效率達(dá)30%。目前通過(guò)與各種傳感器、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一起使用，先進(jìn)的自動(dòng)送鉆裝置能夠連續(xù)的同時(shí)監(jiān)控多項(xiàng)鉆井參數(shù)，包括鉆壓、機(jī)械鉆速、扭矩和壓差等，根據(jù)在2009年SPE/IADE鉆井大會(huì)上發(fā)表的一篇論文所披露的數(shù)據(jù)顯示，與使用傳統(tǒng)自動(dòng)送鉆裝置鉆井相比，使用先進(jìn)的送鉆裝置鉆井時(shí)機(jī)械鉆速提高30%以上，而所用鉆頭只數(shù)則減少7%。
   
    井下自動(dòng)化成果多面“開花”

    除了地面設(shè)備和鉆機(jī)機(jī)械化以外，另一個(gè)使鉆井人員激動(dòng)的領(lǐng)域是井下活動(dòng)的自動(dòng)化及其與地面設(shè)備的集成。眾多業(yè)內(nèi)人士已不再僅僅局限于對(duì)井下自動(dòng)化充滿好奇，而是真正的想使其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。井下測(cè)量技術(shù)日益發(fā)展，使作業(yè)人員對(duì)井眼情況有了更為清晰的了解；有線鉆桿技術(shù)也有了重大突破，能夠更快更大量的向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)；而鉆井專家系統(tǒng)的出現(xiàn)則使井下鉆井過(guò)程與地面自動(dòng)化設(shè)備間的連接有了很大的進(jìn)步。有多家公司正在開發(fā)將標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)與控制系統(tǒng)相互集成的工作，比如井眼縮徑檢測(cè)及自動(dòng)機(jī)械鉆速控制等。

    過(guò)去幾年間，Ak e r 公司一直與SINTEF、HPD 和 StatoilHydro公司共同開發(fā)一種應(yīng)用井眼可視技術(shù)和鉆井工藝模型來(lái)優(yōu)化并控制鉆井的系統(tǒng)，試圖研制出一種自動(dòng)鉆井順序裝置，將井下測(cè)量數(shù)據(jù)集成到一種在線決策支持工具中去。這種開發(fā)結(jié)果可以與一種CADS（可配置自動(dòng)鉆井順序）軟件工具相集成，用以控制整個(gè)的鉆井順序。比如鉆井人員只需按一個(gè)用于起鉆的按鈕，該控制系統(tǒng)便會(huì)完成起鉆順序中的每一個(gè)步驟。而在以前，這需要操作員的許多介入才能啟動(dòng)和停止不同的設(shè)備。還有一個(gè)鉆井自動(dòng)化項(xiàng)目就是Drilltronics裝置的研制，參與研制者試圖制造出一種鉆井自動(dòng)導(dǎo)航裝置，就像是用于航空和航海界的無(wú)人導(dǎo)向系統(tǒng)，Drilltronics裝置的最終目標(biāo)是能夠應(yīng)用計(jì)算機(jī)模型來(lái)控制鉆井設(shè)備，以便可以對(duì)鉆井工藝過(guò)程進(jìn)行分析。StatoilHydro、BP、ENI和國(guó)民油井華高公司都是該項(xiàng)目的參與者。該項(xiàng)目的成員們正在對(duì)鉆井過(guò)程進(jìn)行建模，以便能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化或是減小風(fēng)險(xiǎn)，其中的大部分工作都集中于對(duì)井下壓力的研究。例如，專家們已經(jīng)建立了一種計(jì)算機(jī)模型，這種模型能夠確定泥漿泵在啟動(dòng)時(shí)不損壞地層的最大運(yùn)行速度，計(jì)算機(jī)或是通知司鉆應(yīng)該所處的安全“包線”范圍，或是在實(shí)際上對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，使司鉆不能意外地按動(dòng)按鈕，無(wú)意地超過(guò)最大速度。理想的情況是實(shí)時(shí)井下數(shù)據(jù)將用來(lái)連續(xù)校正計(jì)算機(jī)。

    Drilltronics裝置于2008年就已在北海水域的Statfjord C鉆井平臺(tái)上完成了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，根據(jù)IRIS公司的報(bào)道，在對(duì)12 ¼英寸和8 ½英寸井段進(jìn)行開窗側(cè)鉆時(shí)對(duì)起下鉆控制、半自動(dòng)泥漿泵啟動(dòng)以及自動(dòng)摩擦檢測(cè)等模塊進(jìn)行了測(cè)試，在鉆入儲(chǔ)層后對(duì)Drilltronics裝置進(jìn)行了試驗(yàn)，沒有出現(xiàn)任何問(wèn)題。目前專家們正在對(duì)該模型進(jìn)行進(jìn)一步的研究，不久便會(huì)再次對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

    操作簡(jiǎn)化、
    注重安全成為趨勢(shì)

    隨著陸上鉆井朝著更高層次自動(dòng)化的發(fā)展，供貨商們都在紛紛尋找如何使昂貴復(fù)雜的技術(shù)在低成本環(huán)境中工作的途徑。例如，對(duì)于許多陸上鉆機(jī)而言，要求必須配備專門的軟件人員就不太切合實(shí)際，所以，類似于這方面的考慮正推動(dòng)著設(shè)備供應(yīng)商們重新考量其產(chǎn)品并找出更簡(jiǎn)單的使用方法。

    此類簡(jiǎn)化的一個(gè)典型實(shí)例是鐵架工，也就是安裝在井架上的一種排管裝置，它使用一個(gè)機(jī)械臂來(lái)提升和排放鉆桿和鉆鋌，消除了人工井架工在二層平臺(tái)上工作的需要。從過(guò)去的工業(yè)事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，井架工是鉆機(jī)上最危險(xiǎn)的工種，所以鐵架工能給井隊(duì)帶來(lái)明顯的安全利益。

    當(dāng)結(jié)合應(yīng)用鐵鉆工、動(dòng)力大鉗和頂驅(qū)裝置時(shí)，司鉆就可以在司鉆控制臺(tái)處對(duì)日常的鉆井作業(yè)進(jìn)行控制，不需要有人待在危險(xiǎn)的位置。而具有機(jī)械臂的鐵幫手則可以在鉆桿過(guò)井架大門移向井眼中心時(shí)控制鉆桿的靠近狀態(tài)，有助于下套管作業(yè)的順利進(jìn)行。
 
    另外，在過(guò)去的5年間，頂部驅(qū)動(dòng)下套管裝置已在鉆井工業(yè)界站穩(wěn)腳跟。威德福公司的增速傳動(dòng)裝置將多個(gè)下套管工具融為一體，包括動(dòng)力大鉗、吊卡充填/循環(huán)工具以及重量補(bǔ)償器，這類遠(yuǎn)程控制裝置能實(shí)現(xiàn)無(wú)人下套管作業(yè)，具有明顯的安全優(yōu)勢(shì)，且同時(shí)還具有鉆井優(yōu)勢(shì)，人們可以在井眼中利用套管進(jìn)行循環(huán)、做起下和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而可以用套管對(duì)井眼中的問(wèn)題井同時(shí)進(jìn)行劃眼和鉆進(jìn)。