本文在此介紹的是常規(guī)鉆井與控壓鉆井（MPD）兩種方式下控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，通過(guò)將鉆井自動(dòng)化操作系統(tǒng)與適合于目的的MPD系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鉆井績(jī)效的整體優(yōu)化。整合后的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了包括泥漿泵、絞車、頂驅(qū)以及MPD系統(tǒng)等主要鉆井設(shè)備自動(dòng)、精準(zhǔn)和協(xié)調(diào)的控制。這種MPD系統(tǒng)包括一組與MPD控制系統(tǒng)結(jié)合運(yùn)用的電控節(jié)流，而這個(gè)MPD控制系統(tǒng)又與鉆機(jī)的主要鉆井控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完美的整合。
從有線鉆桿獲得的高分辨率指標(biāo)數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)整體的優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)鉆井績(jī)效和井筒壓力無(wú)與倫比的控制。結(jié)果表明，將一個(gè)適合于目的的MPD控制系統(tǒng)與一個(gè)自動(dòng)操作系統(tǒng)整合于一體是非常有價(jià)值的。這種集成的系統(tǒng)確保了持續(xù)的高績(jī)效指標(biāo)，而且，通過(guò)直接使用網(wǎng)絡(luò)上所有鉆井設(shè)備的高速數(shù)據(jù)，不再需要專用的MPD操作員控制臺(tái)和人機(jī)界面、多余的儀器儀表、臨時(shí)電纜以及次優(yōu)的通信接口。
MPD系統(tǒng)
這種MPD系統(tǒng)包括一個(gè)電控節(jié)流、一個(gè)可編程邏輯控制器（PLC）系統(tǒng)、以及司鉆坐席的整合與操作。這是一個(gè)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的、帶有一個(gè)壓力控制操作長(zhǎng)軌跡跟蹤記錄的第三代節(jié)流系統(tǒng)。一個(gè)外螺帽和機(jī)架裝置允許快速方便地對(duì)節(jié)流進(jìn)行維修，例如檢查、驗(yàn)收或更換部件。圖1是一個(gè)帶有電啟動(dòng)器和機(jī)架裝置的MPD節(jié)流系統(tǒng)。
伺服電機(jī)是一種采用滾子螺旋技術(shù)免維護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電機(jī)，無(wú)需機(jī)械調(diào)整和定期潤(rùn)滑保養(yǎng)即可提供可預(yù)測(cè)和可靠的使用壽命。最大節(jié)流速度為9.8毫米/每秒，只需5.7秒就能使節(jié)流閥完全就位。這種機(jī)械結(jié)構(gòu)可在不縮短預(yù)期使用壽命的情況下承受100%的工作周期。這是一種獲得全球認(rèn)證的電機(jī)，采用了帶端子塊的三電壓接線盒以及便于靈活布線的3/4-in.的常壓常溫密封壓蓋端口，額定溫度為-40至+60℃。工業(yè)自動(dòng)化級(jí)的部件能使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品做的非常緊湊和堅(jiān)固，從而能承受持續(xù)的額定負(fù)載和百萬(wàn)次免維護(hù)的壓力調(diào)整。
帶有堅(jiān)固的NACE MR0175柔韌鋼外殼的自鎖失效就位設(shè)計(jì)是全密封的IP67規(guī)格，電機(jī)為一種簡(jiǎn)單的5/8in.六角鍵設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)無(wú)需特殊工具，允許手動(dòng)處理應(yīng)對(duì)動(dòng)力損耗作業(yè)。MPD控制系統(tǒng)能夠處治單電控節(jié)流以及一個(gè)可選的科里奧利流量計(jì)所需的所有控制和輸入數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)接受來(lái)自鉆機(jī)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各種輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)需要調(diào)整節(jié)流，控制井筒壓力，以達(dá)到一個(gè)目標(biāo)壓力。所構(gòu)建的MPD控制系統(tǒng)采用了電動(dòng)節(jié)流和三重冗余的井筒壓力傳感器，為的是獲得良好的節(jié)流表現(xiàn)和更高的可靠性。
該控制系統(tǒng)采用三種主要操作模式來(lái)控制地面回壓。手動(dòng)調(diào)位模式，在這種操作模式下，操作員可以遠(yuǎn)程設(shè)置從0到100之間的節(jié)流位置；節(jié)流壓力控制模式，節(jié)流壓力控制模式能自動(dòng)控制節(jié)流壓力，控制系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)整節(jié)流的位置或大小，以保持節(jié)流壓力的設(shè)定點(diǎn)；節(jié)流壓力對(duì)照表模式，壓力對(duì)照表由不同流速／流量相對(duì)的節(jié)流壓力設(shè)定點(diǎn)組成，當(dāng)啟用或觸發(fā)時(shí)，節(jié)流壓力設(shè)定點(diǎn)會(huì)根據(jù)泥漿泵當(dāng)前的流速／流量自動(dòng)地進(jìn)行調(diào)整。
鉆井自動(dòng)化操作系統(tǒng)
自動(dòng)化操作系統(tǒng)（AOS）是一組安裝在一部交流電動(dòng)鉆機(jī)上的過(guò)程控制軟件。帶有必要的硬件和對(duì)位的基線鉆井控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鉆進(jìn)過(guò)程控制。該軟件的目的是自動(dòng)持續(xù)地提交或傳遞例行過(guò)程，例如，提升泵速、標(biāo)記井底以及鉆進(jìn)時(shí)優(yōu)化參數(shù)。這可使司鉆專注于安全和關(guān)鍵操作過(guò)程的監(jiān)控，包括員工資源管理。這些任務(wù)要求對(duì)操作環(huán)境、大量的未以數(shù)字方式捕獲的數(shù)據(jù)通告有一個(gè)深入的了解，而一位富有經(jīng)驗(yàn)和信息敏感的司鉆則更擅長(zhǎng)于管控過(guò)程，勝過(guò)一個(gè)計(jì)算機(jī)化的系統(tǒng)。
AOS由幾個(gè)安裝在鉆機(jī)控制器機(jī)柜中的單板計(jì)算機(jī)、一個(gè)附加或增補(bǔ)的顯示屏和一個(gè)接口開(kāi)關(guān)組成，其中，后兩者安裝在司鉆操作室中。該系統(tǒng)有一個(gè)初始安裝配置，配置設(shè)定了AOS將如何執(zhí)行某些任務(wù)，例如提升泵速以及在向井底傳送回壓時(shí)的阻尼加速。
配置選項(xiàng)非常寬泛，允許高標(biāo)準(zhǔn)定制。不過(guò)，配置并非與安裝無(wú)關(guān)，AOS接口允許系統(tǒng)重置，從而對(duì)配置進(jìn)行動(dòng)態(tài)更改，在條件發(fā)生變化時(shí)允許進(jìn)行主動(dòng)的優(yōu)化管理。這讓用戶可以對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行配置，以便最佳地執(zhí)行自操作任務(wù)，遵從公司的最佳實(shí)踐或現(xiàn)場(chǎng)和井的特定考慮。
完整的AOS系統(tǒng)是一個(gè)好的程序，這讓鉆井工程師們可為AOS提供一組操作參數(shù)，例如鉆壓（WOB）、轉(zhuǎn)速、扭矩、流速、泵壓、機(jī)械鉆速（ROP），確定所鉆的井應(yīng)如何由該系統(tǒng)來(lái)完成交付。可為一個(gè)要求的井段指定這些參數(shù)，也可將這些參數(shù)以數(shù)字方式加載到該系統(tǒng)。關(guān)鍵在于，在AOS范圍內(nèi)操作時(shí)司鉆沒(méi)有權(quán)限編輯這些參數(shù)，因此，任何所需的更改必須經(jīng)過(guò)一個(gè)明確的升級(jí)和協(xié)議核查來(lái)進(jìn)行。
AOS的一個(gè)關(guān)鍵特性是其允許安裝一些“應(yīng)用（Apps）”，可以利用一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK）來(lái)創(chuàng)建這些Apps，通過(guò)預(yù)留在AOS平臺(tái)中的創(chuàng)建功能來(lái)完成一個(gè)應(yīng)用的創(chuàng)建過(guò)程，AOS平臺(tái)的功能還包括一些用于人機(jī)界面設(shè)計(jì)的可視化工具和一些小的功能組件。這些增值的應(yīng)用可以托管在AOS中，從而可獲得訪問(wèn)這個(gè)AOS系統(tǒng)中傳感器采數(shù)據(jù)和相關(guān)信息的權(quán)限。這些Apps由司鉆在司鉆操作室從AOS顯示屏中調(diào)取進(jìn)行操作。
MPD一體化應(yīng)用
為了實(shí)現(xiàn)與AOS的整合，開(kāi)發(fā)出了一個(gè)新的MPD“App”，圖2給出了MPD的App界面。
隨著新系統(tǒng)將MPD作業(yè)設(shè)置在司鉆控制屏上，這能讓司鉆在利用這個(gè)一體化和高度自動(dòng)化的控制系統(tǒng)來(lái)控制這個(gè)電動(dòng)的MPD節(jié)流時(shí)，專注于安全與持續(xù)的過(guò)程控制。
該系統(tǒng)還允許對(duì)關(guān)鍵的子任務(wù)如接單根進(jìn)行定制和自動(dòng)化設(shè)計(jì)，以滿足最高水平的持續(xù)作業(yè)，在最大程度地提高M(jìn)PD系統(tǒng)執(zhí)行精度的同時(shí)，最大程度地縮短接單根時(shí)間。在以連續(xù)平穩(wěn)的泵升速度自動(dòng)執(zhí)行每次的泵速提升時(shí)，這讓配置一個(gè)MPD控制系統(tǒng)優(yōu)化每次接單根時(shí)的壓力控制精度成為一項(xiàng)簡(jiǎn)單而容易的任務(wù)。
當(dāng)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，司鉆操作的MPD控制系統(tǒng)，由于其將員工需求縮減至了最少，所以，提高了作業(yè)績(jī)效，作業(yè)的連續(xù)性和一致性也得到了提高，同時(shí)，還大幅降低了作業(yè)成本。與其在現(xiàn)場(chǎng)投入專業(yè)的MPD作業(yè)人員進(jìn)行操控，倒不如由鉆井承包商提供MPD服務(wù)，而原始設(shè)備制造商（OEM）則可提供維護(hù)和遠(yuǎn)程支持，以現(xiàn)有的技術(shù)與設(shè)施利用好設(shè)備的專長(zhǎng)。
系統(tǒng)測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
與該系統(tǒng)中提出的任何系統(tǒng)的復(fù)雜性一樣，為了驗(yàn)證該系統(tǒng)在預(yù)計(jì)將要部署的應(yīng)用案例中的總體效果和可用性，科研人員對(duì)研發(fā)效果進(jìn)行了測(cè)試。只有在評(píng)價(jià)了這些應(yīng)用案例且核實(shí)了來(lái)自類似系統(tǒng)的績(jī)效數(shù)據(jù)之后，該系統(tǒng)才能進(jìn)入下一個(gè)階段。
MPD控制系統(tǒng)是在一個(gè)硬件閉環(huán)的模擬器中進(jìn)行的擴(kuò)展性測(cè)試，其中包括了一個(gè)能在模擬環(huán)境中提供真實(shí)反饋的虛擬井筒，這能使該系統(tǒng)在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行功能性和穩(wěn)健性測(cè)試。所有需要安裝在AOS中的新的應(yīng)用都在一個(gè)質(zhì)量保證的實(shí)驗(yàn)室中完成了廣泛的測(cè)試。建立這個(gè)實(shí)驗(yàn)室是為了發(fā)現(xiàn)和探明應(yīng)用中的不穩(wěn)定性，重要的是要確保某項(xiàng)應(yīng)用不會(huì)將不穩(wěn)定因素引入到AOS中。一旦一項(xiàng)應(yīng)用通過(guò)了質(zhì)量保證測(cè)試，就可在一個(gè)實(shí)時(shí)的系統(tǒng)上進(jìn)行部署。
在一個(gè)先進(jìn)的技術(shù)研發(fā)中心對(duì)整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試，該中心是為測(cè)試和驗(yàn)證新技術(shù)而設(shè)計(jì)的。測(cè)試設(shè)施包括了一部配有最先進(jìn)鉆井設(shè)備的全尺寸陸上鉆機(jī)和“有線鉆桿”，以實(shí)時(shí)解釋井下壓力。
測(cè)試期間，AOS被配置為執(zhí)行多個(gè)自動(dòng)任務(wù)序列，而MPD控制系統(tǒng)自動(dòng)保持一個(gè)恒定的井底壓力。圖4中，自動(dòng)操控系統(tǒng)正運(yùn)行一系列鉆井接單根作業(yè)，而MPD系統(tǒng)則進(jìn)行壓力控制。該AOS的一個(gè)關(guān)鍵作用是在操作鉆井設(shè)備過(guò)程中確保作業(yè)的連貫性、一致性和可重復(fù)性，這可帶來(lái)更加穩(wěn)定和精準(zhǔn)的壓力控制，這一點(diǎn)圖3中則看的很清楚。（圖中線色表示，褐紅色：流量/流速；青色：大鉤位置；綠色/藍(lán)色：MPD節(jié)流壓力；黑色/紅色：采自“有線鉆桿”的井下壓力）。
該組合系統(tǒng)被安裝在一部先進(jìn)的陸上鉆機(jī)上。由于在井與井之間和平臺(tái)與平臺(tái)之間無(wú)需任何大的組裝，因此，安裝這樣的MPD節(jié)流系統(tǒng)非常便于鉆機(jī)移動(dòng)。經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)人員可以在現(xiàn)場(chǎng)協(xié)助安裝，并就如何操作該系統(tǒng)對(duì)司鉆進(jìn)行培訓(xùn)。圖4示意了AOS屏幕上演示的MPD應(yīng)用。
部分安裝包括在AOS環(huán)境下安裝的MPD應(yīng)用，這使得MPD可以共享AOS網(wǎng)絡(luò)上所有應(yīng)用所需的高性能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。例如調(diào)整泵效、監(jiān)測(cè)鉆頭深度以及調(diào)整泥漿密度這類簡(jiǎn)單的任務(wù)都可在AOS的應(yīng)用間平等的共享。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間，司鉆可以根據(jù)流量設(shè)定目標(biāo)壓力，監(jiān)測(cè)節(jié)流效果，判斷是否存在缺陷，以及利用類似的AOS所擁有的其它應(yīng)用的熟知度與培訓(xùn)來(lái)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。
重要的是該行業(yè)正在不斷推進(jìn)MPD系統(tǒng)與現(xiàn)有鉆井控制系統(tǒng)的整合。作為標(biāo)準(zhǔn)操作程序的一部分，而不是試圖控制一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)互無(wú)關(guān)聯(lián)的部分，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)將會(huì)在主司鉆屏幕上提供必要的MPD數(shù)據(jù)，使司鉆能夠有效的監(jiān)測(cè)和控制MPD參數(shù)。MPD控制系統(tǒng)的真正整合將會(huì)以一種更可持續(xù)的價(jià)格為后運(yùn)行的優(yōu)化提供更好的整體性能和相關(guān)數(shù)據(jù)，促進(jìn)更多的采用和更多的接受這種績(jī)效增強(qiáng)型的鉆井工具。
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