地面/井下集成鉆井自動化穩(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，人們愿意投資成百上千萬美元（如果是深水鉆井的話則要投資過億美元乃至更多）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險固然極大，假若一旦成功，其所得的回報會更高。從歷史上講，石油鉆井工業(yè)對新技術的采用一直較慢，其向自動化和機械化發(fā)展的道路漫長而艱辛。一般而言，各公司都不愿率先嘗試新技術，而是希望別的公司先試用，視其效果好壞再決定是否采用。

    考慮到石油天然氣鉆井工業(yè)的高昂成本和復雜性，謹慎行事是完全可以理解的。然而，隨著鉆井自動化進程的緩慢發(fā)展，鉆井承包商和各服務公司都已逐步認識到鉆井自動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、更小的風險以及整體優(yōu)化的鉆井工藝。

    現(xiàn)代鉆機的進步
    離不開自動化

    整體而言，現(xiàn)代鉆機在技術方面比以往任何時候都更為先進。通過廣泛采用交流變頻電驅動鉆機、電子司鉆、PLC控制系統(tǒng)、頂驅裝置、鐵鉆工、自動排管裝置以及機械化貓道等先進設備，現(xiàn)代鉆機不再依賴手工操作和低效率不精確的機械化系統(tǒng)。

    先進的頂驅裝置使鉆機能夠在起鉆時進行倒劃眼作業(yè)，從而更適合于鉆較長的水平井段和大位移井。PLC（可編程邏輯控制）技術也已被油田所采用，使得可以在鉆臺上集成多種機械裝置，并使司鉆能夠在全天候的司鉆控制室內遠程協(xié)調控制各種鉆井活動。美國H&P鉆井公司在其FlexRig鉆機上裝配了電子司鉆后，通過應用計算機、軟件
和觸摸屏控制裝置來監(jiān)控和調整多項鉆井參數(shù)、優(yōu)化鉆井工藝并減少或消除了長期困擾鉆井工業(yè)的一些常見問題，使鉆井工業(yè)自動化又向前邁進了一步。電子司鉆與VFD（變頻驅動）的結合應用可實現(xiàn)再生制動效果，取代機械制動裝置，實現(xiàn)更精確和更穩(wěn)定的控制且減輕司鉆的體力負荷。

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

    除了地面設備和鉆機機械化以外，另一個使鉆井人員激動的領域是井下活動的自動化及其與地面設備的集成。眾多業(yè)內人士已不再僅僅局限于對井下自動化充滿好奇，而是真正的想使其變?yōu)楝F(xiàn)實。井下測量技術日益發(fā)展，使作業(yè)人員對井眼情況有了更為清晰的了解；有線鉆桿技術也有了重大突破，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)則使井下鉆井過程與地面自動化設備間的連接有了很大的進步。有多家公司正在開發(fā)將標準作業(yè)與控制系統(tǒng)相互集成的工作，比如井眼縮徑檢測及自動機械鉆速控制等。

    過去幾年間，Ak e r 公司一直與SINTEF、HPD 和 StatoilHydro公司共同開發(fā)一種應用井眼可視技術和鉆井工藝模型來優(yōu)化并控制鉆井的系統(tǒng)，試圖研制出一種自動鉆井順序裝置，將井下測量數(shù)據(jù)集成到一種在線決策支持工具中去。這種開發(fā)結果可以與一種CADS（可配置自動鉆井順序）軟件工具相集成，用以控制整個的鉆井順序。比如鉆井人員只需按一個用于起鉆的按鈕，該控制系統(tǒng)便會完成起鉆順序中的每一個步驟。而在以前，這需要操作員的許多介入才能啟動和停止不同的設備。還有一個鉆井自動化項目就是Drilltronics裝置的研制，參與研制者試圖制造出一種鉆井自動導航裝置，就像是用于航空和航海界的無人導向系統(tǒng)，Drilltronics裝置的最終目標是能夠應用計算機模型來控制鉆井設備，以便可以對鉆井工藝過程進行分析。StatoilHydro、BP、ENI和國民油井華高公司都是該項目的參與者。該項目的成員們正在對鉆井過程進行建模，以便能夠實現(xiàn)自動化或是減小風險，其中的大部分工作都集中于對井下壓力的研究。例如，專家們已經(jīng)建立了一種計算機模型，這種模型能夠確定泥漿泵在啟動時不損壞地層的最大運行速度，計算機或是通知司鉆應該所處的安全“包線”范圍，或是在實際上對設備進行控制，使司鉆不能意外地按動按鈕，無意地超過最大速度。理想的情況是實時井下數(shù)據(jù)將用來連續(xù)校正計算機。

    Drilltronics裝置于2008年就已在北海水域的Statfjord C鉆井平臺上完成了現(xiàn)場試驗，根據(jù)IRIS公司的報道，在對12 ¼英寸和8 ½英寸井段進行開窗側鉆時對起下鉆控制、半自動泥漿泵啟動以及自動摩擦檢測等模塊進行了測試，在鉆入儲層后對Drilltronics裝置進行了試驗，沒有出現(xiàn)任何問題。目前專家們正在對該模型進行進一步的研究，不久便會再次對其進行現(xiàn)場試驗。

    操作簡化、
    注重安全成為趨勢

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

    此類簡化的一個典型實例是鐵架工，也就是安裝在井架上的一種排管裝置，它使用一個機械臂來提升和排放鉆桿和鉆鋌，消除了人工井架工在二層平臺上工作的需要。從過去的工業(yè)事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，井架工是鉆機上最危險的工種，所以鐵架工能給井隊帶來明顯的安全利益。

    當結合應用鐵鉆工、動力大鉗和頂驅裝置時，司鉆就可以在司鉆控制臺處對日常的鉆井作業(yè)進行控制，不需要有人待在危險的位置。而具有機械臂的鐵幫手則可以在鉆桿過井架大門移向井眼中心時控制鉆桿的靠近狀態(tài)，有助于下套管作業(yè)的順利進行。
 
    另外，在過去的5年間，頂部驅動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裝置將多個下套管工具融為一體，包括動力大鉗、吊卡充填/循環(huán)工具以及重量補償器，這類遠程控制裝置能實現(xiàn)無人下套管作業(yè)，具有明顯的安全優(yōu)勢，且同時還具有鉆井優(yōu)勢，人們可以在井眼中利用套管進行循環(huán)、做起下和旋轉運動，從而可以用套管對井眼中的問題井同時進行劃眼和鉆進。