未來(lái)的全自動(dòng)鉆井技術(shù)的展望

  挪威國家石油公司正在致力于各個(gè)子系統的研發(fā)，以便加裝到總系統中。他們相信通過(guò)一系列的技術(shù)努力，一種新的、全自動(dòng)的鉆井系統會(huì )在不久的將來(lái)成為現實(shí)。兩種解決方案是Dri11tronics和econtrol/eDrilling(電子控制/電子鉆井)概念。

 

  該技術(shù)是一種技術(shù)集合，是技術(shù)綜合應用的問(wèn)題。設計自動(dòng)鉆井系統是大勢所趨，因為它可加快鉆井進(jìn)程。未來(lái)鉆井概念的基礎是采用高速遙測鉆桿，高速遙測鉆桿正處在形成商業(yè)化產(chǎn)品的階段。自動(dòng)鉆井系統應當具備優(yōu)化鉆井作業(yè)的功能，具體包括：能夠加快鉆進(jìn)/起下鉆的作業(yè)速度；能夠放慢鉆進(jìn)/起下鉆的作業(yè)速度；能夠更容易監測溢流，有利于井控；實(shí)現自動(dòng)開(kāi)泵/停泵；實(shí)現自動(dòng)鉆井液監測；能夠高效應用遙測鉆桿，即實(shí)時(shí)采集井下數據；實(shí)現鉆井過(guò)程的自動(dòng)化，始終正確地處理井眼問(wèn)題，減少人為失誤，使非生產(chǎn)時(shí)間降低到最低程度。

 

  1.Drilltronics

 

  該系統采用動(dòng)態(tài)過(guò)程模型模擬井內流動(dòng)與鉆柱動(dòng)力學(xué)，采用先進(jìn)的粘性恒溫物理流變動(dòng)力學(xué)模型模擬固相輸送與狀態(tài)方程，扭矩與摩阻模擬則是基于“軟繩”模型，采用預先開(kāi)發(fā)的鉆井數據完善系統對動(dòng)力學(xué)測量數據進(jìn)行預處理，從而篩選并導出模型需要的輸入數據。流動(dòng)模型解是一個(gè)半隱含矩陣解，明顯與水體轉移有關(guān)，從而可實(shí)時(shí)獲得復雜流動(dòng)的解，通過(guò)采用卡爾曼濾波技術(shù)完成模擬計算，其中壓力校正采用了相似流動(dòng)摩擦系數。

 

  2.現場(chǎng)測試

 

  挪威國家石油公司于2008年1月對一套用于優(yōu)化鉆進(jìn)控制的新系統進(jìn)行了一次全尺寸的現場(chǎng)測試，該試驗是在挪威國家石油公司位于挪威大陸架的Statfjord地區的C平臺上進(jìn)行的，此次測試則使用了主動(dòng)式的。該系統的工作情況令人滿(mǎn)意，達到了預期的效果，在主動(dòng)控制模式測試期間沒(méi)有發(fā)生HSE事故。同時(shí)表明，該系統的人-機界面需要進(jìn)行一些改進(jìn)。此后，對其它的主動(dòng)控制模塊也進(jìn)行了測試。

 

  （1）摩阻測試模塊

 

  該模塊由許多編程的井內摩阻自動(dòng)測試組成，井內摩阻與鉆柱上提、下放以及是否旋轉有關(guān)，對該模塊進(jìn)行編程還可使其具備自動(dòng)擴劃眼功能。對動(dòng)力學(xué)測量數據的自動(dòng)分析會(huì )給出井內摩阻情況，摩阻變化趨勢分析則會(huì )表明鉆屑的聚集情況、井眼穩定情況和井眼質(zhì)量狀況。該模塊在鉆進(jìn)期間的每次接單根時(shí)都得到了應用。

 

  （2）起下鉆/擴劃眼控制

 

  該模塊用來(lái)限制鉆柱起下的速度與加速度，以避免產(chǎn)生過(guò)高的激動(dòng)壓力與抽汲壓力，即“跑出”孔隙/破裂壓力窗口，起下鉆控制有助于避免溢流、地層破裂與井漏發(fā)生；擴劃眼控制可限制鉆柱的旋轉速度從而避免倒扣/卡鉆，將操縱桿“開(kāi)到家”。該模塊便會(huì )將起下鉆/擴劃眼的速度控制在安全的范圍內。該模塊在裸眼起下鉆過(guò)程中和摩阻自動(dòng)測試期間得到了應用。

 

  （3）開(kāi)泵

 

  該模塊可控制泵排量由小到大逐漸增加到合適的值，以免井內壓力超過(guò)地層破裂壓力引發(fā)鉆井液漏失。該模塊包括半自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式，在此次先導試驗中，每次接單根時(shí)都應用了半自動(dòng)優(yōu)化功能。

 

  3.窄壓力窗口

 

  挪威國家石油公司的供應商正在研發(fā)244.5mm與177.8mm旋轉導向尾管鉆井系統。該系統包含一個(gè)全套的鉆井工具包，通過(guò)帶膨脹管的導向尾管鉆井技術(shù)和控制壓力鉆井技術(shù)的聯(lián)合應用，今天的許多鉆井疑難問(wèn)題都可以得到解決。

 

  4.eControl/eDri11ing(電子控制/電子鉆井)

 

  eDri1ling是一種新型的鉆井仿真系統，三維可視與來(lái)自遠程鉆井專(zhuān)家中心的控制是eControl的技術(shù)基礎，它是一套鉆機監視、優(yōu)化與控制系統，運用先進(jìn)的鉆井過(guò)程模型可實(shí)現井眼的三維可視。

 

  事實(shí)上，Wellbore是該系統的關(guān)鍵要素，它具備先進(jìn)的井下過(guò)程可視化功能，即它是能夠顯示所有鉆井與鉆井作業(yè)有關(guān)情況的新的、開(kāi)放的三維可視設備，下一代的可視系統設計，可實(shí)現所有參與者共享，進(jìn)一步增強全球范圍內所有鉆井與鉆井活動(dòng)的整體性。該系統的開(kāi)放結構允許設備供應商、服務(wù)公司、承包商與甲方通過(guò)標準界面聯(lián)系溝通，由于可以采用帶纜鉆桿與類(lèi)似技術(shù)，因此，將該系統設計為能夠處理高流量數據流。

 

  整個(gè)鉆井過(guò)程的實(shí)時(shí)可視化具體包括：實(shí)時(shí)井眼軌跡、實(shí)時(shí)鉆遇地層、實(shí)時(shí)隨鉆地震信息(尚未完成)、通過(guò)觀(guān)察計數器/BHA了解實(shí)時(shí)井深、“觀(guān)察”鉆頭與工具通過(guò)類(lèi)似BOP或套管鞋等限制區域，并將這些實(shí)時(shí)數據實(shí)時(shí)傳輸給實(shí)時(shí)處理軟件，對鉆井作業(yè)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬、分析、優(yōu)化，即在繼續鉆進(jìn)過(guò)程中觀(guān)察井眼壓力剖面并進(jìn)行壓力預測，以三維的方式記錄、回放整個(gè)鉆井作業(yè)情況。

 

  5.控制壓力鉆井(MPD)

 

  MPD是自動(dòng)鉆井不可或缺的一個(gè)重要組成部分，正如我們所知道的那樣，MPD的具體做法在全球各地存在一定的差異，尤其在墨西哥灣地區這一現象更為突出，挪威國家石油公司目前沒(méi)有在墨西哥灣的開(kāi)發(fā)項目，但已經(jīng)形成了進(jìn)入墨西哥灣地區的大量的意向性文件。

 

  自動(dòng)MPD方案能夠克服“人為因素”形成的阻礙，他們也正在考慮接/卸單根期間連續循環(huán)的可行性解決方案，現有典型的雙梯度系統需要輸送相對大量的液體來(lái)補償接單根期間的ECD效應，如CircSub、NOV’sCCV或其它連續循環(huán)系統能夠減少接單根時(shí)間。

 

  6.連續液體/鉆屑測量

 

  鉆井液與鈷屑性能的實(shí)時(shí)監視與測量對于全自動(dòng)鉆井系統也是十分必要的，因為鉆井液與鉆屑性能的實(shí)時(shí)監視與測量會(huì )影響到如ROP、ECD、MPD等的實(shí)時(shí)鉆井參數，并改善決策水平，此外，它對遙控鉆井也是必不可少的。

 

  地球物理服務(wù)股份有限公司正在聯(lián)合挪威國家石油公司開(kāi)發(fā)上述的一套全自動(dòng)系統，目的是使該系統的可靠程度進(jìn)一步增強。這一特殊的系統將負責測量鉆井液的粘度、電穩定性、失水、密度、H2S、PH、固相顆粒級配與含量等。該系統還將測量：鉆屑體積、井眼坍塌監視(形狀特點(diǎn))和鉆屑礦物成分(采用拉曼光譜學(xué)原理)。

 

  7.鉆井作業(yè)追蹤系統(DOTS)

 

  挪威國家石油公司還在與Trac ID Systems AS公司合作開(kāi)發(fā)一種全自動(dòng)鉆桿追蹤系統，第一代產(chǎn)品主要任務(wù)是追蹤鉆桿進(jìn)、出井眼，第二代產(chǎn)品還將包括每個(gè)鉆桿單根的應用歷史追蹤。該公司已經(jīng)形成了一種ATEX-certi-fied DOTS方案設計，包括常規海洋鉆機鉆臺上的集成RFID天線(xiàn)系統以及相關(guān)的支持軟件。

 

  RFID異頻雷達收發(fā)安裝技術(shù)是一項成熟技術(shù)，已經(jīng)得到了一家大的鉆桿租賃公司的使用與驗證，異頻雷達收發(fā)機已經(jīng)根據ATEX規范獲得了鑒定認證，每套異頻雷達收發(fā)機都有自己的ATEX證書(shū)。異頻雷達收發(fā)機是被動(dòng)形式的，試驗證明其可承受勘探開(kāi)發(fā)油氣井中的溫度與壓力，對異頻雷達收發(fā)機的測試與驗證采用了一套專(zhuān)門(mén)的測試鉆機。

 

  鉆井作業(yè)追蹤系統還包含了一個(gè)軟件工具，負責每個(gè)鉆桿單根所有技術(shù)數據、文件、應用歷史記錄、管理編碼等信息的通訊與匯總以及自動(dòng)計數。

 

  8.尾管鉆井

 

  鉆穿地層壓力變化巨大的層段或者鉆穿具有窄壓力窗口的層段一直是一項很棘手的作業(yè)，旋轉導向尾管鉆井系統近期可望研制成功。      挪威國家石油公司計劃將上述簡(jiǎn)要介紹的所有技術(shù)全部集成到自動(dòng)鉆井系統中，靈活的適應性是一個(gè)關(guān)鍵的事情，這項任務(wù)的難點(diǎn)之一是系統應該具備兼容未來(lái)新的發(fā)展的能力，從而可覆蓋原有的系統顯而易見(jiàn)。該系統的中心計算機必須基于INTERNET界面，確保所有的數據與信息得到正確的處置，他們正在規劃這樣的一套系統，計劃在2009年進(jìn)行先導試驗，最為關(guān)鍵的問(wèn)題是將不同的系統整合到一起。