世界鉆井自動(dòng)化的發(fā)展與展望

1、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

2、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?，F(xiàn)代鉆機(jī)的進(jìn)步離不開(kāi)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

3、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(jiàn)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

4、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(kāi)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，

5、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(kāi)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，Aker公司一直與SINTEF、HPD 和 StatoilHydro公司共同開(kāi)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(kāi)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

6、，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

7、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(kāi)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

8、儲(chǔ)層后對(duì)Drilltronics裝置進(jìn)行了試驗(yàn)，沒(méi)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

9、。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

10、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)?！鞍匆幌掳粹o，鉆一口井?！蔽磥?lái)，人們完全有理由相信這個(gè)夢(mèng)想會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。本文繼續(xù)展望世界鉆井自動(dòng)化地面/井下集成鉆井自動(dòng)化的發(fā)展。 知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的傳承限制自動(dòng)化進(jìn)程    在鉆井作業(yè)中發(fā)揮自動(dòng)化或機(jī)械化最大優(yōu)勢(shì)，仍有許多障礙，其中最大的障礙之一就是我們自己。    在上世紀(jì)90年代，許多第一代深水鉆機(jī)建造期間，大部分廠家都對(duì)自動(dòng)化設(shè)備沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，許多人在這方面都留下了痛苦的回憶，幾乎每臺(tái)鉆機(jī)都是客戶定制的，

11、控制鉆機(jī)所需的軟件數(shù)量巨大，通常都要花兩年的時(shí)間才能編制完成；裝配到鉆機(jī)上的設(shè)備幾乎事先都沒(méi)在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)，且也沒(méi)有進(jìn)行過(guò)全方位的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，這就導(dǎo)致了大量的停機(jī)時(shí)間和維護(hù)困難；在鉆機(jī)上所需要的人員不是設(shè)想的那樣更少，而是需要更多且技能更好的人員參與操作；這就導(dǎo)致裝有自動(dòng)化設(shè)備的鉆機(jī)效率還沒(méi)有人工操作的鉆機(jī)效率高。    這類問(wèn)題現(xiàn)在都已不存在了。相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟，相關(guān)人員已學(xué)會(huì)如何維護(hù)和修理復(fù)雜的設(shè)備，且供應(yīng)商投入了更多的時(shí)間和精力在運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)之前對(duì)其設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，諸如閉環(huán)硬件（HIL）檢測(cè)等技術(shù)也已被用于用控制裝置的實(shí)際硬件來(lái)對(duì)軟件進(jìn)行檢測(cè)。整體而言，當(dāng)今的新型海

12、洋鉆機(jī)都已沒(méi)有大的工作問(wèn)題；同時(shí)，針對(duì)新設(shè)備，各公司都加強(qiáng)了對(duì)相關(guān)人員的事先培訓(xùn)，且在一臺(tái)鉆機(jī)上所學(xué)到的知識(shí)又可以應(yīng)用到另一臺(tái)鉆機(jī)上，從而形成良性改進(jìn)循環(huán)?，F(xiàn)在的問(wèn)題就是要穩(wěn)步可靠的引入新設(shè)備，且要牢記，在首次引入新設(shè)備時(shí)總是會(huì)遇到一些相關(guān)問(wèn)題。比如，馬士基鉆井公司初次應(yīng)用其自升式鉆井平臺(tái)MÆRSK INNOVATOR時(shí)，其操作人員就缺乏經(jīng)驗(yàn)和能力，而當(dāng)這些人員積累了一定的經(jīng)驗(yàn)以后，設(shè)備的工作效率便大為提升。而且，當(dāng)該公司后來(lái)開(kāi)始應(yīng)用其姊妹鉆機(jī)MÆRSK INSPIRER時(shí)，第一臺(tái)鉆機(jī)的操作經(jīng)驗(yàn)便被傳授給操作人員，使他們能夠應(yīng)用已有的知識(shí)操作新鉆機(jī)。但始終要記住一點(diǎn)，即使一

13、位有經(jīng)驗(yàn)的員工已經(jīng)經(jīng)過(guò)必要的培訓(xùn)，也一定要善于接受新知識(shí)和新技術(shù)，因?yàn)槲覀儾豢赡茉诿總€(gè)第一次都把事情做的百分之百正確。遠(yuǎn)程作業(yè)與無(wú)人鉆機(jī)為時(shí)不遠(yuǎn)    展望未來(lái)，一些正在浮現(xiàn)的新技術(shù)是很重要的，比如有線鉆桿和單板電腦（SBC）等，無(wú)論如何，鉆井工業(yè)都已真正開(kāi)始探索鉆機(jī)遠(yuǎn)程操作的可能性。如果能夠從司鉆控制室對(duì)鉆臺(tái)設(shè)備進(jìn)行控制的話，那么從理論上說(shuō)也應(yīng)該能夠從成百或上千英里以外對(duì)其進(jìn)行控制。這一理論早在2004年就已得到了證實(shí)，當(dāng)時(shí)國(guó)民油井M/D Totco公司和斯倫貝謝公司通過(guò)從英國(guó)的劍橋發(fā)送指令而在美國(guó)的德克薩斯州進(jìn)行鉆井，在鉆井過(guò)程中應(yīng)用了遠(yuǎn)程聯(lián)接自動(dòng)控制技術(shù)（D

14、rillLink）將遠(yuǎn)程信號(hào)傳送到鉆機(jī)控制系統(tǒng)上。這種聯(lián)接技術(shù)還被應(yīng)用到墨西哥灣等地進(jìn)行與地下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的通信以控制定向井的軌跡。自動(dòng)化和遠(yuǎn)程作業(yè)使人們對(duì)未來(lái)充滿了希望，然而，如果考慮到鉆井工業(yè)界在這些技術(shù)上所投入的精力與財(cái)力，我們不禁要問(wèn)，我們真的需要能夠自主作業(yè)的獨(dú)立鉆機(jī)嗎？這一點(diǎn)有可能實(shí)現(xiàn)嗎？    首先，專家們都認(rèn)為離實(shí)現(xiàn)自主鉆機(jī)已經(jīng)很近了，目前只是還缺少一個(gè)關(guān)鍵要素，即標(biāo)準(zhǔn)化。無(wú)論是地下設(shè)備還是地面設(shè)備皆如此，都還缺少使供貨商對(duì)所有操作實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化這一關(guān)鍵要素，當(dāng)前也沒(méi)有什么動(dòng)力來(lái)推動(dòng)鉆井工業(yè)界對(duì)各種鉆頭及其它部件的不同尺寸和操作理念進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)也沒(méi)

15、有一個(gè)“領(lǐng)頭羊”向鉆井工業(yè)推介用于鉆井的“微軟視窗”系統(tǒng)。其次，自動(dòng)化的目標(biāo)真的是要在鉆機(jī)上投放更少的人員（或無(wú)人）嗎？答案是否定的。機(jī)器只適合于某些類型的工作，主要是重復(fù)性工作以及人員所不能夠做到的、需要一定精度或具有一定復(fù)雜性的工作。所以，當(dāng)機(jī)器做這類工作時(shí)，并不意味著就能向鉆機(jī)上派遣更少的人員，其目的是想使這些重復(fù)性工作簡(jiǎn)單化，以便使鉆井人員能夠集中于鉆機(jī)上更為復(fù)雜的和更適合由人員來(lái)控制的一些變量。在某種情況下，定向鉆井公司需要培訓(xùn)其鉆井人員如何安裝井下工具，以便使負(fù)責(zé)定向鉆井的司鉆能夠在遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行工作。類似這樣的情況確實(shí)可以幫助鉆井作業(yè)商，減少與人員旅行相關(guān)的費(fèi)用并改善其鉆井人員的安全性。    最后，自動(dòng)化并不是要求“要么全有要么全無(wú)”，根據(jù)鉆井環(huán)境的不同，對(duì)不同的自動(dòng)化程度有著許多不