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文檔簡介

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(fēng)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(shù)的采用一直較慢,其向自動化和機(jī)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(shù),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(fù)雜性,謹(jǐn)慎行事是完全可以理解的。然而,隨著鉆井自動化進(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(fēng)險以及整體優(yōu)化的鉆井工藝。現(xiàn)代鉆機(jī)的進(jìn)步離不開自動化    整體而言,現(xiàn)代鉆機(jī)在技術(shù)方面比以往任何時候都更為先進(jìn)。通過廣泛采用交流變頻電驅(qū)動鉆機(jī)、電子司鉆、PLC控制系統(tǒng)、頂驅(qū)裝置、鐵鉆工、自動排管裝置以及機(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)能夠在起鉆時進(jìn)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(shù)也已被油田所采用,使得可以在

3、鉆臺上集成多種機(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。美國H&P鉆井公司在其FlexRig鉆機(jī)上裝配了電子司鉆后,通過應(yīng)用計算機(jī)、軟件和觸摸屏控制裝置來監(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(jìn)了一步。電子司鉆與VFD(變頻驅(qū)動)的結(jié)合應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)再生制動效果,取代機(jī)械制動裝置,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。    自動送鉆裝置也在不斷發(fā)展,通過應(yīng)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(dá)30%。目前通過與各種傳感器、計算機(jī)和數(shù)據(jù)采集

4、系統(tǒng)一起使用,先進(jìn)的自動送鉆裝置能夠連續(xù)的同時監(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(jìn)的送鉆裝置鉆井時機(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,另一個使鉆井人員激動的領(lǐng)域是井下活動的自動化及其與地面設(shè)備的集成。眾多業(yè)內(nèi)人士已不再僅僅局限于對井下自動化充滿好奇,而是真正的想使其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。       井下測量技術(shù)日益發(fā)展,

5、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(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)則使井下鉆井過程與地面自動化設(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,比如井眼縮徑檢測及自動機(jī)械鉆速控制等。    過去幾年間,Aker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(jié)果可以與一種CADS(可配置自動鉆井順序)軟件工具相集成

6、,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(shè)備。    還有一個鉆井自動化項(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導(dǎo)航裝置,就像是用于航空和航海界的無人導(dǎo)向系統(tǒng),Drilltronics裝置的最終目標(biāo)是能夠應(yīng)用計算機(jī)模型來控制鉆井設(shè)備,以便可以對鉆井工藝過程進(jìn)行分析。StatoilHydro、BP、ENI和國民油井華高公司都是該項(xiàng)目的參與者。該項(xiàng)目的成員們正在對鉆井過程進(jìn)行建模,以便能夠?qū)崿F(xiàn)自動化或是減小風(fēng)險,其中

7、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(jī)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(yùn)行速度,計算機(jī)或是通知司鉆應(yīng)該所處的安全“包線”范圍,或是在實(shí)際上對設(shè)備進(jìn)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(shí)時井下數(shù)據(jù)將用來連續(xù)校正計算機(jī)。    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(yàn),根據(jù)IRIS公司的報道,在對12 ¼英寸和8 ½英寸井段進(jìn)行開窗側(cè)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(jìn)行了測試,在鉆入

8、儲層后對Drilltronics裝置進(jìn)行了試驗(yàn),沒有出現(xiàn)任何問題。目前專家們正在對該模型進(jìn)行進(jìn)一步的研究,不久便會再次對其進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。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(fù)雜的技術(shù)在低成本環(huán)境中工作的途徑。例如,對于許多陸上鉆機(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著設(shè)備供應(yīng)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(shí)例是鐵架工,也就是安裝在井架上的一種排管裝置,它使用一個機(jī)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

9、。從過去的工業(yè)事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看,井架工是鉆機(jī)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(dāng)結(jié)合應(yīng)用鐵鉆工、動力大鉗和頂驅(qū)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(jìn)行控制,不需要有人待在危險的位置。而具有機(jī)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(jìn)行。    另外,在過去的5年間,頂部驅(qū)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(bǔ)償器,這類遠(yuǎn)程控制裝置能實(shí)現(xiàn)無人下套管作業(yè),具有明

10、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(jìn)行循環(huán)、做起下和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,從而可以用套管對井眼中的問題井同時進(jìn)行劃眼和鉆進(jìn)?!鞍匆幌掳粹o,鉆一口井?!蔽磥?,人們完全有理由相信這個夢想會成為現(xiàn)實(shí)。本文繼續(xù)展望世界鉆井自動化地面/井下集成鉆井自動化的發(fā)展。 知識經(jīng)驗(yàn)的傳承限制自動化進(jìn)程    在鉆井作業(yè)中發(fā)揮自動化或機(jī)械化最大優(yōu)勢,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,大部分廠家都對自動化設(shè)備沒有經(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間才能編制完成;裝配到鉆機(jī)上的設(shè)備幾乎事先都沒在現(xiàn)場使用過,且也沒有進(jìn)行過全方位的實(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)致裝有自動化設(shè)備的鉆機(jī)效率還沒有人工操作的鉆機(jī)效率高。    這類問題現(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)商投入了更多的時間和精力在運(yùn)抵現(xiàn)場之前對其設(shè)備進(jìn)行檢測,諸如閉環(huán)硬件(HIL)檢測等技術(shù)也已被用于用控制裝置的實(shí)際硬件來對軟件進(jìn)行檢測。整體而言,當(dāng)今的新型海

12、洋鉆機(jī)都已沒有大的工作問題;同時,針對新設(shè)備,各公司都加強(qiáng)了對相關(guān)人員的事先培訓(xùn),且在一臺鉆機(jī)上所學(xué)到的知識又可以應(yīng)用到另一臺鉆機(jī)上,從而形成良性改進(jìn)循環(huán)?,F(xiàn)在的問題就是要穩(wěn)步可靠的引入新設(shè)備,且要牢記,在首次引入新設(shè)備時總是會遇到一些相關(guān)問題。比如,馬士基鉆井公司初次應(yīng)用其自升式鉆井平臺MÆRSK INNOVATOR時,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)該公司后來開始應(yīng)用其姊妹鉆機(jī)MÆRSK INSPIRER時,第一臺鉆機(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)過必要的培訓(xùn),也一定要善于接受新知識和新技術(shù),因?yàn)槲覀儾豢赡茉诿總€第一次都把事情做的百分之百正確。遠(yuǎn)程作業(yè)與無人鉆機(jī)為時不遠(yuǎn)    展望未來,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,無論如何,鉆井工業(yè)都已真正開始探索鉆機(jī)遠(yuǎn)程操作的可能性。如果能夠從司鉆控制室對鉆臺設(shè)備進(jìn)行控制的話,那么從理論上說也應(yīng)該能夠從成百或上千英里以外對其進(jìn)行控制。這一理論早在2004年就已得到了證實(shí),當(dāng)時國民油井M/D Totco公司和斯倫貝謝公司通過從英國的劍橋發(fā)送指令而在美國的德克薩斯州進(jìn)行鉆井,在鉆井過程中應(yīng)用了遠(yuǎn)程聯(lián)接自動控制技術(shù)(D

14、rillLink)將遠(yuǎn)程信號傳送到鉆機(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。自動化和遠(yuǎn)程作業(yè)使人們對未來充滿了希望,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力,我們不禁要問,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關(guān)鍵要素,即標(biāo)準(zhǔn)化。無論是地下設(shè)備還是地面設(shè)備皆如此,都還缺少使供貨商對所有操作實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化這一關(guān)鍵要素,當(dāng)前也沒有什么動力來推動鉆井工業(yè)界對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,同時也沒

15、有一個“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,自動化的目標(biāo)真的是要在鉆機(jī)上投放更少的人員(或無人)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,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,自動化并不是要求“要么全有要么全無”,根據(jù)鉆井環(huán)境的不同,對不同的自動化程度有著許多不

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