石油鉆井自動化技術(shù)探索

肖曉悅

（遼河石油勘探局通信公司，遼寧 盤錦 124010）

石油鉆機(jī)是油、氣田開發(fā)的鉆井設(shè)備，隨著鉆井方法、鉆井工藝的發(fā)展，鉆機(jī)裝備和技術(shù)也得到不斷地發(fā)展。當(dāng)今，國內(nèi)外廣泛采用的鉆井方法是旋轉(zhuǎn)鉆井法，相應(yīng)的鉆井設(shè)備為轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)。陸用轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)是鉆井設(shè)備的基本型式，通常所說的鉆機(jī)指的就是這種鉆機(jī)，也可稱為常規(guī)鉆機(jī)，隨著海洋石油勘探、開發(fā)事業(yè)的興起，陸用鉆并設(shè)備和造船技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了一大批各種類型的海洋鉆井設(shè)備。

1 鉆機(jī)的組成

石油鉆機(jī)是由多種機(jī)器設(shè)備組成，具有多種功能的成套性聯(lián)合工作機(jī)組。它主要包括旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、鉆具起升系統(tǒng)、動力機(jī)組、傳動和控制系統(tǒng)、底座和其他輔助設(shè)備等。

鉆井工藝對石油鉆機(jī)的基本要求是：

(1)起下鉆具能力：為了起下鉆具及處理井下事故等，石油鉆機(jī)要有一定的起重能力和起升速度，這由鉆機(jī)的起升系統(tǒng)承擔(dān)。

(2)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)能力：為了帶動鉆具、鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)等，石油鉆機(jī)要有一定的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。這由鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)承擔(dān)。

(3)循環(huán)洗井能力：為了保證正常鉆進(jìn)、沖洗井底及攜帶巖屑等，循環(huán)鉆井液要有一定的壓力和排量。這由鉆機(jī)的循環(huán)系統(tǒng)承擔(dān)。

為了滿足鉆井工藝要求，整套鉆機(jī)必須具備下列各系統(tǒng)和設(shè)備。

（1）起升系統(tǒng)

起升系統(tǒng)在鉆井過程中的主要作用是起下鉆具、下套管、懸持鉆具和鉆頭送進(jìn)等。這套設(shè)備由鉆井絞車、輔助剎車、游動系統(tǒng)(鋼絲繩、天車、游動滑車及大鉤)和井架組成。這實(shí)質(zhì)上就是一臺重型起重機(jī)。另外，還有用于起下鉆具操作的井口工具及機(jī)械化設(shè)備 (吊卡、卡瓦、動力大鉗、立根移運(yùn)機(jī)構(gòu)等)。

井架的作用是安放天車、懸掛游車、大鉤及專用工具(如吊鉗等)，在鉆井過程中進(jìn)行起下鉆具和下套管的操作。另外，起下鉆具過程中，可用以存放立根，其能容納立根的總長度稱為立根容量。

游動系統(tǒng)(鋼絲繩、天車、游動滑車及大鉤)可以大大降低快繩拉力，從而大為減輕鉆機(jī)紋車在鉆井各個作業(yè)(起下鉆、下套管、鉆進(jìn)、懸持鉆具)中的負(fù)荷和降低起升機(jī)組發(fā)動機(jī)應(yīng)配備的功率。

鉆井絞車的作用是：用于起下鉆具、下套管;鉆井過程中控制鉆壓，送進(jìn)鉆具，借助貓頭上、卸鉆具絲扣;起吊重物及進(jìn)行其他輔助工作;整體起放井架。

（2）旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在鉆井中的主要作用是帶動并中鉆具旋轉(zhuǎn)，并帶動鉆頭破碎巖石。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括的主要設(shè)備有轉(zhuǎn)盤和水龍頭。為實(shí)現(xiàn)鉆頭自動給進(jìn)，現(xiàn)代鉆機(jī)配備有鉆具自動送進(jìn)裝置。鉆井過程中，轉(zhuǎn)盤主要完成的工作是：轉(zhuǎn)動井中鉆具，傳遞足夠大的扭矩和必要的轉(zhuǎn)速;下套管或起下鉆時(shí)，承托井中全部套管柱或鉆桿柱重量;完成卸鉆頭、卸扣與處理事故時(shí)倒扣、進(jìn)扣等輔助工作。

水龍頭是提升、旋轉(zhuǎn)、循環(huán)3大工作機(jī)組相交匯的“關(guān)節(jié)”部件，它的主要作用是：懸持旋轉(zhuǎn)著的鉆桿柱，承受大部分以至全部鉆具重量；向轉(zhuǎn)動著的鉆桿柱內(nèi)輸入高壓鉆井液。

2 鉆機(jī)和裝備的智能化、自動化

2.1 電子/智能鉆柱技術(shù)

美國Grant公司研制的智能鉆桿用銅導(dǎo)線輸送電能，可以根據(jù)井下硬件用電量大小的要求來確定輸電功率的大小。智能鉆柱的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 104bDs、105bps和 106 bps，最大已達(dá)1.56*106bps。智能油管用光纖為主。智能鉆柱系統(tǒng)在井下采用分布式傳感器短節(jié)，將微處理器分別安裝在傳感器內(nèi)部，然后通過耦合元件將微處理器信號耦合到電力線上，從而傳輸?shù)降孛鎮(zhèn)鞲衅?。該系統(tǒng)采用傳輸直流電，如井下硬件需用交流電，可在井下硬件上增設(shè)逆變器DC／AC。

2.2 地質(zhì)導(dǎo)向鉆井

地質(zhì)導(dǎo)向鉆井是以井下實(shí)際地質(zhì)情況和油藏特征來確定和控制井眼軌跡的鉆井技術(shù)。使用這一技術(shù)，可以精確控制井下鉆具，命中最佳地質(zhì)油藏目標(biāo)，使井眼避開地層界面和地層流體界面并始終位于產(chǎn)層內(nèi)。地質(zhì)導(dǎo)向鉆井是在井下定向控制自動化鉆井系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將隨鉆測量儀(MWD)改為隨鉆測井儀(LWD)，而LWD僅是在MWD的系統(tǒng)中加上若干用于地層評價(jià)的參數(shù)傳感器，如電阻率、自然伽馬、方位中子密度、聲波、補(bǔ)償中子密度等。有的隨鉆測井儀還增加了溫度、井底鉆壓與扭矩、井下動力鉆具轉(zhuǎn)速等傳感器，使地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)成為具有隨鉆定向測量、隨鉆地層評價(jià)測井和隨鉆錄井與自動導(dǎo)向鉆井的國際高新先進(jìn)技術(shù)。地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)特別適合在薄產(chǎn)層和高傾斜產(chǎn)層中鉆水平井。對于這樣的產(chǎn)層，使用常規(guī)方法控制井眼軌跡很難命中最佳地質(zhì)目標(biāo)，而使用隨鉆定向測量和隨鉆地層評價(jià)測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向鉆井，可以隨時(shí)知道鉆頭周圍幾米范圍內(nèi)的地質(zhì)油藏特征和鉆頭與地層界面或地層流體的相對位置，因此可以控制鉆具始終在油氣藏中間鉆進(jìn)。

地質(zhì)導(dǎo)向的基本方法是在井設(shè)計(jì)階段使用試驗(yàn)井或鄰井的測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，得出新設(shè)計(jì)井的模擬測井?dāng)?shù)據(jù)以及對將鉆各個地層的各種響應(yīng)。在鉆井過程中，將井下隨鉆測量工具發(fā)送到地面的實(shí)際測井?dāng)?shù)據(jù)與各個模擬數(shù)據(jù)相對比，看它們是否一致。如果模擬數(shù)據(jù)與隨鉆實(shí)測數(shù)據(jù)一致，就說明井眼命中了最佳地質(zhì)目標(biāo)，否則就說明應(yīng)該按井下實(shí)際地質(zhì)油藏特征修正或改變井眼軌跡。修正或改變井眼軌跡也是靠旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置來完成的。地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)大大提高了油層鉆遇率、鉆井成功率和采收率，從而實(shí)現(xiàn)了增儲上產(chǎn)，節(jié)約了鉆井成本。

2.3 鉆機(jī)自動化

自動化鉆井包括并下自動化和地面鉆機(jī)自動化兩大方面。井下自動化將依靠井下閉環(huán)自動控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，地面鉆機(jī)自動化將依靠地面閉環(huán)自動控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。近年來，國外一些公司一直在圍繞這兩大方面進(jìn)行大力研究，并取得了重大突破和實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。在井下定向方面，一些公司研究出了井下定向控制自動化鉆井系統(tǒng) (也稱旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng))，主要包括：鉆頭、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置、隨鉆測量儀(MWD)。在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置內(nèi)，預(yù)設(shè)有井眼設(shè)計(jì)軌跡數(shù)據(jù)和若干控制指令。當(dāng)近鉆頭傳感器和MWD的探管測到的井斜、方位值送回導(dǎo)向裝置與預(yù)設(shè)的設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，其偏差超過規(guī)定范圍時(shí)，導(dǎo)向裝置中的電子控制模塊發(fā)生相應(yīng)控制指令，使非旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向外套上的3個導(dǎo)向翼板按指令進(jìn)行徑向伸出或縮人，當(dāng)其中一個或兩個翼板不同程度地伸出而另一個翼板縮入時(shí)，便會產(chǎn)生所要求的糾斜率，使所鉆的井眼軌跡符合設(shè)計(jì)的井眼軌跡，從而完成“井下閉環(huán)”。同時(shí)，MWD將工程參數(shù)的測量值經(jīng)井下脈沖發(fā)生器向上傳輸至地面，由地面?zhèn)鞲衅鳈z測送至地面儀器房內(nèi)的信號處理裝置進(jìn)行處理，再傳送至地面主控計(jì)算機(jī)供操作者進(jìn)行分析、判斷和決策。操作者可將決策指令經(jīng)由信息下傳通道發(fā)送給導(dǎo)向裝置，從而又完成了一個由井下一地面一井下的“閉環(huán)”。

結(jié)束語

實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化、自動化、智能化的鉆機(jī)。需具備完善的司鉆控制系統(tǒng)、鉆井參數(shù)系統(tǒng)、綜合錄井系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)、鉆井專家系統(tǒng)、遠(yuǎn)程安全應(yīng)急系統(tǒng)、電、氣、液集成控制系統(tǒng)、鉆臺自動化機(jī)具系統(tǒng)、井眼軌跡自動化控制系統(tǒng)、隨鉆測量系統(tǒng)等。未來的鉆機(jī)，必將具備遠(yuǎn)程操作、鉆井信息共享、鉆井全過程智能化控制功能，從而真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程支持、智能優(yōu)化鉆井。

[1]張奇志.電動鉆機(jī)自動化技術(shù).2006.

[2]朱云祖.自動化鉆井技術(shù)譯文集.1993.