提高鉆井機械效率和穩(wěn)定性的新型自動化鉆井界面

楊 莉

（中石化勝利分公司河口采油廠工藝研究 257200）

本文章中調(diào)查了相關(guān)實驗室數(shù)據(jù)、現(xiàn)場測試及結(jié)果，涵蓋了這套新系統(tǒng)從最初的商業(yè)應(yīng)用到被證明有效可行的過程。海上作業(yè)每口井因此可以節(jié)省24小時，而且有潛力可以將這一數(shù)據(jù)提高到每口井72小時。陸地鉆機也有相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

這樣一個系統(tǒng)可以簡稱為一個泥漿泵控制裝置。目前為止，它已經(jīng)應(yīng)用于各種型號的陸地鉆機以及一部在海洋作業(yè)的深水鉆井船上。通過這種方式，使得原本復(fù)雜的針對井下工具的命令傳輸信號變的非常簡單，它應(yīng)用下拉菜單即可輕松實現(xiàn)。因為在正常的工況下，要在完全手動條件下來保證與井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的連接實現(xiàn)零失誤是幾乎不可能的，而通過這種方式可以。另外，它與轉(zhuǎn)盤和絞車剎車的連接也已經(jīng)測試成功。通過這種應(yīng)用，可以用于限制司鉆的作業(yè)速度設(shè)定，從而避免因缺乏經(jīng)驗而造成的井眼或其它井口設(shè)備受損的情況發(fā)生。這種新系統(tǒng)的應(yīng)用，在未來將從根本上改變鉆井方式。對于現(xiàn)有鉆機來說，它作為一種輸送裝置，可以將復(fù)雜的命令準(zhǔn)確快速的應(yīng)用于鉆井作業(yè)中。另外，它也可以側(cè)重于算法將許多新的鉆井技術(shù)得以應(yīng)用，從而降低鉆柱擺動和疲勞的發(fā)生程度，更重要的是可以使井口應(yīng)力最小化并大大縮減由此產(chǎn)生的故障停工時間。

1 論述這種產(chǎn)品的性能

在鉆柱里面的電子井下工具最初起源于設(shè)定為固定配置的MWD，并很快發(fā)展為由作業(yè)者通過手動作業(yè)來實現(xiàn)和井下工具的通訊，也就是我們通常說的“下行通訊”。目前，井下工具主要有MWD、LWD、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、地層測試工具以及一些附屬設(shè)備，它們都可以通過下行通訊接收指示。這些可以通過手動改變鉆機上的手輪實現(xiàn)，或者是通過一個安裝在立管上的閥門。目前有些閥門可以通過一臺預(yù)排程序的電腦實現(xiàn)半自動化作業(yè)。

設(shè)備供應(yīng)商可以開發(fā)一種簡單的控制裝置，它可以被安裝在鉆機現(xiàn)有的控制系統(tǒng)里面以此來實現(xiàn)對下行通訊的自動化。這種計算機化的下行通訊方式分別應(yīng)用于深水鉆井船和陸地鉆機上。在這篇文章中，詳細描述了它是如何被使用以及它給作業(yè)者帶來的種種好處。用時，也探討了應(yīng)用這種新技術(shù)所帶來的長遠影響。

2 目前的理論

目前的井下工具是通過各種地面鉆機設(shè)備來接收下行命令的。其中通常公司的作法是利用泥漿流速的變化，它可以在定向井工程師的幫助下由司鉆通過手動調(diào)節(jié)泵沖數(shù)完成。另外有其他公司利用一種位于鉆臺面并與立管系統(tǒng)連接的旁通閥來實現(xiàn)，旁通掉一部分參與正常循環(huán)的的泥漿液來傳遞下行信號。其他一些公司通過作為上行連接的閥門來改變壓力脈沖信號，還有一些公司通過改變頂驅(qū)或是轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)與井下工具的通訊。但是，所有這些手動模式都存在以下缺陷：

1.人為操作所存在的不精確、不一致性，尤其是在鉆井過程中的突發(fā)狀況會打斷司鉆的下行作業(yè)

2.占用司鉆太多的時間

3.現(xiàn)有的自動控制系統(tǒng)成本較高，且需要定期進行保養(yǎng)和維護

4.壓力脈沖會受到井深的限制，即便是在新的解碼和檢測能力大大提高的情況下

3 新的控制系統(tǒng)

此新系統(tǒng)被開發(fā)為可以與各種類型鉆機的電控系統(tǒng)相匹配。只需要將現(xiàn)有的控制信號截斷，與預(yù)制好的命令序列作比較，然后將這些計算正確的指令沿著原有的路徑傳輸。在一個典型的直流鉆機的電控系統(tǒng)里面，位于司鉆房的手輪控制器會通過一個位于SCR房的接線端子排與電阻器或電位計相連接。通過這樣的接線方式，將手輪與SCR的控制系統(tǒng)相連接從而起到調(diào)節(jié)泵沖的作用。我們可以對電控系統(tǒng)進行相關(guān)的改動包括截斷與手輪的接線和將此新系統(tǒng)連接進去。這樣的話，司鉆房的手輪和新系統(tǒng)的主控制器相連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換后與來自定向井服務(wù)公司的指令序列作比較，重新計算后信號序列返回SCR或者AC驅(qū)動回路。

在此主系統(tǒng)中當(dāng)對信號進行整合時，有一些特殊的規(guī)定：

1.對系統(tǒng)嚴格檢查以確保司鉆能夠在任何時候都能掌控大局。當(dāng)然，司鉆也必須允許服務(wù)公司來對系統(tǒng)發(fā)送指令。

2.即使那樣，只有較低的輸入信號返回到現(xiàn)有的控制中。

3.司鉆只要輕輕轉(zhuǎn)動手輪，自動作業(yè)將即刻變?yōu)槭謩幼鳂I(yè)

4.司鉆能在任意時刻設(shè)置成與自己操作習(xí)慣一致的命令序列

如果有部件失效等情況發(fā)生，系統(tǒng)將會自動進行干預(yù)并迅速轉(zhuǎn)為手動作業(yè)模式。

這套新系統(tǒng)的接口設(shè)計為基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的開放式協(xié)議，它可以與其它客戶接口自由兼容。一種XML協(xié)議可以提供獨立的平臺，以便于第三方的軟件能夠與此系統(tǒng)相互通訊。此協(xié)議允許通過服務(wù)公司的電腦進行系統(tǒng)配置及標(biāo)定、生成指令序列、實施監(jiān)控等等。當(dāng)然，由于有保密設(shè)定任何試圖接近控制器的行為都是被禁止的。目前很多作業(yè)者、承包方或是第三方都有針對自身鉆機開發(fā)的軟件，此開放式協(xié)議接受類似軟件，具體的話會在案例分析中闡述。

在發(fā)送指令前，需要將服務(wù)公司的電腦通過以太網(wǎng)端口與主控制器相連，然后把相關(guān)的程序指令通過開發(fā)式協(xié)議上傳到主控制器。這些程序指令由服務(wù)公司通過下拉菜單創(chuàng)建，這種方式大大降低了發(fā)生錯誤的可能性。所有的指令序列一旦被成功傳送至主控制器后會被存儲在里面，同時系統(tǒng)會自動反饋給服務(wù)公司以確保指令被成功接收。這種通信方案的設(shè)計降低了主控制器和服務(wù)公司電腦之間信號傳輸延遲所帶來的影響：指令一旦上傳，回執(zhí)確認返回給服務(wù)公司，系統(tǒng)待機直到接收到執(zhí)行命令。

在正確設(shè)定之后，新系統(tǒng)可以用相同的構(gòu)建發(fā)送給定值指令。這種設(shè)定曾經(jīng)在位于德州中部的一臺陸地鉆機上進行實驗，針對各種鉆井參數(shù)比如鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵沖。通過在不同時間段里改變設(shè)定值，一個復(fù)雜的序列就產(chǎn)生了并被發(fā)送到主控制器，從而完成在沒有人力介入的情況下成功的執(zhí)行預(yù)先計劃好的作業(yè)。此外，同時發(fā)送多個指令也是可以實現(xiàn)的。

4 目前的應(yīng)用

新的控制系統(tǒng)允許服務(wù)公司建立一個簡單的界面，可以在不考慮鉆機設(shè)計多樣性的前提下進行作業(yè)。因為此界面是通過以太網(wǎng)絡(luò)建立的，可以從鉆機自身網(wǎng)絡(luò)或是從一個遠程站點來發(fā)送命令。那條深水鉆井船上面就將位于鉆臺的站點和位于定向井工程師辦公室的站點整合到一起。而在陸地鉆機上，主要接收來自本地的作業(yè)指令，有時也會接收來自鉆井公司總部的。

雖然上述的狀況都是在和泥漿泵相結(jié)合的情況下進行的，但是相同的安裝及操作也適用于大多數(shù)的頂驅(qū)和轉(zhuǎn)盤。

相對于人工作業(yè)依賴于司鉆個人的持久注意力來說，自動化控制裝置的優(yōu)勢在于它的可靠性和重復(fù)精度。由于自動化系統(tǒng)更加敏銳的導(dǎo)向性及脈沖下降沿，可以允許更窄的脈沖寬度通過，從而達到節(jié)省時間的目的。同時，更加敏銳的脈沖也大大提供了信號檢測能力，允許更加低幅度的變化，從而導(dǎo)致更低的流量變化和對環(huán)空壓力的更低影響。

5 未來的應(yīng)用

利用同樣的方法，新的控制系統(tǒng)可以通過發(fā)送給定值和界限值來輔助完成許多鉆井作業(yè)。可以通過現(xiàn)場試驗發(fā)送給定值到自動送鉆裝置，以證明新系統(tǒng)與其它遠程鉆井設(shè)備也能兼容。利用這些以定時發(fā)出的給定值，可以自動測算出最佳的鉆井參數(shù)。

現(xiàn)在有些第三方正在拓展它的附加功能，以此實現(xiàn)一些更加復(fù)雜作業(yè)的自動化，比如同時對多個鉆井設(shè)備實現(xiàn)自動化控制。

6 結(jié)論

1.新的系統(tǒng)可以為鉆機作業(yè)實現(xiàn)先進的控制方法提供一個安全有效且有實踐經(jīng)驗的解決辦法。

2.這些先進的方法可以直接在本地鉆機上應(yīng)用，也可以通過運程控制來實施。

3.事實證明，新的自動化系統(tǒng)可以在絕大多數(shù)鉆機上面實現(xiàn)復(fù)雜的控制方法，它對于鉆井控制方法來說具有劃時代的意義。